（机械制造及其自动化专业论文）新型磨料流加工设备的仿真设计与实验研究.pdf

摘要磨料流加工作为一种高效率的金属表面光整加工方法，其工艺及设备在小型异形零件的去毛刺和光整加工生产领域得到广泛应用。现今国内外磨料流加工使用较成熟的除单滚筒抛光外，主要是卧式行星式滚筒抛光和碗式振动抛光。就这几种加工方法的工艺研究已经非常成熟，并且已理论化。随着现代社会对零件表面质量要求得越来越高，以及光整技术在生产中的推广应用，为了进一步提高产品质量、增加效率、降低工艺成本、节约劳动力和改善工人劳动条件，迫切要求提出磨料流加工新技术、新工艺。本文针对目前使用成熟的卧式行星式滚筒抛光和碗式振动抛光方法，分析得出其工作原理统一的出发点：通过某种方式使料筒内磨料颗粒与加工工件获得复杂的运动轨迹，从而使磨料对工件产生更大量级上的碰撞、挤压和微量的磨削，更好地实现对工件去毛刺、倒棱及表面光整加工，更大限度地提高工件的表面质量。以此为研究思路，研发一种介于滚抛与振抛之间的新型抛光方法。新型研磨机在结构上采用行星机构与四杆机构，在连杆机构中，连杆上各点的轨迹是各种不同形状的曲线( 称为连杆曲线) ，其形状还随着各构件相对长度的改变而改变，从而可以得到形式众多的连杆曲线，我们可以利用这些曲线来满足不同轨迹的设计要求。从理论上利用采用m a p l e 对设计方案进行动态分析，根据工作要求确定设备的传动函数曲线，用经验方法初步选定机构的几何参数，根据运算结果得到实际传动曲线修正机构参数，为下一步运动模型的建立做好铺垫。根据修正的机构参数建立运动模型，通过进一步地运动学与动力学仿真分析最终确定新型研磨设备的设计参数。新型磨料流设备加工装配成机后，需要对其工件加工性能进行评定。工件研磨表面粗糙度是衡量工件表面质量的主要技术指标，通过对工件研磨表面粗糙度的测定，能直接反映出磨料流设备的研磨加工效果。通过对新型磨料流设备和由天津工业大学抛光研究所生产的f y - v i i 型行星式滚抛机进行的实验参数比较，验证了此项研究的成功性，这对磨料流加工技术的发展与进步具有重要的现实意义。关键词：磨料流加工；新型抛光工艺；仿真分析；表面粗糙度a b s t r a c ta so n eh i 曲一e f f i c i e n c ym e a n s ，t h ea b r a s i v ef l o wm a c h i n i n gi su s e de x t e n s i v e l yf o rf i n i s h i n ga n db u r r i n go fs o m es m a l l ，a b n o r m a lp a r t s n o w a d a y s ，b e s i d e st h es i n g l ew i n d i n gp o l i s h i n gp r o c e s s ，t h ec o m p a r a t i v e l ym a t u r eu s e da b r a s i v ef l o wm a c h i n i n gh o m ea n da b r o a da r em a i n l yt h eh o r i z o n t a lt y p eo fp l a n e t a r yp o l i s h i n gp r o c e s sa n dt h eb o w lt y p eo fv i b r a t i o np o l i s h i n gp r o c e s s t h ep r o c e s ss t u d yo ft h o s ep r o c e s s i n gm e t h o da r ev e r ym a t u r e ，a n dt h e ya r em o s t l yt h e o r i z e d w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h es o c i e t ya n dt e c h n o l o g ya n dt h ef u r t h e ra p p l i c a t i o no fa b r a s i v ef i n i s h i n gt e c h n o l o g y ,t h ed e m a n df o rh i g hq u a l i t ys u r f a c eo ft h ep a r t ss h o u l db em e t i no r d e rt of u r t h e ri m p r o v ep r o d u c tq u a l i t ya n dp r o d u c t i v ee f f i c i e n c y , d e c r e a s et h ep r o c e s sc o s t s ，e c o n o m i z et h ec o s to ft h el a b o ra n di m p r o v et h el a b o rc o n d i t i o n ，w ea r eu r g e n t l yd e m a n d e dt op u tf o r w a r df o rn e wt e c h n o l o g i e sa n dp r o c e s s e s a i m i n ga tt h em a t u r eu s e dp l a n e t a r y p o l i s h i n gp r o c e s sa n dt h ev i b r a t i o np o l i s h i n gp r o c e s sn o w a d a y si nt h i sp a p e r , i ta n a l y s i st h ew o r k i n gp r i n c i p l ea n do b t a i n st h eu n i f o r ms t a r t i n gp o i n t s ：i ns o m ew a yt om a k et h ea b r a s i v ep a r t i c l e sa n dw o r k p i e c ei nr o l l e r so b t a i nc o m p l i c a t e dm o t i o nt r a c e ，s oa st om a k et h ea b r a s i v ep a r t i c l e sw i t hw o r k p i e c eg e n e r a t eal a r g eg r a d ec o l l i s i o n s ，s q u e e z ea n dt r a c eg r i n d i n g ,f o rb e t t e rt or e a l i z eb u r r - r e m o v i n g , c h a m f e r i n ga n ds u r f a c ef i n i s hm a c h i n i n g ，f o rm o r eb e t t e ri m p r o v et h es u r f a c eq u a l i t yo ft h ew o r k p i e c e w i t ht h i sa sb a s i cp o i n t ，an e wp o l i s h i n gm e t h o db e t w e e np l a n e t a r yp o l i s h i n gp r o c e s sa n dv i b r a t i o np o l i s h i n gp r o c e s si sd e v e l o p e d t h es t u d yo fn e wt y p eo fp o l i s h i n gm a c h i n eu s e st h et y p i c a lp l a n e t a r yg e a rm e c h a n i s ma n dl i n k a g em e c h a n i s m i nt h el i n k a g em e c h a n i s m ，t h et r a c e so fe v e r yp o 缸i nt h ec o n n e c t i n gr o da r ev a r i o u ss h a p ec u r v e s ，c a l l e da sc o u p l e ro i i v e s i t ss h a p e st r a n s f o r mw i t ht h ec h a n g eo fc o m p o n e n t s r e l a t i v el e n g t h s ow ec a no b t a i nv a r i o u sk i n d so fc o u p l e rc u r v e s u s i n gt h o s ec o u p l e rc u r v e sc a ns a t i s f yd i f f e r e n tk i n d so fd e s i g nd e m a n d s i nt h e o r y , u s i n gt h em a p l et om a k ed y n a m i c a la n a l y s i sw i t ht h ed e s i g np l a n ，t h e n ，a c c o r d i n gt ot h ew o r k i n gd e m a n d s ，c o n f i r mi t sd r i v i n gf u n c t i o n a lc u r v e i ne x p e r i m e n t ，p r e l i m i n a r yd e t e r m i n i n gt h eg e o m e t r i cp a r a m e t e r so ft h ee q u i p m e n t ，a n da c c o r d i n gt ot h er e s u l t s ，c o r r e c t i n gt h em e c h a n i s mp a r a m e t e r st op r e p a r ef o rt h el a t t e re s t a b l i s h i n go fak i n e m a t i c a lm o d e l t h e n ，b a s e do nt h ef o r m e rk i n e m a t i c a lm o d e l ，m a k i n ga n a l y s i so fk i n e m a t i c sa n dd y n a m i c s ，a n df i n a l l yc o n f i r mt h ed e s i g np a r a m e t e r so ft h en e wt y p eo fp o l i s h i n gm a c h i n e a f t e ra s s e m b l i n gt h en e wt y p eo fp o l i s h i n gm a c h i n e ，i ts h o u l db ea s s e s s e da b o u ti t sw o r k i n gp e r f o r m a n c e w o r k p i e c es u r f a c er o u g h n e s si sa nm a i n l yi m p o r t a n tt e c h n i c a li n d e xi ne v a l u a t i n gt h eg r o u n dq u a l i t yo fb e l tg r i n d i n g t h em e a s u r e m e n ta n da n a l y s i so fw o r k p i e c es u r f a c er o u g h n e s sc a nd i r e c t l yr e f l e c t st h ea b r a s i v em a c h i n i n ge f f e c t so ft h ee q u i p m e n t a c c o r d i n gt ot h ec o m p a r a t i v e e x p e r i m e n t sb e t w e e nt h en e we q u i p m e n ta n dt h ef y - v i it y p eo fp l a n e t a r yp o l i s h i n gm a c h i n ed e v e l o p e db yp o l i s h i n gt e c h n i c a li n s t i t u t eo ft i a n j i np o l y t e c h n i cu n i v e r s i t y ，v e r i f y i n gt h es u c c e s so fo u rr e s e a r c h ，i ti so fg r e a ts i g n i f i c a n c et ot h ed e v e l o p m e n ta n da d v a n c eo fa b r a s i v ef l o wm a c h i n i n gt e c h n o l o g y k e y w o r d s ：t h ea b r a s i v ef l o wm a c h i n i n g ；n e wt y p eo fp o l i s h i n gp r o c e s s ；s i m u l a t i o na n a l y s i s ；s u r f a c er o u g h n e s s符号物理意义c o公转角速度q自转角速度重要符号表国际单位制首次出现页码角速度系数行星轮与中心轮的传动比构件质心的位置矢量构件的位置角构件的质心位置未加配重前构件i 的质量未加配重前构件i 的矢径未加配重前构件i 的矢量角加配重后构件i 的质量加配重后构件i 的矢径加配重后构件i 的矢量角压杆稳定临界载荷抗弯刚度与压杆两端支承形式有关的系数r p mr p mmo蚝m0蚝monn m44538889999999111113333333333344k10够量矿p卵豫。l矿兄独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得云洼王些太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：彳叩乐签字日期：沙莎年月矿日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解云洼王些太堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权云洼王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以提供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名：彳铆孬签字日期：沙d 扩年月僭日导师签名：乏浩握导师签名：之曙守乏签字日期：z 弦8 年，月扩日学位论文的主要创新点一、将四杆机构的运动原理运用到磨料流加工领域，以更加有效的方式实现机械研磨加工。二、将振动研磨和离心研磨的加工原理有机结合，获得一种介于两者之间的新型磨料流加工方法。三、将数值模拟仿真方法引入到磨料流加工领域，对机器设计参数与加工工艺参数进行优化选择，提高了设计效率，节约了大量人力物力。四、通过自由研磨对比实验研究验证了新型设备理论分析的正确性，证明了设计的成功性。1 1 磨料流加工技术概述第一章绪论1 1 1 磨料流a n t 技术的含义磨料流加工( a b r a s i v ef l o wm a c h i n i n g ) 简称为a f m ，在国内也称为挤压研磨或磨粒流加工，是一种用具有流动性的粘弹性材料( 由聚合物载体和磨料组成)对工件进行表面光整加工的新工艺技术。磨料流加工基本原理：磨料流加工，又称挤压珩磨，属于精加工范畴，是光整加工的重要方法之一，它是利用一种含磨料流的半流动状态的粘性磨料介质，在一定压力下强迫通过被加工表面，由磨料颗粒的刮削作用去除工件表面微观不平材料的新型光整加工方法。磨料流加工效果取决于磨料的流量、流速、挤压压力和流体磨料的特性，其中包括粘度，磨粒材料及粒度等。压力和流动速度与磨料流经的通道( 往往由工件和夹具共同形成) 的截面大小及形状有关。磨料流加工的目的，主要是去除由于冲压、机加工等形成的表面毛刺，降低金属工件的表面粗糙度。磨料流加工的特点：磨料流加工作为一种机械光整加工新技术( 流体磨料的切刃对加工表面产生微细切削光整加工) ，可用来提高表面质量，去毛刺，抛光，倒圆角并可去除由电火花加工或激光加工后的再铸层。可加工材料范围广，几乎能加工所有的金属材料，也能加工陶瓷、硬塑料等非金属材料，同时由于流体磨料的流动性，它特别适用于按常规方法难以加工的工件，广泛应用于各种金属材料和硬质非金属材料零件的不规则成形面、异形曲面、窄缝、微孑l 、交叉孔道、各种齿形齿面、电磁阀、减压阀相贯孔内毛刺等用常规工艺方法无法达到的光整加工。材料去除速度快，但不能改善零件的形状精度；在一道工序中即可使原表面粗糙度降低1 2 级，加工精度高可达1 0 2 5um 。针对各种金属工件特别是小型异型件零件的光饰加工和去毛刺加工，具有效率高、成本低、质量较好的突出优点，并可保证产品加工的一致性n 7 1 。它在各种机械加工、航空、汽车、模具、液压、化工和医疗等行业中得到了广泛的应用。当今工业和民用机械产品的生产向着高性能、高精度及安全美观的方向发展，磨料加工正是适应这一趋势，为机械加工向高、精、尖发展，开创了一条新的途径。弟一草绪论1 1 2 磨料流加工技术的分类随着现代社会对零件表面质量要求得越来越高，近年来磨料流加工技术得到了很大发展。以降低表面粗糙度、改善零件表面力学性能和去除飞边毛刺为主要功能的磨料流加工新技术、新工艺不断涌现。磨料流加工技术可分为喷射磨料流加工和自由磨粒磨料流加工。二者的共同点是使用松散磨料，用特定的运动方式，在一定的介质中使磨料和工件获得相对运动，借助此相对运动，使磨料对工件产生切削，从而实现对工件的精细加工。磨料流加工技术针对各种异形工件在高效率、高质量方面具有无可比拟的优点，因此在工业生产中得到广泛应用。磨料流加工的本质是磨料颗粒借助于液体抛磨剂的辅助作用随机地对工件表面进行挤压、碰撞、刻划和微量磨削。从力学的观点来看，它是一个液固两相流动问题。1 2 自由磨粒研磨) j n - r 简介自由磨粒研磨加工就是使用松散磨料，用特定的运动方式，在一定的介质中使磨料和工件获得相对运动，借助此相对运动，使磨料对工件产生切削，从而实现对工件的精细加工。自由磨粒研磨加工的特点就是在加工过程中磨料始终与工件没有固定的相对位置，加工中磨料与工件均处于流体中的游离状态，以一定的相对速度和压力实现对工件表面的磨料流加工。自由磨粒研磨加工的目的，主要是降低金属工件的表面粗糙度，去除由于冲压、机加工等形成的表面毛刺。在自由磨粒研磨磨料流加工中，磨粒依靠设备提供的某种运动方式，随机地对工件表面进行精加工。2第一章绪论图1 - 1 几种主要自由磨粒研磨t 艺( a )单筒滚磨( ”行星滚磨( c ) 涡旋磨( d ) 振磨( d )自由磨粒研磨加工属精加工范畴，是磨料流加工技术的重要方法之一。具有对各种金属工件特别是小型异形零件的光饰加工及去毛刺加工效率高、成本低、质量好等突出优点。自由磨粒研磨加工技术按其生产方式分类，丰要有滚磨加工、振磨加工、旋转抛光及涡流式抛光等。1 2 1 滚磨加工滚磨加工分回转式滚筒加工和行星滚筒加工两种方式。回转式滚筒加工指装有磨料和工件的滚筒工作时仅有以自身中心为旋转轴的匀速圆周运动，这种加工方法很古老，其牛产效率和加工质量都很低，这是因为滚筒的回转速度必须低于某一临界值，否则滚筒内的物料将在离心力的作用下贴在筒壁上而失去物料间的相对运动，从而不能实现滚磨加工。经计算，这一临界转速n ；1 3 5 2 d，式中d 为滚筒直径，g 为重力加速度。3霉，。第一章绪论图1 - 2 离心滚磨加工原理示意图卜电动机2 一电动机带轮3 一系杆带轮4 一中心轴5 一中心带轮6 一行星带轮7 滚筒同转轴8 一滚筒9 一系杆离心式滚磨加工是在单滚筒加工的基础上发展起来的。如图卜2 ( b ) 所示，装有物料的行星滚筒既自转，同时又绕某一回转中心轴公转。很明显，由于离心滚磨加工存在两个回转运动，行星滚筒内的物料处于重力场和两个离心场组成的变化的复合场内，因此，在滚筒高速运转时，物料能够获得复杂且剧烈的相对运动，从而使加工效率得以大大提高。实践证明，对于相适应的工件，行星滚筒) j n - r 要比单滚筒加工提高效率5 - 1 0 倍，加工质量也有所提高。因此，行星滚磨加工在许多行业如针织机机针、棉纺细纱钢领、金属电器零件、微型轴承零件等得到广泛应用。行星滚磨加工的缺点是装卸物料耗用辅助时间较多。1 2 2 振磨加工振磨加工已广泛应用于中、小零件的去毛刺、倒圆和光整加工。加工时，将一定配比得工件、磨粒和液体介质装入一定形状的容器中，当容器在特定的振幅和频率下振动时，将能量传递给物料，使物料间产生相对运动，在运动过程中，由于工件和磨粒的质量、形状和所处位置的差异，迫使磨粒对工件产生碰撞、挤压和微量磨削，从而实现对工件去毛刺、倒棱及表面光整加工。振动加工设备及物料运动迹线示意如图1 - 3 所示。4第卓绪论图卜3 振磨加l 蹬蔷技原_ 唑振磨加工有着自己明r 的特点：1 ) 加工效率高。加工过程中，磨粒对t 件的磨削作用在整个加工循环时间内是连续不断进行的，与吲转式滚磨加工相比其效率要高几倍乃至数十倍。2 ) 应用广泛。这种加工方法不仅可以加工黑色金属件、有也金属件，而还可以加工靼料件等非金屑件，具有内孔或隐蔽表面的形状复杂的壳体零件以段其它易变形状。3 ) 加工质量好。这种加工方法加工均匀一致，有效减少表面柑糙度值卜2 级。加工后的零件，其表面显微硬度有所提高，还可消除零件内应力疲劳强度提高1 0 左右。4 ) 设备结构简单，操作方便，容易实现多机床镑理和加t 自动化。振磨加工与封闭式的滚磨加工相比，属于敞开式加工，单次加工工件数量大，工件装卸方便，因此对于有些表面质量要求不是很高的工件更能显示其教率高的特点。例如，3 0 0 升的振抛机对干餐具的振动抛光，每次可加工5 0 0 1 0 0 0 件，时问为4 0 分钟，且装卸料很方便。这样的加t 效率如使用行星滚磨加工是难以达到的。振磨加工用在金属制品光饰处理方面工作时多采用钢珠代替磨料，这时，振动光饰过程实际是一机械轧光过程而非磨削过程，即工件表面通过微观塑性变形而使粗糙度降低。在这一过程中必须辅以化学光亮剂的作用。光亮剂在其中既起冷却润滑等物理作用又能迅进去除工件袁面的油污及杂质，同时还有防锈作用，能够较长时间保持钢珠良好的表面状态。这些都会对丁件表l f f 的增亮起到明显的作用。小型不锈钢制品及铝合金压铸件的表面光饰处理是采用钢珠振磨加工丁艺的典型实例。磨料第一章绪论振磨加工如用于精光饰目的，当要求表面粗糙度达到r a o 8 以下时，加工效率很低。例如，棉纺钢领过去有一种生产工艺，便是采用磨料振磨加工，每5 0 0 8 0 0 只钢领需工时1 0 - 2 0 小时，采用行星滚磨加工仅需2 - 4 小时。钢珠振磨加工虽然效率高，但对于硬材料如淬火钢却不适宜。由此可见，行星滚磨加工和振磨加工的加工效率和加工质量因工件材质、形状、尺寸的不同而不同，不能一概而论。1 2 3 旋转抛光旋转抛光又称叉轴式滚磨加工，其工作原理如图卜4 所示。这种生产方式是将工件单独装卡在主轴快速夹紧装置上。工件安装时，主轴呈铅直位置。加工时，主轴夹持工件浸入滚筒内的磨料中，主轴( 工件) 和滚筒同时转动，使整个工件的自由表面处于研磨作用中。在加工过程中，滚筒内应加入抛光液，及时地起到冷却清洗和润滑作用。影响主轴抛光加工质量的因素除了主轴和滚筒的旋转速度外，还有加工件的浸没深度、主轴的倾斜角度、磨料的种类和尺寸及时间的长短等。图1 - 4 旋转抛光示意图卜旋转筒；2 一水、化学促进剂入口；3 一零件；4 一转轴；5 一控制台；6 一排水槽；7 一磨料旋转抛光可用于对大中型工件的去毛刺和精密2 n - r 。与滚磨加工和振磨加工相比，旋转抛光的优点在于可避免工件之间因相互碰撞而损伤，研磨作用更均匀，获得的粗糙度更低，并且可以对工件的隐蔽部位进行局部抛光。当然，对于小型异形零件，滚磨加工和振磨加工的优势是明显的。6第章绪论i 2 4 涡流式研磨加工固定简壁2 一回转底舟3 - 工件扶加_ l 丹质图i 一5 涡流式壤磨加工币意图如图卜5 所析，在加工过程中同转底舷2 以一定的转速回转，转筒内的工件和加工介质3 在离心力的作用卜沿固定筒壁1 同转，并沿其内壁上m 到达某一高度后下落。在连续回转过程中上述过程反复进行，使工件和加工介质的混合物产牛螺旋状的涡流运动，工件与磨料间相互作用，从而达到均匀地去除工件毛刺、倒角或抛光的h 的。12 5 挤压珩磨挤压珩磨是利用一种半固体状的研磨磨料，在挤压珩磨机( 图卜6 ) 的作用下，使培料在被加工零件表面进行往复运动，对零件的各种型腔及交叉孔径及边棱进行研磨抛光、倒同角土毛刺的一种新型工艺。图p 6 挤压珩肝机由丁科学技术的飞跃发展，这项技术己应用在宇航技术及兵器i , i k 、吲时也扩第4 章绪论展到纺织、医疗、缝纫、精密齿轮、轴承、模具制造等其它机械行业。在宇航导弹、电子、计算机等精密机械零件的工艺性能要求不断提高的情况下，对零件内孔表面粗糙度、倒园角及边棱净化有很高的要求，目前用手工、机械、化学等方法对零件表面进行抛光、倒角及去毛刺均有其局限性，特别是对零件内小孔径相互交叉的孔径及边棱进行抛光、倒角去毛刺是无能为力的( 因为工具不能奏效) 。挤压珩磨技术具有对零件隐蔽部位的孔及型腔研磨抛光、倒园角的作用，又有对外表面各种复杂型面研磨抛光的能力，具有其它方法不能胜任的功能，故称“奇特工艺。挤压珩磨用不同粒度、粘度的磨料，在挤压力作用下，选择合适的工艺参数，可使零件表面粗糙度在原来表面粗糙度的基础上经珩磨3 5 分钟提高2 3 级，最高粗糙度可达0 0 5 ，精度可以控制在微米级。挤压珩磨不但能对零件表面进行研磨抛光、倒园角，还可以对挤压模、拉丝模、冷冲模等各种模具的型腔表面进行研磨抛光。挤压珩磨技术先进具有其它加工方法不可比的优点，适应性很强，由于挤压力不同、磨粒大小及软硬不同，不但对零件精加工表面进行研磨抛光、倒园角，还可以对精密铸造等粗糙表面进行研磨抛光、倒园角去毛刺，对金属和有色金属淬火和不淬火零件进行表面研磨抛光、倒园角去毛刺，也可对非金属材料进行抛光。这种加工方法，在3 5 分钟内可加工一个或数个零件，最高班产可达数百件，它不仅适用于单件牛产同时也可进行大批量牛产。1 3 自由磨粒研磨加工效果的影响因素自由磨粒研磨加工中，影响其加工质量和加工效率的因素很多，主要包括工件状况、加工介质、工艺过程、加工设备四个方面。只有协调好四个方面之间的关系，才能优质、高效、低耗地完成滚磨加工。当被加工工件和加工要求确定以后，影响加工的因素便成为加工介质、加工工艺参数和加工设备。加工介质的使用，对自由磨粒研磨加工起着重要的作用。合理选用加工介质，对工件的加工效果有很大的影响。1 、自由磨粒对加工效果的影响自由磨粒的粒度、硬度和形状对研磨加工效果有着很大的影响。2 、研磨剂对加工效果和加工效葺夏的影响研磨剂的装入量直接影响加工效果；研磨剂的配比对工件表面粗糙度的改善和工件表面光亮度有一定的影响。8第一章绪论自由磨粒研磨a n ：i ：工艺参数对加工效果的影响：1 、工件与磨粒的总装入量适宜的装入量，在混合介质中心不会形成局部的相对静止，在滑移流动层可获得较大的相对滑移速度和较长的滚磨加工流动层，从而使磨粒与工件间相对滑擦、刻划的次数增加，加工效果较高。2 、加工时间滚磨加工的时间长短，直接影响工件的加工质量、生产率和经济性。对不同材质、不同形状、不同要求的工件和不同的磨粒加工时间是不同的。加工设备对自由磨粒研磨加工效果的影响：1 、加工设备的运动参数加工设备不同的运动参数，使滚筒中磨料流形成不同的运动规律，从而直接影响到加工的效果与效率。2 、物料筒的截面形状物料筒截面形状的不同，导致介质在筒内受力情况和强制流动的变化，从而影响加工效果。1 4 本文研究的国内外现状、主要内容及意义1 4 1 技术发展的国内外研究现状磨料流加工作为一项新工艺技术，是上世纪6 0 年代由美国两公司独立发展起来的，最初仅用于航空航天领域的复杂几何形状的合金工件的去毛刺加工。此后逐渐推广应用到其它行业。磨料流加工最初在1 9 8 3 年进入国内，主要是作为进口成套设备的配套设备引进的。其后国内不少学者和研究机构对这一新加工工艺进行了系统的研究。陆纪培等研究了黏性磨料对加工效果的影响哺1 ；段润保从分析单个磨粒入于研究了磨料流加工的微切削过程，提出了“柔性动态微刃切削”的观点随1 0 1 ；杨建明、聂先桥等研究了磨料在工件孔腔中的流动特性，并提出了新的流动边界条件1 2 1 ；杨俭安在假塑性流动温度不变得假设下分析了磨料流加工中的流动特性n 3 1 ；汤勇等利用反光粒子纹影照相法验证了磨料流加工中磨粒相对于壁面存在滑移，提出了在原假塑性流体方程基础上附加一滑移速度的数学模型，并通过实验分析了压力、相对滑动速度、磨料等因素与加工后表面粗糙度及金属去除量的关系 蚓；宋伟等提出了用正交试9第一章绪论验法确定磨料流加工参数n 钔；天津工业大学抛光技术研究所针对行星滚筒抛光做了大量的探索，其中最成功的例子是研究了棉纺退役钢领的失效机理，创立了钢领的光面理论，进而摸索出一套钢领修复的行星滚抛工艺啪名1 捌。太原理工大学磨料流加工研究室在丰轴抛光方面多年来从理论到实践进行了许多研究和探索，从多方面探讨了这种抛光方式的原理和应用，分析了影响其加工质量和加工效率的多种因素如工件、设备、加工介质及工艺过程等盯1 。他们在这一领域取得的科研成果在国内处于领先地位。应用研究的另一方面是磨料流加工设备及其磨料的研制。国外主要有e x t r u d eh o n e ，d y n a s t i c 及日本东洋公司生产磨料流机床及流体磨料，已系列化。缸径从几十毫米到6 5 0 m m ，自动化程度较高，某些型号的机床除配有通常的控制系统外，还有记录系统、磨料冷却系统、补料系统、可交换工作台等。国内从8 0 年代开发磨料流加工，已取得很大进步。太原理工大学1 9 8 4 年成功开发了m b 9 2 0 9 、m b 9 2 1 1 、m b 9 2 1 5等机床，及适应各加工的流体磨料，并在纺织、液压、模具等行业推广应用。另外还有北京航空工艺研究所、西安东方机械厂、四川长征机床厂、山西内燃机厂、苏州市英华新技术开发公司、哈尔滨汽轮机实业有限公司、大河机床j 等生产磨料流机床瞳聊引。随着光整技术在牛产中的推广应用，为了进一步提高产品质量、增加效率、降低工艺成本、节约劳动力和改善工人劳动条件，对光整加工自动化提出了新的要求。近年来许多国家都投入了大量的人力、物力进行开发研究，现已研制出多种不同形式的自由磨具光整加工自动化设备，如光整加工自动化单机、光整加工自动化生产线、数控光整加工设备、光整加工机器人、柔性光整加工单元和柔性光整加工生产线h 1 。这些光整加工自动化设备同样在磨料流加工中得到了应用。振动式光整加工中的半自动化滚磨机可以自动完成工作循环、速度变换、工作时清洗和加工后工件分选等工作；离心式半自动滚磨机设有自动调速系统，实现自动1 作循环。该设备的自动装卸装置可以使装卸料时间不超过两分钟，使得加工效率大幅度提高；图卜7 为具有连续加工和物料搬运自动化的振动式滚磨机，能实现1 0第一章绪论图卜7 振动式自动滚磨机工件和磨块等物料的装入、分离，工件输出和纯净磨块的再循环的自动化。在柔性光整加工系统中，一般有两种型式；一种是针对某一种类型零件加工设计的柔性制造系统；另一种是通用的适用于多种类型零件光整加工设计的柔性制造系统。如图1 - 8 为柔性光整加工系统。该系统设置的振动式、离心式、涡流式滚磨机、研磨机、抛光机用于完成零件去除毛刺和表面光饰加工，使零件表面获得低于r a o 2um 的表面粗糙度。并设有排水、分选、清洗、脱磁、防锈、烘干、及计量等设备，是用于完成加工中的辅助工序。系统中应用机械手、机器人、运输小车完成物料的装入、卸出输送、存储等工作，系统还设置控制中心，通过计算机、传感器、操作系统实现全系统的自动控制。系统通过监视系统监视所有机械的动作，以保证系统的正常运转h 1 。适用于多种类型工件加工的柔性制造系统由一系列离心式滚磨机和辅机组成，通过中央控制系统控制所有过程参数，完成光整加工、清洗、分离、和输送等工作。图1 - 8 柔性光整加工系统第。章绪论从总体上来看，国内磨料流加工与发达国家相比，存在较大的差距。这主要体现在工艺装备的多样性及自动化程度方面。尽管为磨料流提供动力的方式主要是滚动和振动，但日本、美国等国家在m a s s f i n i s h i n g ( 用松散磨料抛光) 领域发展了适应不同工件、不同生产批量及不同生产效率的多种生产方式啪1 。如大型槽式振动抛光可以实现工件的连续送进、连续加工；端部卸载振动抛光可自动装卸工件，封闭加工，适应不同尺寸的工件；自动控制的碗式振动抛光对小型工件加工效率很高；在滚动抛光方面，除单滚筒抛光可实现不同尺寸的滚筒多重同时加工，且自动化装卸外，离心式滚筒抛光有了更大的发展，如小型立式离心滚抛、大型自动化的离心滚抛、双主轴抛光、湿式浸入式离心滚抛等等。这些抛光方式的共同特点是加工效率高，自动化程度高。另外近年来随着光学材料的发展，获得原子级的超光滑表面是一个迫切需要解决的问题，很多学者在传统磨料流加工方法的基础上提出了许多新的加工方法，如浮法抛光、磁流变抛光，并进行了一些新的尝试取得了比较理想的加工效果。例如，日本理化学研究所新世代加工系统株式会社和日本宇都宫大学大学院工学研究科在磨料流加工的磁力研磨方面实现了对磁性金属材料的加工。太原理工大学研究的旋转电磁场磁性研磨技术，实现了对大型曲轴( 直径大于6 0 0 0 m m ) 的表面光整的加工，他们都是对磨料流加工技术多样性的一种拓展。1 4 2 本文研究的主要内容及意义现今国内磨料流加工使用较成熟的除单滚筒抛光外，主要是卧式行星式滚筒抛光和碗式振动抛光。就这几种加工方法的工艺研究已经非常成熟，并且己理论化。它们的工作原理的出发点基本上是一致的：通过某种方式使料筒内磨料颗粒与加工工件获得复杂的运动轨迹，从而使磨料对工件产生更大量级上的碰撞、挤压和微量的磨削，更好地实现对工件去毛刺、倒棱及表面光整加工，更大限度地提高工件的表面质量。本文研究主要是鉴于两者在磨料流加工上的优点，研发一种介于两种加工方式之间的新型磨料流加工设备。对新型磨料流加工设备和行星滚筒抛光机从理论上利用数值方法模拟出物料筒的运动曲线，寻求设备的最佳设计参数；在实验上通过两种磨料流加工设备的研磨对比实验，检验新型设备的优劣状况。通过大量查阅国内外相关学术资料可以了解到，国内外学术界对这一新型磨料流加工设备工作机理的研究与设备的试制尚少，该研究是对磨料流加工方法的技术创新，对磨料流加工技术的研究具有重要的社会意义与现实意义。1 2第二章基于m a p l e 的新型磨料流加t 设备总体研究第二章基于m a p l e 的新型磨料流加工设备总体设计研究对新型磨料流加工设备的设计首先必需利用已知条件，以及希望达到得目的或机械应实现的功能，在头脑中形成一个比较完善的设计方案。数学软件m a p l e 是一个具有强大符号运算能力、数值计算能力和图形处理能力得交互式计算机代数系统( c o m p u t e ra l g e b r as y s t e m ) ，被广泛应用于数理及工程领域的计算分析。采用m a p l e 对设计方案进行动态分析，根据工作要求确定设备的传动函数曲线，用经验方法初步选定机构的几何参数，根据运算结果得到得实际传动曲线修正机构参数，为下一步运动模型的建立做好铺垫。2 1 新型设备的设计理念与设计参数初定2 1 1 设备设计思路现今国内磨料流加工使用较成熟的除单滚筒抛光外，主要是卧式行星式滚筒抛光( 基于工作原理而言，后面均称为离心研磨机) 和碗式振动抛光。虽然这几种磨料流加工设备的工作原理不甚相同，但是它们的设计总出发点是相同的：通过某种方式使料筒内磨料颗粒与加工工件获得复杂的运动轨迹，从而使磨料对工件产生更大量级上的碰撞、挤压和微量的磨削，更好地实现对工件去毛刺、倒棱及表面光整加工，更大限度地提高工件的表面质量。离心式滚磨加工与振动式抛光的特点：离心式滚磨加工是将工件、磨块及液体介质按一定比例装入密封滚筒内，滚筒作行星运动，在惯性力作用下，筒内介质产生强制流动，促使磨块对工件表面产生碰撞、滚压、微量磨削，从而实现对工件表面的光整加工。离心式滚磨加工加工效率高、加工质量好。但离心式滚磨加工的缺点是装卸物料耗用辅助时问较多，从而间接地降低了总体的工作效率。振动式抛光是在特定的振幅和频率下，使工件与抛光剂在容器中产生一定的轨迹运动。加工效牢高、加工质量好、设备简单、操作方便。但振动式抛光的缺陷是容器振幅低，频率高，属于高频低幅振动，对工件的碰撞与磨削强度比较低，只适用于加工精度要求较低的工件。1 3第_ 章基于m a p l e 的新型磨料流加工设备总体研究连杆机构是一种应用十分广泛的机构，它不仅在众多工农业机械和工程机械中得到广泛应用，而且诸如人造卫星太阳能板的展开机、机械手的传动机构等方面也用到了连杆机构。连杆机构具有以下传动特点：1 ) 连杆机构中的运动副一般均为低副。低副两运动副元素为面接触，压强较小，故可以承受较大的载荷；且有利于润滑，磨损较小；此外，运动副元素的几何形状较简单，便于加工制造。2 ) 在连杆机构中，当原动件的运动规律不变，可以用改变各构件的相对长度来使从动件得到不同的运动规律。3 ) 在连杆机构中，连杆上各点的轨迹是各种不同形状的曲线( 称为连杆曲线) ，其形状还随着各构件相对长度的改变而改变，从而可以得到形式众多的连杆曲线，我们可以利用这些曲线来满足不同轨迹的设计要求。新型设备的设计思路是鉴于离心式研磨加工与振动式研磨加工的优点与缺陷，在离心研磨机的基础上，对原有设备加以改装，辅以一连杆机构，研发一种介于滚动抛光与振动抛光之间新型研磨方法。2 1 2 工作要求与结构参数的经验选取2 1 2 1 行星机构离心研磨机的传动机构包括中心齿轮、行星齿轮、过桥齿轮和连杆，机构示意如图2 1 所示。图2 一l 行星滚筒的结构示意图1 4第二：章基于m a p l e 的新型磨料流加t 设备总体研究考虑工作料桶上做行星运动的固定点，其工作过程中的运动方程为： x y = ；l ，c s o ；n s t o ，t + + 尺rs c 血o s t o 。f式中l 为滚筒系杆长度r 为滚筒半径为滚筒公转角速度q 为滚筒自转角速度( 2 1 )由于在机器运动过程中连杆角速度u 和行星滚筒角速度l 成正比，设1 = k( - ) ，于是：丁z = 2 c o s f + 尺c o sk f( 2 2 )l，= ，s i n t + rs i nk t式( 2 2 ) 描述了工作料桶上固定点的运动轨迹，常数k 由行星传动比z l z 2 确定：k ：1 2 ：1z 2( 2 - 3 )分别取k = 0 1 3 和1 1 ，由式( 2 2 ) 绘出的工作料桶上固定点的运动轨迹如图2 2所示。1 5第二章基于m a p l e 的新犁磨料流加t 设备总体研究厥?1002 0 l2 0 俨毒2 0 0 j7、3 0 酽、；律弋n 、i ，f( a ) k = o 1 3 时( b ) k 2 = 1 1 时图2 2 工作料桶固定点的运动轨迹为了得到行星机构的运动模拟，依据作行星运动的工作料桶固定点的运动方程，用m a p l e 软件编程，将行星滚筒圆周运动的一个循环分割成r l 等份，在每一个位置利用m a p l e 的几何工具包绘图，整个程序用一组循环语句将所有位置的图形绘出，将每一位置的图形存入一定义好的空集t ( n u l l ) 中，使用p l o t s ( d i s p l a y ) 命令显示t 。运行程序后，所有的图形顺序显示，我们便看到了整个机构的运动效果。机构运动如图2 - 3 所示。图中蓝线为固定点运动轨迹。图2 3 行星机构动态模拟1 6第二章基于m a p l e 的新型磨料流加t 设备总体研究2 1 2 2四杆机构对于新型设备的四杆机构部分，以离心研磨机的滚筒自传半径为曲柄，将工作料筒放置在连杆的固定装置上，摇杆的下端铰接于设备的底座。设备的级皮带传动比为1 8 5 ，行星传动部分初步选定z 。= 4 0 ，z 2 = 2 3 ，行星传动比为2 3 4 0 。四杆机构参数的确定为机构综合问题。根据已知输入量和输出量之间的关系求机构中各杆长。鉴于四杆机构大量的非线性方程组运算陇矧和繁琐的图解法求解作图过程，按照设备的实际结构，可根据经验设计。先确定某些主要参数，初步估计另一些参数，然后对其进行动态分析，修正参数。机构运动简图如图2 4 所示。arcb图2 - 4 机构运动简图机构参数主要包括机架的位置、各构件的杆长及传动角y 。从实际工作出发，选定机架的2 个位置坐标，以行星机构的自转半径为曲柄，在保证传动角y 4 0 。4 5 。的条件下，初步选定连杆与摇杆的长度，待整个机构动态设计完成后根据机构运动情况对杆长进行修正。在四杆机构设计过程中，必须考虑的问题：1 、转动副a 为周转副必须满足的条件：最短杆长度+ 最长杆长度其余两杆的长度之和；杆a b 为最短杆。2 、四杆机构运动的连续性。在设计四杆机构时，必须检查所设计的机构是否满足运动连续性要求，检查其是否有错位、错序问题，出现问题时考虑是否能补救，1 7第二章基于m a p l e 的新型磨料流加工设备总体研究若不能需考虑其它方案。2 2 新型设备动态图形的绘制2 2 1m a p l e 程序编制根据初步确定的机构几何参数，可以利用计算机编