细长管内壁磁力光整加工系统的设计

第一章 引言目录 中文摘要 .- I -Abstract .- II -目录 .- 1 -第一章 引 言 1.1 课题的背景 .- 3 -1.2 磁力光整加工技术的历史发展 .- 3 -1.3 磁力光整加工技术的意义 .- 3 -第二章 加工系统的总体方案确定2.1 细长管内壁磁力研磨加工系统的介绍 .- 4 -2.2 总体方案确定的说明 .- 4 -2.2.1 加工系统的机械部分 .- 5 -2.2.2 加工系统的控制部分 .- 5 -第 3 章 加工系统机械部分的设计计算 3.1 同步带传动设计 .- 6 -3.2 主轴强度计算及校核 .- 7 -3.3 主轴挠度计算及校核 .- 8 -3.4 轴承型号的选择 .- 8 -3.5 轴承的校核 .- 9 -3.6 平键的选择与计算 .- 10 -3.7 主轴的传动 .- 11 -第四章 步进电动机的选择4.1 步进电机的介绍 .- 13 -4.2 步进电机的型号选择 .- 13 -4.3 步进电机选择计算 .- 13 -4.4 步进电机的控制 .- 15 -第 5 章 导轨、联轴器、滚珠丝杠、滚动轴承的选择 5.1 导轨的选则 .- 16 - 5.2 联轴器的选用 .- 17 -5.2.1 联轴器功能及类型 .- 17 -5.2.2 套筒联轴器特点及适应场合 .- 17 -5.2.3 联轴器的选择 .- 17 -第一章 引言5.3 进给方向中的滚珠丝杠 .- 18 -5.3.1 滚珠丝杠副的工作原理及其特点 .- 18 -5.3.2 滚珠丝杠副的分类 .- 18 -5.3.3 滚珠丝杠的计算与选择 .- 19 -5.3.4 滚动轴承的选择 .- 21 -第六章 旋转磁场装置的结构设计6.1 旋转磁场的产生 .- 21 -6.2 加工效果的影响因素 .- 22 -6.3 可控旋转磁场的形成原理 .- 23 -6.4 旋转磁场的结构设计 .- 24 -6.5 磨料临界速度公式 .- 25 -6.6 旋转磁场控制部分设计 .- 28 -结论 .- 32 -参考文献 .- 33 -感谢及说明 .- 34 -第一章 引言第一章 引 言1.1 课题的背景随着社会的发展，在某些工业生产过程中需要使用内表面质量非常好的输送管道，但是，对于这种长径比非常大的细长管，传统加工技术不能很好实现，这就需要我们研究新的方法来解决这个技术瓶颈。磁力光整加工是近半世纪以来新型去除材料方法。磁性磨料在可控的场力作用下成为一种具有挠性的切削工具，并且与工件产生相对运动，达到去除工件材料的目的，得到更高要求的表面质量。1.2 磁力光整加工技术的历史发展磁力光整加工技术的研究是现代特种加工技术的一个新趋势。在中国和国际上有许多机械工作者做了很多的学术研究。在国内方面，上海交大、大连理工大学、山东理工大学等高等院校的专家教授在磁性磨料、加工机理、实验装置以及应用等方面做了很多研究。为我国磁力光整加工技术做了很大的贡献。在国外方面，前苏联、美国以及日本走在国际的前端。在磁力光整加工的原理、自动化控制等方面都有显著的突破。虽然国内取得不小的进步，但是与世界上工业发达国家有不小的距。在磁力光整加工的实用性仍是有许多问题，本课题利用对某型号卧式车床的改造设计，更好的实现细长管内壁的加工。这种加工系统可以克服传统加工技术的不足，提高了细长管内壁加工的速率以及加工质量。对我国以及国际磁力光整的实际应用有着很大的积极影响。1.3 磁力光整加工技术的意义以下是磁力光整加工技术的优点：高效率、低成本、易自动化、对工件损伤几乎没有。磁力研磨加工技术可以研磨工件、抛光以及工件去毛刺等很多方面。也可第一章 引言以加工硬度比较高的非金属材料，其加工的去除率明显大于传统的机械加工，表面粗糙度可以达到很高的要求。随着对磁力光整加工技术的深入研究，这对我国以及国际上磁力光整加工的发展有着重要的意义。第二章 加工系统的总体方案确定- 5 -第二章 加工系统的总体方案确定2.1 细 长 管 内 壁 磁 力 研 磨 加 工 系 统 的 介 绍细长管内壁磁力研磨加工系统的设计可查阅的相关内容并不是很多，考虑到在工作时属于精加工，磨削力不是很大，并且切削力是分布在工件圆周上，在细长管内壁加工系统设计时可以参照数控车床和某些型号的内圆磨床的相关数据进行设计。磁力研磨加工属于光整加工，表面加工质量要求很高，并且对于加工精度要求很高，这需要加工系统在工作时一定要传动平稳。为确保细长管内壁磁力研磨加工系统进给系统的传动精度和工作稳定性，应要求加工系统机械传动装置有较高的传动精度与刚性，这对零件的加工精度起着很大的影响作用。采用步进电机驱动的开环控制系统尤其如此。其示意图请见 2-1。图 2-1 细长管内壁磁力光整加工系统示意图1-磁力光整加工系统床身 2-步进电动机 3-磁力光整加工系统主轴箱 4-控制系统 5-旋转磁场发生装置 6-工作台 7-导轨第二章 加工系统的总体方案确定- 6 -细长管内壁磁力光整加工系统整体方案:（1）X 轴采用变频电机，以获得更多的合适的变速范围。（2）Z 轴运动采用滚珠丝杠副传动，以保证 Z 轴平稳和高的传动精度。（3）进给系统利用联轴器把步进电机和滚珠丝杠副连接进行传动，采用开环控制。这是因为开环系统调试比较简单，结构比较简单，成本比较低，并且能保住系统的可靠性和一定的加工精度。2.2 总体方案确定的说明2.2.1 加工系统的机械部分根据本毕业设计任务书利用数控车床改装的磁性研磨加工系统结构。拆掉数控车床车床刀架和滑板部分，把滑板结构变为磁力发生装置，利用其轴向进给机构给磁研磨机构和旋转磁场发生装置提供相对运动。主轴直接用变频电机驱动,实现主轴合适的速度要求；轴向进给运动由 I/O 接口输出步进脉冲，利用微型计算机对数据进行计算处理，电机带动滚珠丝杠转动，从而实现进给运动的精确运行。细长管内壁磁力光整加工系统的设计驱动元件采用步进电机，利用微机对进给系统进行开环控制。加工系统没有反馈装置，控制装置发出的指令的流程是单向的，其精度取决于驱动器件和电机的性能，导轨和滚珠丝杠的移动速度和位移量。把 Z 轴利用圆锥销型联轴器与步进电动机连接在一起，数控系统控制控制步进电动机带动磁力发生装置的移动。利用带轮把主轴与电动机相连，并通过变频器控制电动机的转速。这样可以使结构设计简单，方便实用。2.2.2 加工系统数字控制部分第二章 加工系统的总体方案确定- 7 -图 2-3 加工系统控制部分第三章 加工系统机械部分的设计过程- 8 -第三章 加工系统机械部分的设计过程3.1 同步带传动设计 图 3-1 同步带轮(1)选带型和节距：查机械设计课本表 11.20 和 11.18(2)齿数 ： z1min(3)带轮节圆直径： （mm）14.3pD14.32pz(4)带速： XL L 最大速度为 50 。60.vaxssm（6）初定中心距 0.7（ ）a2（ ）2D2（7）带长及齿数：L 见表 11.2，按照表 11.19 选取标准节线长度和齿数（8）实际中心距：由式子 11.3 可以计算（9）啮合齿数（小带轮）： （圆整成整数）（ zpz211m-0a. -2（10）基本额定功率： kWqFa)0（11）同步带宽： mm 按图 11.21 取标准值。14.0zcbP（12）轴上载荷： NvCQ3.2 主轴的强度计算（1）带上张紧力计算： 220 6.4710.)5.2(6.471850)5.2( qvkvzpFc（2）轴上载荷 : 3sin10Q NFQ3主轴结构如图 3.1.1?第三章 加工系统机械部分的设计过程- 9 -图 3.1.1 主 轴 结 构 示 意 图主 轴 受 力 分 析 如 图 下 图 。图 3.1.2 主轴受力分析图（3）主轴上扭转力矩：T=297N.cm（4）加工系统主轴上的周向力：Pa= +Fq= +2723=3765.34NdT12305297（5）主轴上切削力计算：Pzmax= = =3012.56N13其中： Px=1024.5N Py=2723.7N（6）平衡方程YZ 平面方程：Pa+P 承前= P 承后+ PzP 承后 LAB+ PzLAD= P 承前 LACLAB=82mm LAD=650mm LAC=410mm解方程得： P 承前=8978.6N P 承后=7834.7N XY 平面内：Py +P 承后= P 承前 P 承后LBC= PyLCDLBC=330mm LCD=240mm Py=2827N解方程得： P 承前=4332.6N P 承后=1253.0N（7）通过画出加工系统主轴弯矩扭矩图可以看出最大弯矩位于前轴承处。可以计算得知：TMAX= =943.6N.M225.63897（8）主轴材料选用 45 钢，并且 =355Mpa,s许用应力 = /s其中： 为许用应力安全系数，取 =1.5,则 =237Mpas s（9）第三强度理论强度校核公式 ，WTM2W= -32dtb2W= =785641025104.3第三章 加工系统机械部分的设计过程- 10 -=W12TM23231010571304=17.97MpaT 主n =297Nm所以键强度足够。3.7 主轴的传动系统(1)主运动传动由 7.5kW 的变频电动机驱动，经 2：1 的带动主轴旋转，使主轴在较大的转速范围内实现无级调速。传递过程中省掉齿轮传动变速机构，所以消除了传动齿轮对主轴旋转精度的影响，而且在使用过程中更容易方便维修。(2)通过带轮把电机运动传递给加工系统主轴。主轴有前后两个支承。前支承由一个圆锥孔双列圆柱滚子轴承和一对推力球轴承组成。圆锥孔双列圆柱滚子轴承用来承受径向载荷，两个推力球轴承用来承受双向的轴向载荷。前支承轴承的间隙用螺母来调整。用螺钉来防止螺母回松。主轴后支承为圆锥孔双列圆柱滚子轴承，轴承间隙用两个螺母来调整。两个螺钉是防止螺母回松的。主轴支承为前端定位，主轴受热膨胀向后伸长。前后支承所用圆锥孔双列圆柱滚子轴承刚性好，允许较高转速高。主轴所采用的支承结构适宜低速中度载荷的需要。第四章 步进电动机的选择- 14 -第四章 步进电动机的选择4.1 步进电动机的介绍步进电机又叫做脉冲电机。它是将脉冲信号转换成机械角位移的执行元件。步进电动机工作时输进一个电脉冲就会转动一步。因此输入的电脉冲数及其频率与转子角位移的大小及转速成正比，并在时间上与输入脉冲同步，输入电脉冲的数量、频率以及电动机绕组通电相序控制好就可以获得所需的转角、转速及转向，很容易实现微型计算机数字化的控制。步进电动机的优点：（1）没有累计误差，运动精确。 （2）结构简单、价格低、可靠性好。（3）工作时动态响应快,便于控制。（4）在相当宽的速度范围内能够很平稳的调整和工作。 （5）控制时只能用脉冲电源供电才能使其正常工作,绝对不能直接使用交流电源和直流电源进行控制。 （6）在某些时候电机会出现振荡和失步现象。在构造上分，步进电机有三种类型：反应式、永磁式和混合式。这三种步进电动机各有优缺点：反应式：结构最简单、价格最低、步距角比较小，但动态性能比较差、效率比较低、发热量大，可靠性比较低。永磁式：动态性能比较好、输出力矩一般情况下比较大，但这种步进电机运动精度差，步矩角比较大。混合式：这种步进电机有反应式和永磁式各自的优点。特点是力矩输出大、动态性能很好，步矩角很小，但是这种电动机也有其不足，结构太复杂、对其他两种电动机来说价格较高。 第四章 步进电动机的选择- 15 -4.2步进电机型号选择（1）p、b的选择根据设计要求加工系统的脉冲当量 p 取为 0.01mm/step。负载精度的要求决定电机的步距角选择，通过计算速出所需要的步进电动机主轴所转过的角度。在选择步进电机型号时候步距角的大小应尽量略小于这个角度。市场上的步进电机的步距角一般有 0.36 和 0.72 度、0.9 和 1.8 度、1.5 度/3 度等。在此加工系统中我们取取步距角 b=1.5/step。4.2 步进电机选择计算（1） 电机转轴上启动力矩= (N.cm)qT236FzGf式中： 脉冲当量(mm/step)；Ff 磨削进给抗力（N） ；FzZ 轴力（N） ；G工作台及工件夹具的总重量（N） ；摩擦因数；总机械效率。取 =0.55，=0.3，G=1000N，则Tq= 197.85(N.cm)5.014.32.670.6（2）确定步进电机的最高工作频率根据机械设计手册中最高工作频率的公式可查：fmax= v快10=0.03（m/s） 快V01.第四章 步进电动机的选择- 16 -fmax= = =3000(Hz) v快101.4.3 步进电机型号选择（1）根据步进电机的性能参数图表 32-3 中查得：Tq/Tjm=0.796工作时最大静转矩：Tjm= Tq/0.796=263.17(N.cm)5043Ner2041.3Ldf695.12.41临界转速：不会发生共振最高转速 n =9910er2cLdf式中 d 同上2l 临界转速计算长度cn =9910 = 9910 =4326r/min1500r/miner2cLdf 2567.13经过对滚珠丝杠的刚度、滚珠丝杠福的临界转度、滚珠丝杠寿命的计算可以得知，FFZ4010 这种型号丝杠是合格的。5.3.4 滚动轴承的选择（1）滚动轴承的介绍滚动轴承广泛的被运用在机械支承。在足够寿命的前提下，支承轴及轴上的零件，使之与机座做相对旋转、摆动等运动，使转动副之间的摩擦尽量减小，以使其获得较高传动效率。按照国家标准，可以将滚动轴承分为三类：做旋转运动的滚动轴承（简称第五章 导轨、联轴器、滚珠丝杠、滚动轴承的选择- 24 -通用轴承） 、做摆动或者倾斜运动的关节轴承和做直线运动的直线运动滚动轴承。滚动轴承可以分为四部分：内圈、外圈、滚动体以及滚动体保持架。（2） 滚动轴承的工作特点滚动轴承与滑动轴承相比，具有下列优点：1摩擦系数小，传动效率高。一般情况下为 0.001-0.005；2已标准、系列化、通用，使用以及维修十分方便；3较高的机械性能、较长的使用寿命，价格低廉；4可以通过预加负荷的方法使轴承的刚性增加；5可以简化轴承支座的结构（某些轴承可以承受轴向和径向力） ；6润滑油消耗少，润滑维护较为省事；7可以方便地应用于空间任何方位的轴上。但是滚动轴承也有一些的缺点，主要是： 1与同样体积的滑动轴承相比，承受负荷小得多。2承振动和噪声较大。3对金属屑等异物特别敏感。（3）轴承型号的确定丝杠副的安装形式及受力情况等决定轴承型号的选择。加工系统的进给系统需要较高的传动刚度，加强滚珠丝杠螺母本身的刚度，滚珠丝杠的正确安装，支承的结构刚度是其主要影响因素。螺母座及支承座都应有足够的刚度和精度。支承的轴向刚度，滚动轴承的选择非常重要。目前主要采用两种的方式：一种是把向心轴承和圆锥轴承组合使用，其结构虽简单，但轴向刚度不足；一种是把推力轴承和圆柱轴承组合使用，其轴向刚度有了提高，但增大了轴承的摩擦发热，增加轴承支架尺寸。滚珠丝杠副安装为两端固定，这是为了提高主轴支撑刚度，两端均选用接触角为 60 度的推力角接触球轴承，面对面配合，面对面配合的作用点距离小，调心性能好，这不同于主轴轴承的背对背配合。滚动轴承的设计校核查 阅 机 械 设 计 课 本 图 12-23 可 以 查 到 滚 动 轴 承 的 寿 命 与 载 荷 的 关系 曲 线 ：第五章 导轨、联轴器、滚珠丝杠、滚动轴承的选择- 25 -图 3-6 滚动轴承的寿命与载荷的关系曲线滚 动 轴 承 寿 命 与 载 荷 曲线方程为： =k 10LP其中 : k 为一常数P 为当量动载荷，N 为 为基本额定寿命，常以 为单位10Lr610 为寿命指数，球轴承 =3，滚子轴承 =10/3由手册查得的基本额定动载荷 C 是以 L10 =1、可靠度为 90%为依据的。由此可得当轴承的当量动载荷为 P 时以转速为单位的基本额定寿命 L10 为:10LPCr610)/(若已知轴承的 P 和预期使用 ，则可按下式求得相应的计算 ，它与所选hLC用轴承型号的 C 值必须满足下式要求1670hrn所 选 轴 承 冲 击 载 荷 系 数 为 1.2， 当 量 载 荷 ：df NFP1832/56.额 定 动 载 荷 ： LnChr 60.4167083216703 因 此 ， 选 用 的 角 接 触 球 轴 承 可 以 满 足 寿 命 的 要 求 。第六章 旋转磁场装置的设计- 26 -第六章 旋转磁场装置的设计6.1 旋转磁场的产生在我所设计的细长管内壁磁力光整加工系统中，采用这个一种加工方式：工件保持固定不动，通过某种方式使线圈产生工作时所需要的旋转的磁场，使磁性磨料在磁场中像一把具有挠性的刷子与工件有相对的运动，并且对工件进行加工。在加工中我们可以选取很多方式产生所需要的旋转磁场，并且在内表面光整实验中我们可以知道不同的磁力研磨加工系统所表现出的加工特点也不是相同的。现在简单介绍四种旋转磁场产生的方法：第一种，就是将电动机的转子抽出，通入交变电流我们可以得到旋转磁场。第二种，把 Helmholtz 线圈对成 90 度或 120 度放置并通以相移交流电得到旋转磁场。第三种，旋转永磁体的方法产生所需要的旋转磁场。第四种，通过单片机来控制旋转磁场，以来达到加工系统的要求。对于前两种方法所形成的旋转磁场有着一重大的缺点。磁场太均匀化，不能够产生光整加工所需要的显著变化的强磁场强度。前两种产生的旋转磁场进行磁光整加工时磨料会均匀地贴附于工件表面，并且不能与工件有相对运动，磁力研磨加工所能达到的效果。对于后第三种方法可以进行内圆表面的磁力研磨光整加工，对于旋转的永磁体，结构简单，但是加工时磁场强度不好控制，还有当永磁体旋转速度过高时整个系统的加工稳定性下降，而且不利于实现整个加工系统的自动化。对于最后一种方法，通过单片机控制脉冲的强度以及频率来控制线圈中产生的旋转磁场强度的大小与方向。这样磁场的强度、磁场的旋转频率和磁场的旋转规律等都可以得到控制，易于实现整个加工系统的自动化的设计。利用这方式有两个显著地优点：（1）工件和磁极都无需旋转，或者工件旋转速度较低，这样更便于加工系统的操作和控制;第六章 旋转磁场装置的设计- 27 -（2）可以采用单片机和数字电路来控制。更利于磁力研磨加工技术自动化的推广。6.2 加工效果影响因素（1）旋转磁场的旋转周期在一定范围内，随着旋转周期的增大，粗糙度降低的就越大，但是超过这个范围，随着旋转周期的增大粗糙度不会再降低反而会增大。当 600 转/分时可以达到最好的加工效果。（2）主轴带着工件旋转速度在加工初期主轴转速与线圈磁场相对速度增大，可以提高加工效率。（3）磁场感应强度磁场感应强度是影响表面粗糙度的一重要参数，当磁感应强度较小时，由于磁场力较小，不能达到所需要的要求，随着磁场强度的增强磨料去除材料的能力增强，表面粗糙度降低，最佳的磁场强度大约在 0.8T 到 1.2T。（4）磨料粒径大小磨料的直径大小对加工的表面粗糙度有着一定的关系，粒径越小单位面积接触的颗粒越多，表面粗糙度就逐渐降低，最佳值是 1.2um，这样工件表面可以达到 0.18um 的表面粗糙度。（5）加工时间当加工时间达到一定时候，表面粗糙度就不会再降低，经过试验分析，可以知道，最佳的加工时间大约是 15min。6.3 控制旋转磁场的形成原理如图所示，正波形控制 N 极，负波形控制 S 极，同时假设绕组正接为正波形，反接为负波形，当按 A、B、C、D、E、F 序列依次通电时，对应磁极即产生磁场，实现相应磁极的响应，并且可以在一定情况下获得要求的旋转磁场。第六章 旋转磁场装置的设计- 28 -图 6-1 磁场发生装置三维图像图 6-2 旋转磁场脉冲控制波形第六章 旋转磁场装置的设计- 29 -图 6-2 磁极与脉冲时序控制6.4 转磁场电磁的结构设计旋转磁场是一种电磁机构，其中气隙的大小与加工工件的大小和磁极的距离有一定关系。这次我所设计的旋转磁场结构是改进大连理工大学秦建文硕士论文可控磁场磁力光整加工技术研究中所提到的装置。本装置与秦建文的结构有三点不同：不同点一：线圈可以在线圈地盘的径向方向移动，这样可以调节加工工件与线圈之间的距离，不管是在实验过程中还是实际加工生产过程中可以有更大的间隙范围，同时在令一方面可以加大加工范围。第六章 旋转磁场装置的设计- 30 -图 6-4 旋转磁场装置局部图不同点二：秦的磁力光整加工是在工件不运动的情况下通过控制旋转磁场装置的调节来时现加工的，我所设计的是工件能够在一定的范围内转动，并且通过单片机来控制磁场的强度，来实现加工装置的最佳参数匹配。不同点三：秦的磁力旋转装置在线圈移动架的前端是 V 型块，在我所设计的装置中已经不能适用，本人根据车床六角跟刀架的结构把 V 型块改为滚动的轮子，这样不仅可以保证细长管与主轴的同心度，还能增强加工系统的刚度。本装置中采用 N-S-S-N 形式的磁极分布。线圈匝数为 2000 匝。图 6.4.2 磁场发生装置三维图形6.5 磨料的临界速度公式第六章 旋转磁场装置的设计- 31 -减小的措施：增大磁场强度、增加磨料含铁率、提高相对磁导率、增大与工件表面积。6.6 旋转磁场控制部分设计转磁场强度与方向的控制，本人利用单片机对电流周期和强度的控制来实现的。控制电流的频率来控制磁场旋转周期，控制电流的强度来控制旋转磁场的强度。旋转磁场线圈控制电路如图 6-6。当用户使用此加工系统时只需改变相应程序的参数，就可以实现所要求的加工条件。图 6-6 旋转磁场线圈控制电路结论- 32 -结论在某些工业生产过程中需要使用内表面质量非常好的输送管道，但是，对于这种长径比非常大的细长管，由于种种因素制约而不能很好的实现，这就需要我们研究新的方法来解决这个问题。磁力光整加工技术的研究是现代特种加工技术的一个新趋势。国内外学者做了很多方向的研究，但是在磁力光整加工的实用性仍是有许多问题。本课题利用对某型号卧式车床的改造设计，去掉其刀架部分和径向进给装置，保留机床主轴及轴向进给装置，并且在工作台上换上旋转磁力光整加工装置，这样在单片机的控制下能够保证细长管在一定速度范围内进行旋转和单片机控制的旋转磁场装置产生旋转的磁场，能够更高效更好的实现细长管内壁的加工，以达到社会生产不断提高的的要求。这种加工系统可以克服传统加工技术的不足，提高了细长管内壁加工的速率以及加工质量。对我国以及国际磁力光整的实际应用有着很大的积极影响。参考文献- 33 -参 考 文 献1 郑文纬，吴克坚主编.机械原理.高等教育出版社，19962 邱宣怀主编.机械设计 ，高等教育出版社，19973 徐灏. 新编机械设计师手册.机械工业出版社，19984 海纺织工学院等主编.机床设计图册.上海科学技术出版社，19795 李庆余，张佳主编.机械制造装备设计