机械设计说明书-气浮垫研抛工艺及研抛机的结构设计

PAGEPAGEI本科毕业设计（论文）题目：气浮垫的研抛工艺及研抛机结构设计PAGEI气浮垫的研抛工艺及研抛机结构设计摘要随着精密、超精密技术的发展日益进步,机器及检测仪器等的精度要求越来越高,对气浮垫的制造精度也提出更高的要求。目前,由于气浮垫精密加工技术的研究还不够深入,因此,研究气浮垫的精密制造技术是气浮垫领域函须解决的课题。根据气浮垫研磨设备对研磨工艺的要求，本文设计了一种专门的研磨机，并对研磨机的各个部分进行分析和说明。本课题对气浮垫精密研磨加工工艺规程设计，对工艺中需要的切削速度、加工工时等进行了分析计算。关键词：气浮垫；研磨；加工工艺；机械结构FlotationProcessandPolishingPadPolishingMachineDesignAbstractWiththedevelopmentofPrecisionandultra-Precisetechnology,theaccuracyofthemachineryandthedetectinginstrumentbecomehigher,theProductionaccuracyofcushionneededalsomorehigher.Atpresent,theresearchaboutthecushionPrecisionfinishingtechnologyisnotenough.Sohowtoenhancetheaccuracyitisoneofneedingtoresolveproblemoftheresearchareaofthefloatationcushion.Onthesurfaceroughnesseffectsofabrasivetype,grainsize,polishingliquidsolvents,polishingpressure,polishingmachiningtimeandsoon,areresearchedin-depthfortheprocessofmechanicalpolishing.Accordingtogasfloatingpadgrindingequipmentrequirementforgrindingprocess,thispaperdesignedakindofspecialgrindingmachine,andanalyzethevariouspartsofthegrindingmachineandinstructions,andtoverifyandcheckparts.KeyWords:Gasfloatingcushion;Grinding;Polishing;Themechanicalstructure目录1绪论 11.1研究背景及意义 11.2气浮垫研磨抛光机理 11.3研磨抛光加工工艺 31.3.1磨料的选取 31.3.2研磨液的选取 41.3.3研磨工艺 42气浮垫研抛机结构设计 52.1气浮垫抛研机的结构总体设计 52.2研拋机的结构分析 52.3气浮垫的工作原理 72.4气浮转台的设计 72.5气浮垫研磨机传动机构设计 82.6选用电动机 93机械传动件的设计计算 113.1链传动的设计与计算 113.1.1链条的设计与计算 113.1.2滚子链的静强度计算 123.2链轮基本参数和主要尺寸 133.4滚珠丝杠的选型计算 133.5步进电机的传动计算与选用 163.5.1联轴器的选择 193.6旋转密封装置的结构 204气浮垫的加工工艺规程 214.1确定毛坯的制造形式 214.2基面的选择 224.3制定工艺路线 224.4机械加工余量、毛坯尺寸的确定 234.5确定切削用量及基本工时 245轴的设计及计算 365.1轴的材料 365.2轴的结构设计 365.3主轴支承设计方案选择 375.4轴上键的校核 386结论 39致谢 40参考文献 41PAGE11绪论1.1研究背景及意义近年来，功能陶瓷、石英晶片、平面或多面体晶体和光学器件等硬脆材料的精密加工提出了很高要求，不仅要求这些材料有极小的平面度、极小的表面粗糙度、超平滑的表面[1-3]，还要求材料两端面严格平行、无晶向误差、表面无变质层等，有的甚至要求达到纳米级或更高的加工精度和无损伤的表面加工质量，由于研磨抛光技术可以获得很高的精度和超光滑表面，上述的材料均需采用精密研磨抛光技术[3-8]。利用研抛工具的亚口径机械式研抛是目前加工创成复杂光学曲面主要方法，但无论是在创成原理还是在加工装置上，都存在着难以逾越的固有缺陷。目前，许多研究主要是针对回转对称非球面光学零件的加工技术及装备。对于有复杂几何特征的光学曲面，研抛去除量总是非均匀变化的。这使得研抛工具与被加工工件之间的变形不一致。难以获得均匀一致的面形精度研抛工具去除工件材料所形成的加工表面残高也总是非均匀变化的[9-11]。因而难以获得均匀一致的加工表面。质量为了使所获得加工表面质量和面形精度满足加工要求，同时机构的设计简单实用性能可靠势，必将增加研抛加工时间降低研抛加工效率。研磨和抛光硬脆材料去除机理比较复杂，硬脆材料的表面完整性、亚表面层损伤、零件几何形状受很多因素的影响[12-15]。研磨和抛光加工工艺参数成为欧美各大企业的机密，而且针对不同材料以及不同设备，其参数变化非常大，使其难以复制和模仿[16-19]。目前，我国高档次精密研磨设备设计制造水平不高，国外对高档次精密加工工艺严格保密，这严重制约了我国精密加工技术的发展。为了加强我国精密研磨、抛光技术的发展，除了开发拥有自主产权的精密研磨抛光设备之外，研磨、抛光加工工艺也成为了研究重点[20-23]。1.2气浮垫研磨抛光机理气浮垫压力产生的原理:利用压缩气体的粘性,提高工作间隙中气体的压力从而将物体悬浮起来。如图1.1所示,气浮垫可以分为三种:动压型,静压型和压膜型。如图1.1(a)所示,动压气浮垫是两个面相对移动,且间隙呈楔状,沿移动方向间隙逐渐变小。由于相对移动,气体因其粘性作用,被拖带压入楔形间隙中,从而产生压力,构成动压悬浮。如图1.1(b)所示,静压型气浮垫是将外部的压缩气体通过节2流器导入间隙中,借助其静压使之悬浮起来。节流器的作用是当间隙变化时,调整间隙内的压力,从而使气浮垫具有一定的刚度。如图1.1(c)所示,压膜型气浮垫利用了相互接触的面沿垂直方向的振动,使间隙内的压力的平均值高于周围环境压力这一原理。由于气体具有粘性,间隙内的气体不能快速出入,从而压力增高。例如,让一块玻璃板平行地落在一块平滑的板上时,玻璃板会轻轻地落下,从这一现象,就能够理解压膜气浮垫的原理。图1.1气浮垫的工作原理在上述结构的气浮垫形式中,动压型和静压型得到更加广泛的应用。在气浮垫实际设计中,气浮垫的节流方式也不同。分别利用喷嘴、毛细管、缝隙的阻抗起到供气孔节流的作用,而固有孔节流器是由供气孔和气浮垫间隙所形成的假想圆柱面起到节流器的作用。表面节流器是在气浮垫面上设置与供气孔连同的极浅的沟槽,沟槽的阻抗就构成了节流。多孔质节流器是气浮垫的承载面采用了具有透气性的多孔质材料,多孔质材料的阻抗起到了供气孔节流器的作用。传统的研磨一般利用铸铁研磨盘，采用手工实现无规则的运动或靠机床实现模模拟手工的运动轨迹。传统的抛光一般利用沥青、聚氯乙烯和无纺布等抛光盘，采用摆动、行星运动和环行运动等运动方式。研磨和抛光都是根据不同的加工条件涂敷不同的磨料，工件至于研磨盘或抛光垫上，用夹具装夹工件并对工件施加一定的压力，通过机床的主轴带动磨盘转动，利用磨盘和工件间的相对运动和磨料的切削作用从工件表面去除一层很薄的材料，从而达到加工的目的，加工示意图如图1.2所示。按照磨料的附着方式，研磨抛光方法可以分为两种：固结磨料研抛和游离磨料研抛。固结磨料研磨工件主要以耕犁方式去除材料，具有加工效率高、成本低等优点，但研磨工具磨损大，容易在工件上留下划痕，难以得到无损伤表面；游离磨料研磨抛光工件是利用磨料颗粒在研磨盘和工件之间对工件表面滚压，使工件表面产生微小破碎这种方式来去除材料，能获得无损伤平滑表面。PAGE6图1.2研磨抛光示意图1.3研磨抛光加工工艺1.3.1磨料的选取磨料一是研磨加工的“刀具”,在加工中的起着切削作用。因此,首先磨料一要有较高的硬度,这是其磨削作用的关键所在,一般情况下磨料硬度大于被磨削工件硬度,再次要具有良好的韧性,保证和其他刃具一样变钝后能够自锐。同时磨料的形状和粒度应该均匀,这由研磨抛光加工的特殊性所决定的,另外还要有高温稳定性和化学稳定性,这样在加工的过程中保持自身的优良机械和化学性能。磨料的粒度也是一个很关键的因素,一般磨料的粒度指磨料的粗细程度。在相关的标准中都有规定,磨料的粗细用粒度表示,粒度号数越大,颗粒越小。粗颗粒用于粗加工。1.3.2研磨液的选取通常研磨加工时,不能直接用磨料对工件表面进行加工,必须加配其他的化学溶剂或其他辅助填料调配成研磨液,研磨液具有调和磨料及冷却润滑加工被加工接触面的作用,如果没有选择好合适的研磨液,对精密研磨抛光加工可能会带来一系列的影响,如温度升高以损伤气浮垫试件的被加工表面,降低表面粗糙度、产生划痕、损伤磨盘等危害。因此,和磨料一样对研磨液的组成和配比也有要求,例如参与作用的研磨液要有冷却和润滑的物理性质,还要具有一定的粘度,以致有勃附作用。在实际生产中不容易被研磨盘甩出;其物理作用和化学性质也要良好,研磨液一般是由磨料和活性剂组成的。用于研磨磨料的硬度必须高于工件的硬度,现在可以作为磨料的材料有金刚石、碳化硼、氧化铝等。由于研磨过程活性剂在研磨过程中起到很重要的作用,如果只有磨料,没有合适的活性剂,可能会产生许多问题,所以研磨剂要求应该有悬浮、润滑、冷却、去损、清洗和防锈性能。1.3.3研磨工艺传统的研磨和抛光，设备条件只是实现高质量研抛的必要条件。工艺条件和操作者的技艺也起着十分重要的作用。通常学者们从研磨抛光的4个基本组成部分：工件、研磨抛光液、磨粒和抛光盘入手研究研磨和抛光加工工艺与加工质量的关系。YongwuZhao等人以硅片为研究对象，采用化学机械抛光方法探讨了研磨抛光工艺参数对材料去除率的影响，他指出磨粒大小是影响材料去除率的主要因素，转速和压力是次要因素；B．J．Hooper等人研究了抛光垫磨损对硅片表面质量与材料去除率的影响㈣；H．YTam等人研究了转速、磨粒大小等加工参数光学器件表面粗糙度的影响，并得到Ra=10.7nm的光滑表面；NabilBelkhir等人以玻璃为研究对象，探讨了磨粒与材料去除量的关系，他指出磨粒的形状直接影响其切削行为，磨损后的磨粒材料切削能力明显降低；A．Q．Biddut等人研究了磨粒大小与加工压力对硅片表面损伤的影响，并指出能否得出无损伤表面，磨粒大小与加工压力是关键；浙江工业大学周兆忠等采用A1203磨料，约50rim的Si02抛光液，以聚胺酯作为抛光垫，铸铁盘研磨盘对氮化铝基片进行研磨，得到表面粗糙度Ra为8nm的超光滑表面；广东工业大学袁慧等人研究了工程陶瓷研磨抛光工艺，并指出磨削质量主要受到磨粒粒度的影响。影响研磨效果的因素除了研磨盘、磨料种类、磨料粒度等一系列因素外，研磨压力、转速、研磨液浓度、研磨液流量、研磨时间等因素对研磨的效果有影响。2气浮垫研抛机结构设计2.1气浮垫抛研机的结构总体设计平面研磨机为精密研磨抛光设备，被研磨、抛光材料放在研磨盘上，研磨盘逆时钟旋转，修正轮带动工件盘自转，重力加压的方式对工件施加压力，工件盘与研磨盘作相对摩擦运动来达到加工的效果。图2.1为本设计初步设计的平面研抛机原有的结构示意图。其工作原理是研磨盘由电机通过减速机构带动旋转，研磨盘上有三个加工工位，并在工件盘上放置加载砝码，这样研磨盘在旋转，由于摩擦力矩的作用带动工件盘的也在旋转，在砝码加压的情况下两者的相互转动摩擦起到材料去除的作用，达到研磨的效果。图2.1抛研机结构总体设计2.2研拋机的结构分析平面研磨机为精密研磨抛光设备，被研磨、抛光材料放在研磨盘上，研磨盘逆时钟旋转，修正轮带动工件盘自转，重力加压的方式对工件施加压力，工件盘与研磨盘作相对摩擦运动来达到加工的效果。图2为现有的一台单平面研抛机原有的结构示意图。其工作原理是研磨盘由电机通过减速机构带动旋转，为了在工件上得到均匀不重复的研磨抛光轨迹，工件盘保持架制成行星轮式，行星轮对工件盘起定位和旋转导向作用。研磨盘上有三个加工工位，并在工件盘上放置加载砝码，这样研磨盘在旋转，由于摩擦力矩的作用带动工件盘的也在旋转，在砝码加压的情况下两者的相互转动摩擦起到材料去除的作用，达到研磨的效果。 图2.2平面研磨抛光机结构示意图为了实现对工件边研磨边连续加载边通气的情况下进行研磨抛光加工，对图2.2所示的机构进行了重新设计，其设计后的其中一个加工工位的总体结构设计如2.3所示。图2.3中主要是在图2.2的基础上对其中一个工位进行了加载装置和旋转供气装置的总体设计。利用气缸加压机构装置对弹性气浮垫进行连续实时加载，端面旋转密封件装置可以解决研磨抛光过程中气管缠绕的问题。平面研磨抛光机上的该气浮垫在气缸加载的作用下，通过旋转密封件解决了气管1和气管2旋转缠绕的问题，在结构方案上使得弹性气浮垫充气研抛得以实现。图2.3工位研抛设计结构2.3气浮垫的工作原理传统的气浮垫都采用小孔、狭缝等节流阻抗固定的节流器，其承载能力和刚度的提高非常有限。对气浮垫刚度进行反馈控制，是实现高刚度甚至无穷静刚度的一条有效途径，也是目前气浮垫研究的一个热点和难点。本课题设计制造一种在孔式供气气浮垫的小孔出口处的轴承面上，刻制有狭窄浅槽，使各供气小孔出口通过浅槽(刚性均压槽)相互连通，从而节流出口压力得到适当均化作用，通常称这种浅槽为均压槽。我的课题是设计一种具有可变均压槽结构的新型气浮垫(带有弹性薄板均压槽的气浮垫)及其研磨抛光研究。气浮垫的基本工作原理是利用压缩气体的粘性，提高工作间隙中气体的压力从而将物体悬浮起来。具有一定压力的空气通过进气口到达气腔，气腔里的气体从节流孔流出，在平面上滑动时气体会均布在均压槽以此来支撑滑块本体和载荷。图2.4所示是弹性薄板通过处理粘接在气浮垫本体上的结构图。图2.4弹性薄板气浮垫的结构图2.4气浮转台的设计在精密研磨抛光加工工艺中,离不开研磨盘的存在,研磨盘是加工的场所,几乎所有的研磨抛光加工都是在研磨抛光盘上进行的,对于研抛盘的选择也至关重要。在加工中,磨料对被加工件进行磨削,同时研磨盘也同样在受到磨损。研磨抛光盘自身的精度对气浮垫的表面精度影响很大,甚至会把这种精度关系“复印”到气浮垫表面上,故要求研磨盘的加工面要有较高的几何精度。气浮转台主要包括直流力矩电机。气浮轴承以及轴承所需要的供气系统等组成。气浮转台的各部件在设计时考虑了结构对称性原则，以提高转台轴系回转时的平稳性。转台轴系选用气浮轴承支承轴系上，同轴安装进口无刷直流力矩电机作为直接驱动元件，转台部件在设计制造时力求在形状尺寸和质量分布上对各自的正交坐标平面对称。并且要求在满足结构件强度和刚度的前提下同时力求内环轴系质量最小尽量减小轴系转动惯量，气浮转台利用多孔喷射气浮垫产生静压支撑待研抛工件由于采用多孔喷射技术，平台表面压力分布均匀，具有承载能力强刚度好抗气振等优点。主要应用于精密测量和超精加工等精密气浮转台如图2.5所示。图2.5精密气浮垫床气浮转台中的核心部件就是气浮轴承气浮轴承，又称为空气轴承，指的是用气体。通常是空气，但也有可能是其它气体。作为润滑剂的滑动轴承空气轴承消除了由摩擦力引起的阻力。磨损提供了极高的径向和轴向旋转精度由于旋转的转子和静态支撑部分之间没有机械接触，磨损程度降到了最低，从而确保精度始终保持稳定，空气轴承内部的低剪切力能够在提供极高转速的同时，将动力损失降到最低，使产生的热量非常小并能同时保持较低的振动水平。在高精度和高速领域上优势十分明显。2.5气浮垫研磨机传动机构设计本设计所设计的电动机到研磨台的传动才用链传动。链传动具有带传动和啮合传动的一些特点，其优点是：链传动没有弹性滑动和打滑，能保持准确的平均传动比；传动尺寸比较紧凑；不需要很大的张紧力，作用在轴上的载荷较小；承载能力大；效率高（η=0.95～0.98）。同时；链传动能吸振与缓和冲击，结构简单，加工成本低廉，安装精度要求低，适合较大中心距的传动，并能在温度较高、湿度较大、油污较重等恶劣环境中工作。链传动的缺点是：高速运转时不够平稳；传动中有冲击和噪声；不宜在载荷变化很大和急促反向的传动中使用；只能用于平行轴间的传动；安装精度和制造费用比带传动高。图2.6链传动链传动的适用场合：广泛应用于中心距较大、多轴、平均传动比要求准确的传动。环境恶劣的开式传动、低速重载传动及润滑良好的高速传动，均可采用链传动。滚子链传递的功率通常在100kw以下，链速在15m/s以下，传动比i<=7。目前其最大传递功率可达500kw，最高中心距可达8m。综合分析各种传动方案，从传动效率、传动比、传动速度、制造成本和安装精度、传动装置外廓尺寸等方面综合考虑，本设计课题的传动方案采用链传动。2.6选用电动机电动机的容量（功率）选得是否合适，对电动机的工作和经济性都有影响。当容量小于工作要求时，电动机不能保证工作装置的正常工作，或电动机因长期过载而过早损坏；容量过大则电动机的价格高，能量不能充分利用，且因经常不在满载下运动，其效率和功率因数都较低，造成浪费。根据机械设计[1]取磨台质量：工件所受重力：(2.1)满载时每个托轮所受切向力：(2.2)磨台线速度：(2.3)磨台所需功率：(2.4)查表得：电动机至磨台的总效率电动机所需功率所以选用电动机额定功率综上所述，电动机可选用YTC系列齿轮减速三相异步电动机，根据额定功率选用YTC502型。

3机械传动件的设计计算3.1链传动的设计与计算链轮传动的示意图如下图图3.1链传动3.1.1链条的设计与计算a.选择链轮齿数取小链轮齿数则大链轮齿数，取b.确定计算功率(3.1)查表得为工况系数，为齿数系数，c.选择链条型号和节距根据查表[3]可选16A型滚子链，链条节距为pd.计算链节数和中心距初选中心距：，取p链条节数：，其中取L=89（取奇）最大中心距为：，查表实际中心距为：,一般e.计算链条速度v=znp/60*1000=0.3m/s作用在轴上的力F为压轴力系数，对于水平传动3.1.2滚子链的静强度计算在低速（）重载链传动中，链条的静强度占主要地位。如果仍用额定功率曲线选择计算，结果常不经济，因为额定功率曲线上各点相应的条件性安全系数S为8~20，远比静强度安全系数大。当进行耐疲劳和耐磨损工作能力计算时，若要求的使命寿命过短，传动功率过大，也需进行链条的静强度验算。链条静强度计算公式为(3.2)式中为静强度安全系数；为排数系数；为工况系数；为有效圆周力；,并查表得，，所以s=11.7为许用安全系数，一般为4-8；如果按最大尖峰载荷来代替进行计算，则可为3-6；所以满足要求3.2链轮基本参数和主要尺寸链轮齿数配用链条的节距配用链条的滚子外径小链轮分度圆直径小链轮齿顶圆直径小链轮齿根圆直径大链轮分度圆直径D2=317.5大链轮齿根圆直径链轮齿宽查表得,为内链节内宽所以图3.2齿形3.4滚珠丝杠的选型计算一般的研磨机的修面速度为0~250mm/min。初选丝杠导程P=5mm，d0=20mm所以n=v/P=250/5=50r/min（1）最大工作载荷Fm的计算1）计算切削力的指数公式对于Fz来说的Fz=CzapxfyvnKZ对于Fy来说的Fy=CyapxfyvnKy对于Fx来说的Fz=CxapxfyvnKx式中Cx、Cy、Cz为系数，由被加工的材料性质和切削条件所决定；指数x、y、n为背吃刀量ap、进给量f和切削速度v的指数；Kx、Ky、KZ对切削力的修正系数。修整研磨盘的切削用量一般取：ap=2mm，f=0.3mm/r，v=250mm/min。由于上面的数据与所给的条件相同，故Kx=K=yKZ=1。对于本设计中的研磨盘采取铸铁盘和铜盘，而铜盘的硬度较低切削力也就越低，这里只取最大的切削力来计算，查《机械制造技术》得铸铁的系数和指数如下：Fz中Cz=981，x=1.0，y=0.75，n=0Fy中Cy=863，x=0.9，y=0.75，n=0FX中Cx=392，x=1.2，y=0.65，n=0代入数据得Fz=795.3N，Fy=652.8N，FX=411.8N2）Fm的计算最大工作载荷Fm是指滚珠丝杠副在驱动工作台时所受的最大轴向力，也叫进给牵引力。它包括滚珠丝杠副的进给力、移动部件的重力，以及作用在导轨上的切削力所产生的摩擦力。最大工作载荷Fm的实验计算公式如表所示表3.2载荷计算公式与参数导轨类型试验公式Kμ矩形导轨Fm=KFx+μ（Fz+Fy+G）1.10.15燕尾导轨Fm=KFx+μ（Fz+2Fy+G）1.40.2三角形或综合导轨Fm=KFx+μ（Fz+G）1.150.15~0.18由于选用燕尾导轨，Fm=KFx+μ（Fz+2Fy+G），对滚动导轨μ=0.003-0.005，取0.005。Fm=1.4×411.8+0.005×（795.3+2×625.8+140）=583.8N(2)最大动载荷的计算Fm(3.3)式中，滚珠丝杠副的寿命，单位为106r。（其中T为使用寿命，普通机械取T=5000-10000h，数控机床及一般机电设备T=15000h；n为丝杠转速，取快退快进时的运行速度为3000mm/min，即n=v/P=3000/4=750r/min，所以—载荷系数，查表取1.2—硬度系数，查表取1.0所以初选滚珠丝杠规格时，应使其额定动载荷。当滚珠丝杠副在静态或低速状态（)长时间承受工作载荷时，还应使其额定静载荷。根据要求初步选取汉江机床厂2005—3型丝杠，其主要参如表公称直径：=20mm导程：P=5mm螺旋角：滚珠直径：Dｗ=3.175mm丝杠底径：d２=16.2mm丝杠外径：d１=19.3mm（3)传动效率验算(3.4)满足要求。(4)稳定性验算表3.3轴承游动方式方式双推－自由双推－简支双推－双推单推－单推fk0.25241滚珠丝杠属于受轴向力的细长杆，如果轴向负载过大，则可能产生失稳现象。失稳时的临界载荷应满足：(3.5)式中，—临界载荷，单位为N；—丝杠支承系数，丝杠采用一端固定，一端游动支承方式，一端采用深沟球轴承，一端采用一对背对背角接触球轴承，选择7203C轴承和6203轴承，查表取为0.25；K—压杆稳定安全系数，一般取2.5~4，垂直安装取最小值，这里取4；—滚珠丝杠两端支承距离，根据行程取支承距离为308mm；3.5步进电机的传动计算与选用（1)传动计算初选步进电动机的步距角α=0.72°。所以δ=0.01步进电动机的计算和选型a、步进电动机转轴上的总转动惯量的计算总转动惯量J主要包括电动机转子的转动惯量、滚珠丝杠和移动部件等折算到电动机轴上的转动惯量。1)滚珠丝杠的转动惯量JJ1=πd4L/32×7.8×103式中，d为丝杠公称直径D=20mm L为丝杠长度L=375mm 代入数据，得：J1=7.8×20×375π/32×10=459.1g.cm22)滚珠丝杠上移动部件等折算到电动机轴上的转动惯量(3.6) 其中M为工作台的（包括工件）的质量M=14kg S为丝杠螺距S=5mm代入数据，得：J2=88.7g.cm23)初选90BYG550B-0301型混合式步进电动机，可知其转子的转动惯量J3=4500g.cm2 所以=459.1+88.7+4500=5047.8g.cm2验算惯量匹配，电动机轴向惯量比值应控制在一定的范围内，既不应太大也不应太小，即伺服系统的动态特性取决于负载特性。为使该系统惯量达到较合理的配合，一般比值控制在1/4~1之间，J3/Jd=0.89（2)步进电机轴上的等效负载转矩M的计算1)承受的负载转矩在不同工况下是不同的，考虑最大切削负载时电动机所需力矩，式中：为折算到电动机轴上的总惯量==5047.8g.cm2T系统时间常数，取T=0.4sn为进给转速为50r/min代入数据得：=1.09×10-3N·m F0=1.4×411.8+0.005×（795.3+2×625.8+140）=583.8NS为丝杠螺距S=5mmi为降速比，为1η为传动链总效率，η=0.7~0.8，取0.7代入数据得：=66.3×N·m为最大轴向载荷，为583.8N为滚珠丝杠未预紧时的效率，=0.95≥0.9其余数据同上代入数据得：N·m进给方向的最大切削力，由上面计算得到对于Fx来说的Fx=CxapxfyvnKx，Ft=FX=411.8N把参数代入公式得 由此都得到等效负载转矩 =1.26N·m2)快速空载时电动机所需力矩M设空载快速回退时Vmax=3000mm/min，所以=3000/5=600r/min，其余参数同上代入数据得：=1.3×10-3N·m与同上所以可知快速空载时电机所需力矩： =（1.3+66.3+1.66）×10-3 =0.69N·m比较和，取其较大者，就是最大等效负载，因为>，所以N·m（3）步进电机的初选 将上述计算所得的乘上一个系数K，用K的值来初选步进电机的最大静转矩，其中的系数K称为安全系数。因为在工厂应用中，当电网电压降低时，步进电机的输出转矩会下降，可能会造成丢步，甚至堵转，因此，在选择步进电机最大静转矩的时候，需要考虑安全系数K，对开环控制，一般应在2.5~4之间选取，这里取K=4，则步进电机的最大静转矩应满足：2.76N·m由所选的电机型号参数可知，最大转矩Tjmax=4N·m，满足要求。（4）步进电机性能校核1)最快工进速度时电动机时输出转矩校核 给定工作台最快工进速度=40mm/min，脉冲当量/脉冲，求出电动机对应的运行频率=40/(60×0.01)=66.7Hz从90BYG550电动机的运行矩频特性曲线图可以看出在此频率下，电动机的输出转矩4N·m，大于最大工作负载转矩=2.76N·m，满足要求。 2)最快空载移动时电动机输出转矩校核已设定工作台最快空载移动速度=3000mm/min，求出其对应运行频。由图查得，在此频率下，电动机的输出转矩=3.5N·m，大于快速空载起动时的负载转矩=98.5×10-3N·m，满足要求。3)最快空载移动时电动机运行频率校核与快速空载移动速度=3000mm/min对应的电动机运行频率为。查表可知，可知90BYG550B步进电机的空载运行频率可达20000，可见没有超出上限。(5)起动频率的计算已知电动机转轴上的总转动惯量J=4.5kg/cm2，电动机转子的转动惯量，电动机转轴不带任何负载时的空载起动频率。说明：要想保证步进电动机起动时不失步，任何时候的起动频率都必须小于1022.9Hz。实际上，在采用软件升降频时，起动频率选得更低，通常只有。综上所述，本次设计中工作台的进给传动系统选用90BYG550B步进电动机，完全满足设计要求。（6）确定选型的步进电机的参数图3.3步进电机实体图3.5.1联轴器的选择a.类型选择根据电机的轴颈和丝杠轴颈初选型号为GY1的联轴器，其主要参数如下表表3.5联轴器型号载荷计算公称转矩N·m所以计算转矩1.035N·m，K为工况系数，查表取K=1.5，很显然所选联轴器的公称转矩=25N·m≥=1.035N·m，且最大转速，所以所选联轴器满足要求。3.6旋转密封装置的结构刚性结构气浮垫的研磨抛光在现有的平面研磨机上就可以直接进行，而对于带有弹性薄板均压槽气浮垫，要实现弹性薄板上的均压槽，需要气浮垫在研磨抛光加工的过程中充入气压，即本课题提出的气浮垫“充气”研磨加工，根据现有的平面研磨抛光机原理可知，在研磨抛光的过程中研磨盘和气浮垫的工件盘都在旋转，如果给气浮垫充入气体，则充气气管必将绕轴缠绕，无法实现充气研磨抛光，为了实现气浮垫的充气研抛，必须解决气浮垫加工过程中气管随气浮垫旋转缠绕问题，为了解决旋转通气，需设计一种专用于气浮垫研抛加工中的连接气管的旋转密封接头。本课题设计出适合气浮垫研磨抛光的气管连接旋转密封件。根据西安工业大学流体润滑研究所多年对气体轴承的理论研究和实践应用以及端面气膜密封的理论依据，本论文提出一种旋转密封件的设计方案，该旋转密封件的理论基础是端面气膜密封技术。端面气膜密封是基于现代流体润滑理论的一种新型非接触式机械密封，气膜密封动环或静环端面上通常开出微米级浅槽，主要依靠端面间形成一高压气膜对气腔的密封作用，同时密封端面为非接触式。端面气膜密封具有低泄漏，长寿命，其中阻塞气体压力一般比工艺气体高0.2MPa左右，既可阻止工艺气体泄漏，又可使密封端面实现非接触旋转。本文基于上述的理论基础，设计出如图所示的旋转密封件结构原理图。该种旋转密封件的工作原理是两端面为带有均压槽的刚性气体止推轴承3作为静环，气腔外壳4连同具有轴向窜动滚针轴承2作为动环，气体止推轴承一端固定，一端在导向键8的作用下可沿轴向浮动，在不工作状态下，气体止推轴承端面和气腔的上下两端面被弹簧6的作用力压在一起，当气体止推轴承通气工作时，在气体止推轴承工作面和气腔的端面之间形成一高压气膜，高压气膜对两端面起高压密封和气膜流体润滑作用。4气浮垫的加工工艺规程4.1确定毛坯的制造形式影响毛坯选择的因素通常包括：1、零件材料的工艺性及对材料组织的要求。2、零件的结构形状和外形尺寸。3、零件对毛坯精度，表面粗糙度和表面层性能的要求。4、零件生产纲领的大小。5、现有生产能力和发展前途。本设计中零件（气浮滑块本体）的材料为铝青铜QAL10-5-5，弹性薄板采用的材料为2Cr13不锈钢。由于该零件的轮廓尺寸不大，生产类型为小批量生产，又考虑零件的加工条件要求较高。为了保证加工质量、提高生产率、降低成本、减少工人的劳动强度，确定采用自由锻造成型。此外为消除残余应力还应安排人工时效。时效处理：指合金工件经固溶处理，冷塑性变形或铸造，锻造后，在较高的温度或室温放置，其性能、形状、尺寸随时间而变化的热处理工艺。若采用将工件加热到较高温度，并较短时间进行时效处理的时效处理工艺，称为人工时效处理。若将工件放置在室温或自然条件下长时间存放而发生的时效现象，称为自然时效处理。第三种方式是振动时效，从80年代初起逐步进入使用阶段，振动时效处理在不加热也不像自然时效那样费时的情况下，给工件施加一定频率的振动使其内应力得以释放，从而达到时效的目的。时效处理的目的，消除工件的内应力，稳定组织和尺寸，改善机械性能等。4.3制定工艺路线在气浮垫加工中，影响加工精度的主要因素有：（1）零件本身的刚度比较底，在外力（切削力、夹紧力）的作用下容易变形。（2）零件本身是锻件，孔壁较薄，切削时将产生的残余内应力，并引起应力重新分布。因此，在安排工艺过程中，就需要把各主要表面的粗精加工工序分开，即把粗加工安排在前，半精加工安排在中间，精加工安排在后面。这是由于粗加工工序的切削余量大，因此，切削力、夹紧力必然大，加工后容易变形。粗、精加工分开后，粗加工产生的变形，可以在半精加工修正，半精加工中产生的变形可以在精加工中修正。这样逐步减少加工余量，切削力及内应力作用。逐步修正加工的变形就能最后达到零件的技术要求。制订工艺路线的出发点，应当是使零件的几何形状、尺寸精度及位置精度等技术要求能得到合理的保证。通过仔细考虑零件的技术要求后，制定出了以下两种工艺方案：工序1：铣削高为15mm底面工序2：铣削长为96mm的左右端面工序3：铣削宽为60mm的左右端面工序4：粗铣高为15mm的顶面、精铣顶面工序5：铣削倒角C4mm工序6：把所有棱角人工去毛刺工序7：铣削宽为7mm和4mm均压槽工序8：钻Ф6mm孔工序9：钻Ф9mm孔成与Ф6mm孔450角工序10：扩Ф20mm孔工序11：钻2个Ф5mm孔工序12：钻Ф3mm孔工序13：攻M5mm两个螺纹孔工序14：把弹性薄板用有机硅结构胶粘接在高为15mm的顶面工序15：把没有弹性薄板的一面用蜡粘接在旋转密封装置上工序16：检测气浮垫的密封性，漏气则为废品工序17：粗研弹性薄板工序18：精研弹性薄板工序19：检测气浮垫的表面状况、粗糙度和平面度工序20：以60mm的两端面为基准打Ф0.2的四个孔4.4机械加工余量、毛坯尺寸的确定机械加工余量对工艺过程有一定的影响，余量不够，不能保证零件的加工质量。余量过大，不但增加机械加工的劳动量，而且增加了成本。所以，必须合理地安排加工余量。本设计采用查表法确定各表面的加工余量、工序尺寸、毛坯尺寸及公差等级。加工余量代号用“Zb”表示。常用余量数值参考《机械制造工艺设计手册》。注意问题：（1）基本尺寸应按有加工要求的表面上最大基本尺寸和该表面距它的加工基准间尺寸较大的尺寸确定。旋转体基本尺寸取其直径或高度（长度）中较大的尺寸。（2）加工余量值为一定的范围，长度方向上的余量比宽度和高度方向上的余量多一倍。（3）在锻锤上自由锻造件的加工余量等级可选用与顶面相同的等级。（4）一般情况下，一种锻件只能选取一个尺寸公差等级和一个加工余量。绘制锻件零件图时应该注意：（1）自由锻的绘制图锻件图是以零件图为基础，加上机械加工余量和锻造公差后绘制而成的。有时为了简化锻件形状，将不易锻出的部位还需加上余块。按上述办法绘制出的锻件图是冷锻件图，用于自由锻造。工件毛坯就是实心方截面长方体，根据机械制造工艺设计手册查表得各加工面的加工余量的确定如下：长度方向上取Zb=6mm，宽度和高度方向上取0.5Zb=3mm。弹性薄板气浮垫滑块本体零件图如下图所示：图4.1滑块本体零件图4.5确定切削用量及基本工时工序1：铣削高为15mm底面1、刀具选择刀具类型选择为圆柱形铣刀，刀具材料为YG6，由参考资料书《机械制造工艺设计手册》查得D=50mm，z=8，每齿进给量选择为0.15mm/齿。铣削时的图4.2气浮垫装配图切削速度v的计算公式为下：式中d0为铣刀直径（mm）；cv、zv、x1、x2、x3、x4为系数；m为指数；ap为背吃刀量；af为每齿进给量；ae为铣削宽度；z为铣刀齿数；修正系数kv的取值为：粗铣kv=1.0，精铣kv=0.8；T为刀具耐用度，耐用度与刀具材料等有关，v=0.93m/s2、决定铣削用量（1）决定铣削深度因为加工余量不大，一次加工完成按机床标准选取（2）计算工时根据参考书《机械制造工艺设计手册》得圆柱铣刀铣平面的计算公式为：所以代入数据得：T=0.025工序2：铣削长为96mm的左右端面1、刀具的选择此道工序的计算与上道工序基本相同，所以刀具类型也选择为圆柱形铣刀，刀具材料为YG6，由参考资料书《机械制造工艺设计手册》得D=50mm，z=8，铣削时的切削速度v的计算公式为下：(4.1)这里切削深度为6mm，所以分两次切削孔，每次切削3mm。通过查表带入数值可得铣削时的切削速度为：62m/min=1.03m/s2、决定铣削用量（1）决定铣削深度因为加工余量为6mm，所以分为两次进行加工，第一次铣削深度定为3mm，第二次铣削深度定为3mm。（2）计算工时根据参考书《机械制造工艺设计手册》得圆柱铣刀铣平面的计算公式为：(4.2)所以代入数据得第一次铣削工时为：第二次铣削工时为：所以工序3：铣削宽为60mm的左右端面1、刀具的选择刀具类型选择为圆柱形铣刀，刀具材料为YG6，由参考资料书《机械制造工艺设计手册》得D=50mm，z=8，每齿进给量选择为0.15mm/齿。得铣削时的切削速度v的计算公式为下：(4.3)查表代入数据得：=62m/min=1.03m/s2、计算工时根据参考书《机械制造工艺设计手册》得圆柱铣刀铣平面的计算公式为：所以代入数据得：工序4：粗铣高为15mm的顶面、精铣顶面1、刀具选择刀具类型选择为圆柱形铣刀，刀具材料为YG6，由参考资料书《机械制造工艺设计手册》得D=50mm，z=8。得铣削时的切削速度v的计算公式为下：(4.4)需要粗铣和精铣两个工步，切削是分两次进给。修正系数kv的取值为：粗铣kv=1.0，精铣kv=0.8，各系数和指数数值通过查表带入数值可得铣削时的切削速度为：2、粗铣时的铣削速度：=1.05m/s精铣时的铣削速度：=62.3m/min=1.04m/s3、计算工时根据参考书《机械制造工艺设计手册》得圆柱铣刀铣平面的计算公式为：1）粗铣时：精铣时：工序5：铣削倒角C4mm1、刀具选择刀具类型选择为圆柱形铣刀，刀具材料为YG6，由参考资料书《机械制造工艺设计手册》查得D=50mm，z=8，每齿进给量选择为0.15mm/齿。得铣削时的切削速度v的计算公式为下：可查参考书各系数和指数数值通过查表带入数值可得铣削时的切削速度为：=0.77m/s2、计算工时根据参考书《机械制造工艺设计手册》得圆柱铣刀铣平面的计算公式为：所以代入数据得：工序7：铣削宽为7mm和4mm均压槽a、铣7mm均压槽1、选择机床及刀具机床：X61型万能铣床刀具：错齿三面刃铣刀铣槽，材料为硬质合金do=50mm齿数z=14每齿进给量=0.15mm/齿。修正系数kv的取值为：粗铣kv=1.0，精铣kv=0.8。铣削时的切削速度v的计算公式如下：(4.5)可查参考书各系数和指数数值通过查表带入数值可得铣削时的切削速度为：=0.71m/s2、计算工时根据参考书《机械制造工艺设计手册》得圆柱铣刀铣平面的计算公式为所以代入数据得：b.铣4mm均压槽1、选择机床及刀具机床：X61型万能铣床刀具：错齿三面刃铣刀铣槽，材料为硬质合金do=50mm齿数z=14每齿进给量=0.15mm/齿。修正系数kv的取值为：粗铣kv=1.0，精铣kv=0.8。得铣削时的切削速度v的计算公式如下：可查参考书各系数和指数数值可查参考书通过查表带入数值可得铣削时的切削速度为：=0.75m/s2、计算工时根据参考书《机械制造工艺设计手册》得圆柱铣刀铣平面计算所以代入数据得：工序8：钻Ф6mm孔1、选择钻床及钻头选择Z4006型台式钻床，选择高速钢麻花钻钻头，钻孔时do=6mm，钻头采用双头刃磨法。修正系数kv的取值为钻孔深度的：3d时kv=1.05d时kv=0.97d时kv=0.810d时kv=0.75得铣削时的切削速度v的计算公式如下：式中d0为铣刀直径（mm）；cv、zv、为系数；m为指数；可查参考书各系数和指数数值得进给量=0.27~0.33，这里取0.3mm/r，cv=21.8，zv=0.25，=0.3，m=0.125，这里取kv=1.0，T=1500s。通过查表带入数值可得钻销时的切削速度为：=0.46m/s2、计算工时根据参考书《机械制造工艺设计手册》得的计算:2所以代入数据得：工序9：Ф9mm孔与Ф6mm孔成450角1选择钻床及钻头选择Z535型立式钻床，选择高速钢手用铰刀，粗钻时do=9mm。修正系数kv的取值为钻孔深度的：3d时kv=1.05d时kv=0.97d时kv=0.810d时kv=0.75铣削时的切削速度v的计算公式如下：通过查表带入数值可得钻销时的切削速度为：=0.51m/s2、计算工时根据参考书《机械制造工艺设计手册》的计算:1所以代入数据得：2mm工序10：扩Ф20mm孔1、选用标准高速钢扩孔钻2、确定扩Ф20mm孔切削用量3、确定进给量ff=0.3mm/r，进给量=2mm4、确定切削速度v及n根据机械制造工艺设计手册，取v=15.35m/min根据Z535型机床说明书，取n=530r/min。实际扩孔速度：5计算工时：1所以代入数据得：2mm工序11：钻2个Ф5mm孔1、选择钻床及钻头选择Z525型立式钻床，选择高速钢麻花钻钻头，钻孔时do=5mm，钻头采用双头刃磨法。再由参考资料书铣削时的切削速度v的计算公式如下：式中d0为铣刀直径（mm）；cv、zv、为系数；m为指数；各系数和指数数值可查参考得进给量=0.27~0.33，这里取0.3mm/r，cv=21.8，zv=0.25，=0.3，m=0.125，这里取kv=1.0，T=1500s。通过查表带入数值可得钻销时的切削速度为：=0.34m/s2、计算工时根据参考书《机械制造工艺设计手册》得的计算公式为：2所以代入数据得：工序12：钻Ф3mm孔1.选择钻床及钻头选择Z4006型台式钻床，选择高速钢直柄麻花钻钻头，钻孔时do=3mm。再由参考资料书得铣削时的切削速度v的计算公式如下：式中d0为铣刀直径（mm）；cv、zv、为系数；m为指数；各系数和指数数值可查参考书得进给量f=0.6mm/r，这里取0.3mm/r，cv=25.3，zv=0.25，=0.3，m=0.125，这里取kv=1.0，T=720s。通过查表带入数值可得钻销时的切削速度为：=0.40m/s2、计算工时根据参考书《机械制造工艺设计手册》得的计算:2所以代入数据得：工序13：攻M5mm两个螺纹孔1、选择钻床和刀具选择Z535型台式钻床，选择高速钢直柄麻花钻钻头，攻丝时do=5mm。再由参考资料书得铣削时的切削速度v的计算式中d0为铣刀直径（mm）；cv、zv、为系数；m为指数；各系数和指数数值可查参考书得进给量f=0.6mm/r，cv=25.3，zv=0.25，=0.3，m=0.125，修正系数kv的取值为钻孔深度的：3d时kv=1.05d时kv=0.97d时kv=0.810d时kv=0.75这里取kv=0.75，T=1500s。通过查表代入数值可得钻销时的切削速度为：v=0.31m/s2、计算工时根据参考书《机械制造工艺设计手册》得的计算:2所以代入数据得：工序17：粗研弹性薄板1、选择钻床和刀具选择YM-18LX研磨机，刀具为铸铁研磨盘。2、决定磨削用量和工时查表得磨削前零件粗糙度要求Ra=0.4μm，主轴每转磨削量维持在0.0001~0.0005μm，这里取0.0003μm。要达到精研时的要求最低粗糙度，这里选为Ra=0.1μm，研磨机的一般转速为20~40r/min。这里选取30r/min。研磨机的切削深度为0.3μm，进给量为0.0003×30=0.009μm。切削时间为0.3÷0.009=33.3min。工序18：精研弹性薄板1、选择钻床和刀具选择YM-18LX研磨机，刀具为铜研磨盘。2、决定磨削用量和工时查表得磨削前零件粗糙度要求Ra=0.1μm，主轴每转磨削量维持在0.00008~0.0001μm，这里取0.0001μm。要达到精磨后的粗糙度Ra≤0.02，这里选为Ra=0.01μm，研磨机的一般转速为20~40r/min。这里选取20r/min。研磨机的切削深度为0.09μm，进给量为0.0001×20=0.002μm。切削时间为0.09÷0.002=45min。工序20：打Ф0.5的四个孔5轴的设计及计算5.1轴的材料应用于轴的材料种类很多，主要根据轴的使用条件，对轴的强度、刚度和其他机械性能等的要求，采用的热处理方式，同时考虑制造加工工艺，并力求经济合理来选择轴的材料。轴的常用材料是优质碳素钢，如35、45和50，其中以45号钢最为常用。根据本设计的要求，选45号钢作材料。5.2轴的结构设计轴的结构设计是确定轴的合理外形和全部结构尺寸，为轴设计的重要步骤。一般轴的结构设计原则：a）节约材料，减轻重量，尽量采用等强度外形尺寸或大的截面系数的截面形状；b）易于轴上零件的精确定位、稳固、装配、拆卸、和调整；c）采用各种减少应力集中和提高强度的结构措施；d）便于加工制造和保证精度。由材料力学可知，轴的扭转强度[4]条件为式中为轴的扭转切应力，单位为;为轴所受的扭矩，单位为;为轴传递的功率，单位为；为轴的转速，单位为;为轴的抗扭截面系数，单位为；为许用扭转切应力，单位为。由此推得实心圆轴的基本直径为：式中为计算常数，取决于轴的材料和受载情况，查表知，45号钢的C的范围为，取所以当轴段上开有键槽时，应适当增大轴径以考虑键槽对轴的强度的削弱：单键槽增大3%，双键槽增大7%，然后将轴径圆整。综合以上取，5.3主轴支承设计方案选择多数机床的主轴采用前、后两个支承，为提高刚度和抗震性，有的机床主轴也采用三个轴承支承。由于本文设计的研磨机要尽可能结构简单并且承受的力不大，所以在此采用在主轴的前端和后端各安装一个轴承支承。常用的轴承配置方案有三种：两端游动支承、一端固定一端游动支承和两端固定支承。两端游动支承结构中两个支承端的轴承都对轴不作精确的轴向定位，因此都属于游动支承。此类支承常用于轴的轴向位置已由其他零件限定的场合。一端固定一端游动支承结构是指轴的一个支承端使轴承与轴及外壳孔的位置相对固定(固定端)，而在轴的另一支承端，使轴承与轴或外壳孔间可以相对移动(游动端)。这种支承方式运转精度高，对各种工作条件的适应性强。两端固定支承是指两个支承端都限制轴向移动。这种结构简单、制造装配方便，但不能作精确的轴向定位，不能用于工作温度较高的场合。由于主轴前端装有磨盘，所以主轴前端的回转精度对工件的加工精度影响比较大，需要精度较高。因此，本文选用“前端固定，后端游动”的支撑装配方案，如图3.4所示。以保证主轴的刚度与回转精度。前端采用推力球轴承，推力球轴承能承受轴向载荷。悬臂长度较小，故悬臂刚度较大，支承有较高的刚性，通过预紧，可以进一步提高支承的刚性，后端采用深沟球轴承作为游动端，可以在温升较大时自由移动，避免破坏主轴前端的回转精度，而且还具有较高的径向刚度。图5.1主轴5.4轴上键的校核根据轴和链轮配合的要求，初选平键A，对于采用常见的材料组合和按标准选取尺寸的普通平键连接（静连接），其主要失效形式是工作面被压溃。除非有严重过载，一般不会出现键的剪断。因此，通常按工作面上的压力进行条件性的强度校核计算。假定载荷在键的工作面上均匀分布，普通平键连接的强度条件为（5.1）式中：T—传递的转矩，k—键与轮毂键槽的接触高度，，此处h为键的高度，mm；l—键的工作长度，圆头平键，这里L为键的公称长度，mm，b为键的宽度d—轴的直径；[σp]—键、轴、轮毂三者中最弱材料的许用挤压应力。在轴上传递的转矩为电动机的输出转矩（5-19）键与轮毂键槽的接触高度键的工作长度轴的直径由《机械设计》，选择代入公式（5-18）：满足条件。转向箱输出端键的校核结构与电动机轴端结构相似，选择平键A10*10*28计算公式与上式相同传递的转矩键与轮毂键槽的解除高度键的工作长度L=24mm。轴的直径代入公式（5.2）满足条件。6结论6结论我本次的毕业设计选题新颖，涉及知