【正文】 ......................................................................................... 45 中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 1 頁 共 45 頁 1 緒論 噴丸機(jī)概述及發(fā)展現(xiàn)狀 噴丸強(qiáng)化加工因其具有提高金屬構(gòu)件抗疲勞性能和抗應(yīng)力腐蝕能力的優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛的應(yīng)用。它產(chǎn)生于本世紀(jì) 20 年代，最先在汽車工業(yè)中應(yīng)用。 60 年代之后，又在航空行業(yè) 中得到更廣泛的應(yīng)用。飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)中一切關(guān)鍵承力件經(jīng)過噴丸強(qiáng)化之后，其強(qiáng)化效果之顯著，成本之低廉，使得所有其它表面強(qiáng)化工藝都相形見絀。 噴丸是使受噴材料在再結(jié)晶溫度下進(jìn)行的一種冷加工方法，加工過程由彈丸流在很高的速度下撞擊受噴表面而完成的。每顆彈丸好比一只微小的錘頭錘擊受噴工件，在它的表面形成一個(gè)很小的凹坑，當(dāng)噴丸引起表面材料塑性變形時(shí)，與表層相連接的次表層材料也將由于表層變形而發(fā)生變形 [1]。但與表層相比較，次表層的變形程度較小，并未達(dá)到該材料的屈服點(diǎn)而保持彈性變形狀態(tài)，因此，表層與次表層的這種不均勻塑性變 形，能引起材料受噴后表面層的應(yīng)力場(chǎng)（即應(yīng)力分布的）改變。實(shí)驗(yàn)表明，噴丸后表層呈現(xiàn)殘余壓縮應(yīng)力，而在一定深度的次表層則為拉伸應(yīng)力。表層的殘余壓縮應(yīng)力可比次表層的拉伸應(yīng)力高達(dá)數(shù)倍。這種殘余應(yīng)力分布模式很有利于疲勞強(qiáng)度和抗應(yīng)力腐蝕性的提高。噴丸采用的專門設(shè)備，按照驅(qū)動(dòng)彈丸的方式，可分為葉輪式噴丸機(jī)、氣動(dòng)式噴丸機(jī)和液動(dòng)式噴丸機(jī)三大類。噴丸機(jī)又有干噴和濕噴之分。干噴工作條件差；濕噴是將彈丸混合在液體中，呈懸浮狀，然后噴射工件表面，工件條件有所改善。噴丸機(jī)中還有一個(gè)使零件做所需運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，成為轉(zhuǎn)胎。 噴丸用的彈丸都是圓 形彈丸，直徑為 不等。常用的彈丸有鑄鐵、鑄鋼彈丸，還有鋼彈丸，玻璃彈丸，硬質(zhì)合金彈丸等。噴丸時(shí)彈丸材料和直徑的選擇，將根據(jù)需噴丸的零件特點(diǎn)決定，要保證彈丸直徑小于需要強(qiáng)化的溝槽圓角的尺寸 [2]。 高壓水射流加工技術(shù) “ 水滴石穿 ” 體現(xiàn)了在人們眼中秉性柔弱的水本身潛在的威力，然而作為一項(xiàng)獨(dú)立而完整的加工技術(shù)，高壓水射流 (WJ)、磨料水射流 (AWJ)的產(chǎn)生卻是最近三十年的事，利用高壓水為人們的生產(chǎn)服務(wù)始于十九世紀(jì)七十年代左右，用來開采金礦，剝落樹皮，直到二戰(zhàn)期間，飛機(jī)運(yùn)行中 “ 雨蝕 ” 使雷 達(dá)艙破壞這一現(xiàn)象啟發(fā)了人們思維。直到本世紀(jì)五十年代，高壓水射流切割的可能性才源于蘇聯(lián)，但第一項(xiàng)切割技術(shù)專利卻在美國產(chǎn)生，即 1968 年由美國密蘇里大學(xué)林學(xué)教授諾曼 弗蘭茲博士獲得。在最近十多年里，水中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 2 頁 共 45 頁 射流 (WJ、 AWJ)切割技術(shù)和設(shè)備有了長足進(jìn)步，其應(yīng)用遍及工業(yè)生產(chǎn)和人們生活各個(gè)方面 [3]。許多大學(xué)、公司和工廠競(jìng)相研究開發(fā)，新思維、新理論、新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，形成了一種你追我趕的勢(shì)頭。目前已有 3000 多套水射流切割設(shè)備在數(shù)十個(gè)國家?guī)资畟€(gè)行業(yè)應(yīng)用，尤其是在航空航天、艦船、軍工、核能等高、尖、難技術(shù)上更顯優(yōu)勢(shì)。已可切割500 余種材料，其設(shè)備年增長率超過 20%。 超高壓水射流加工是利用高壓、高速的細(xì)徑液流作為工作介質(zhì)，對(duì)工件表面進(jìn)行噴射，依靠液流產(chǎn)生的沖擊作用去除材料，實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的切割。稍微降低水壓或增大靶距和流量，還可以進(jìn)行高壓清洗、破碎、表面毛化、去毛刺及強(qiáng)化處理。超高壓水射流與激光、離子束、電子束一樣，同屬于高能束加工的技術(shù)范疇 [4]。 世界上第一臺(tái)純水高壓水切割設(shè)備誕生于 1974 年，第一臺(tái)磨料高壓水切割設(shè)備誕生于 1979 年。自 20 世紀(jì) 80 年代末以來，我國依靠自己的力量，自主開發(fā)成功了各類超高壓水射流切割設(shè)備，并開始 了大量的工藝試驗(yàn)研究。目前，該項(xiàng)技術(shù)在國內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用，在機(jī)械、建材、建筑、國防、輕工、紡織等領(lǐng)域正發(fā)揮著日益重要的作用。 中國自古有“滴水穿石”之說，如今利用超高壓水射流技術(shù)切割石材和其他材料已成為現(xiàn)實(shí)。將過濾后的工業(yè)用水加壓至 100400MPa 再經(jīng)過直徑 的噴嘴孔后，形成 500900m/s 的超高速細(xì)徑水柱，功率密度高達(dá) 106w/mm2,可以切割塑料、石棉、碳纖維等軟質(zhì)材料。在超高壓水射流中混入磨料，磨料顆粒便被加速，形成磨料高壓水射流，可以切割石才、金屬等硬質(zhì)材料 [5]。 超高壓水射流本身具有較高的剛性，在與工件發(fā)生碰撞時(shí)，會(huì)產(chǎn)生極高的沖擊動(dòng)壓和渦流。從微觀上看，相對(duì)于射流平均速度存在著超高速區(qū)和低速區(qū)（有時(shí)可能為負(fù)值）因而超高壓水射流表面上雖為圓柱模型，而內(nèi)部實(shí)際上存在剛性高和剛性低的部分。剛性高的部分產(chǎn)生的沖擊動(dòng)壓使傳播時(shí)間減少，增大了沖擊強(qiáng)度，從宏觀上看起快速楔劈的作用；而低剛度部分相對(duì)于高剛度部分形成了柔性空間，起吸屑排屑的作用。兩者的結(jié)合，正好像使其在切割材料時(shí)猶如一把軸向“鋸刀”加工一樣。 超高壓水射流使用廉價(jià)的水作為工作介質(zhì)，是一種冷態(tài)加工新工藝，屬于綠色加工范疇，是目前世界上先進(jìn)的切割工藝方法之一，它可以切割各種金屬、非金屬材料，各種硬、脆、韌性材料，在石材加工等領(lǐng)域具有其他加工方法無法比擬的優(yōu)勢(shì)。 目前超高壓水射流加工技術(shù)存在的主要問題是：噴嘴的成本高，使用壽命短，切割中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 3 頁 共 45 頁 速度和精度仍有待進(jìn)一步提高。 高壓水射流數(shù)控機(jī)床 自 1983 年，磨料射流切割技術(shù)作為冷切割新技術(shù)、新工藝在美國進(jìn)入實(shí)用階段以來，以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)得到了迅速發(fā)展，目前廣泛地應(yīng)用于眾多工業(yè)部門。 我國第一臺(tái)高壓水 /后混合磨料射流切割設(shè)備 — SHG1 雙坐標(biāo)數(shù)控高壓水切割機(jī)，于 1985 年由航空 工藝研究所研制成功。工作時(shí)，可按被加工工件圖形所編制的程序高精度地自動(dòng)切割，可用于各種批量的下料切割及零件的補(bǔ)充切割。用直徑為 的噴嘴，壓力為 385MPa 的水射流，以 1000mm/min 的切割速度，能夠切透 6mm 厚的芳綸 /環(huán)氧，切口質(zhì)量好；用直徑為 的水噴嘴，直徑為 的磨料噴嘴，壓力為200MPa 的后混合磨料射流，以 1000mm/min 的切割厚度，能夠切透 1mm 厚的鈦板，切口質(zhì)量很好 [6]。 20xx 年由上海大學(xué)研制成功了高性能高壓水 /前混合磨料射流切割設(shè)備 — JSQ1010型磨料水 射流數(shù)控切割機(jī)床，該機(jī)床的特點(diǎn)是： (1)機(jī)床工作臺(tái)由收集箱、左右支架、滾動(dòng)絲杠、導(dǎo)向軸、臺(tái)面框和磨料噴嘴架組成龍門式結(jié)構(gòu)。工作臺(tái)面尺寸為 1m 1m，平面內(nèi) x、 y 方向進(jìn)給采用步進(jìn)式電動(dòng)機(jī)直接帶動(dòng)滾珠絲杠副，實(shí)現(xiàn)噴嘴的平面運(yùn)動(dòng)。 (2)數(shù)控系統(tǒng)采用工業(yè)計(jì)算機(jī)為硬件平臺(tái)，以 Windows98 操作系統(tǒng)為軟件平臺(tái)，具有自動(dòng)編程、加工程序編輯、加工軌跡圖形仿真、圖象轉(zhuǎn)換和網(wǎng)絡(luò)通訊功能。 (3)機(jī)床的重復(fù)定位精度達(dá) 以內(nèi)，最大切割速度為 3m/min。 (4)采用側(cè)孔式磨料供給系統(tǒng)，供料均勻、不堵塞。目前雖然磨 料射流切割設(shè)備的形式較多，但其組成基本類同，主要包括供水系統(tǒng)、增壓系統(tǒng)、磨料供給系統(tǒng)、切割頭裝置、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、工作臺(tái)、收集箱等幾部分。供水系統(tǒng)：將水質(zhì)軟化，使 pH 值達(dá)到 68，并濾去水中粒徑大于 、微粒、礦物質(zhì)沉淀物等，以避免對(duì)水噴嘴的堵塞，減輕對(duì)通流部件的磨損和腐蝕，延長各部件的使用壽命。增壓系統(tǒng)：將水增壓到工作壓力，主要用柱塞泵或增壓泵。磨料供給系統(tǒng)：保證均勻、連續(xù)、精確地供給磨料。切割裝置：將工作介質(zhì)的壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能，產(chǎn)生高能流束切割工件。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)：控制切割頭運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)二維或多 維切割?？刂品绞接惺謩?dòng)、機(jī)動(dòng)、 NC 和 CNC 等。工作臺(tái)：安裝固定工件和導(dǎo)向。收集箱：置于切割工作臺(tái)下面，回收切割后的水和磨料，吸收切割后剩余能量，具有集液、消能、降噪、防濺和安全保護(hù)等作用。 中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 4 頁 共 45 頁 高壓水射流噴丸機(jī)工作原理 高壓水射流噴丸加工是一種以水為介質(zhì)的新型加工工藝，它是將普通水經(jīng)過特殊處理后注入一個(gè)超高壓增壓系統(tǒng)，迅速將水增壓到 380MPa 以上，然后再將這種高壓水輸送到彈丸噴頭，經(jīng)水噴嘴噴出形成高壓水射流，并在混合室產(chǎn)生一定的高壓。彈丸罐中的彈丸在自重作用下流入下部的供水管路中，靠外界大氣壓與 混合室之間的壓力差在管路中形成的氣力運(yùn)輸效應(yīng)將鋼丸輸送到混合室，并與水射流發(fā)生劇烈的摻混和動(dòng)量交換后，經(jīng)磨料彈丸噴嘴噴出形成彈丸射流 [7]。高壓水射流噴丸機(jī)的工作原理是靠“抽吸”作用實(shí)現(xiàn)輸送介質(zhì)的，因此效率低、混合效果差。但其鋼丸供給均勻、能實(shí)現(xiàn)精確連續(xù)供丸、易調(diào)節(jié)，故本設(shè)計(jì)選用。 初定選用龍門式機(jī)架結(jié)構(gòu)其工作原理示意圖如圖 所示，即噴嘴安裝在切割頭上，沿 X 軸作直線運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，橫梁還可沿軸在工作臺(tái)上作直線運(yùn)動(dòng)。硬化處理時(shí)，工件固定在工作臺(tái)（水槽）或?qū)Ｓ脢A具上，切割頭在橫梁上沿 X 軸作直線運(yùn)動(dòng)；橫梁沿 Y 軸作 直線運(yùn)動(dòng)。初定 X 軸、 Y 軸均采用滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)裝置和線性導(dǎo)軌，這樣可以具有高度的運(yùn)動(dòng)精度，在數(shù)控系統(tǒng)的程序控制下可實(shí)現(xiàn)對(duì) 平 面運(yùn)動(dòng)。初定 X 軸、 Y 軸均采用滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)裝置和線性導(dǎo)軌，這樣可以具有高度的運(yùn)動(dòng)精度，在數(shù)控系統(tǒng)的程序控制下可實(shí)現(xiàn)對(duì)平面及曲面的表面硬化處理。 普通水鋼　丸高壓水高壓泵噴頭鋼丸噴管經(jīng)小孔形成高速鋼丸流 打 擊 工 件工件被硬化 圖 超高壓水射流噴丸機(jī)工作原理圖 高壓水射流噴丸機(jī)床系統(tǒng)組成 高壓水射流噴丸機(jī)主要包括高壓增壓器、超高壓增壓器、蓄能器、高壓水 /鋼 丸噴射系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)、 CAD 控制器及 CAD/CAM 套裝軟件。當(dāng)常態(tài)水被高壓增壓器加壓后，壓力可增至 15MPa 以上，然后進(jìn)入超高壓增壓器，經(jīng)柱塞加壓后，壓力可增達(dá) 382MPa再進(jìn)入蓄能器管腔中，消除高壓脈動(dòng)，經(jīng)高壓噴嘴噴出，在混合室摻混 鋼 丸后 鋼 丸獲得中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 5 頁 共 45 頁 巨大能量 [8]。 高壓水射流噴丸機(jī)床的設(shè)計(jì)任務(wù) 本次設(shè)計(jì)主要對(duì)高壓水射流噴丸機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)參數(shù)如下： （ 1）噴頭最大工作行程 X 軸（縱向） 1m Y 軸（橫向） 1m （ 2）噴頭最高移動(dòng)速度 15m/min 最大工作速 度 3m/min （ 3）噴嘴數(shù)量 1 個(gè) （ 4）靶距 H=200mm （ 5）旋轉(zhuǎn)夾具所夾工件最大軸徑 50mm 所夾工件最大長度 700800mm 同時(shí)在已有的系統(tǒng)基礎(chǔ)上利用水射流產(chǎn)生的強(qiáng)大壓力結(jié)合表面處理工藝使該系統(tǒng)在原有基礎(chǔ)上具有對(duì)工件進(jìn)行噴丸硬化處理的功能，以提高機(jī)床的實(shí)用價(jià)值。 中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 6 頁 共 45 頁 2 傳動(dòng)部件的設(shè)計(jì)計(jì)算及校核 滾珠絲杠副基本結(jié)構(gòu)與特點(diǎn) 滾珠絲杠副的組成 滾珠絲杠副是在滾珠絲杠和滾珠螺母之間以滾珠為滾動(dòng)體的螺旋傳動(dòng)元件（見圖）。 c) 圖 滾珠絲杠副 1螺母鋼球 2擋球器（圖 a） 3返向器（圖 b） 4絲杠 在滾珠螺母體上裝有滾珠循環(huán)裝置，又稱反向器，它構(gòu)成滾珠返回通道，使?jié)L珠在閉合回路中形成滾珠鏈的反復(fù)循環(huán)運(yùn)動(dòng)。避免了滾珠順著滾道螺旋面滾到滾珠螺母外面。 滾珠絲杠副由滾珠、滾珠絲杠、滾珠螺母、滾珠循環(huán)裝置（又稱反向器）組成（見圖 ）。這些基本件缺一不可。根據(jù)需要滾珠絲杠上 還可以增加如防塵用的密封件、滑用的潤滑件、預(yù)緊零件等 [9]。 中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 7 頁 共 45 頁 滾珠絲杠副滾珠絲杠滾珠螺母滾珠絲 杠其 他負(fù)荷滾珠間隔滾珠螺 母 體滾珠循環(huán)裝置密 封 件潤 滑 件預(yù)緊元件其 他 圖 滾珠絲杠副的組成 滾珠絲杠副的基本結(jié)構(gòu) 滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)主要可以按滾道螺旋面的法向截型、滾珠的循環(huán)方式、滾珠絲杠副軸向間隙的預(yù)緊方式分類。 （ 1）按滾道螺旋面的法向截型分類 通過滾珠中心并垂直于滾道螺旋面的平面和滾道表面的交線稱滾道法向截形，常用的滾道法向截形有兩種：?jiǎn)螆A弧形和雙圓弧形。 （ 2）按滾珠循環(huán)方式分類 1）內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠副：滾珠在循環(huán)過程中，始終不 脫離滾珠絲杠表面。 2）外循環(huán)滾珠絲杠副：滾珠在循環(huán)反向時(shí)，離開滾珠絲杠外表面。 3）按軸向間隙的調(diào)整及預(yù)緊方式分類 滾珠絲杠副在工作狀態(tài)下滾珠與螺母、絲杠的接觸點(diǎn)的應(yīng)力和變形情況一般的角接觸球軸承十分相似，兩者區(qū)別主要在于前者滾道是一螺旋面，后者滾道是一圓環(huán)面。滾珠絲杠副按預(yù)緊方式分類（見表 ）所示 [10]。 中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 8 頁 共 45 頁 表 循環(huán)方式 內(nèi)循環(huán) 浮動(dòng)式反向器 固定式反向器 外循環(huán) 插管式 埋入 凸出 螺旋槽式 端蓋式 滾珠絲桿副傳動(dòng)的特點(diǎn) （ 1）傳動(dòng)效率高，摩擦 損失小。滾珠絲杠副傳動(dòng)的效率 ? =～ ，比常規(guī)的絲杠螺母副提高 3～ 4 倍（滑動(dòng)絲桿效率為 ～ ）。因此，功率消耗只相當(dāng)于常規(guī)絲桿螺母副的 41 ～ 31 。 （ 2）給予適當(dāng)預(yù)緊，殼消除絲桿和螺母的螺紋間隙，反向時(shí)就可以消除空程死區(qū)，定位精度高