高静水压磨削装备工作台的设计
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湘潭大学机械工程学院毕业论文(设计)工作中期检查表系 机械工程学院 专业 机械设计制造及其自动化 班级 姓 名学 号指导教师指导教师职称副教授题目名称高静水压磨削装备(工作台的设计)题目来源 科研 企业 其它课题名称综合液压试验台设计课题题目性质 工程设计 理论研究 科学实验 软件开发 综合应用 其它资料情况1、选题是否有变化 有 否2、设计任务书 有 否3、文献综述是否完成 完成 未完成4、外文翻译 完成 未完成由学生填写目前研究设计到何阶段、进度状况: 目前我已经完成了试验台整体的结构设计画出了试验台外型的设计图,完成了液压试验台的液压原理设计并画出了试验台液压回路图,并且已完成大部分实验项目实现的设计和试验台各元件型号的选取,最后液压泵站的设计会在本次设计的后期完成。 由老师填写工作进度预测(按照任务书中时间计划) 提前完成 按计划完成 拖后完成 无法完成工作态度(学生对毕业论文的认真程度、纪律及出勤情况): 认真 较认真 一般 不认真质量评价(学生前期已完成的工作的质量情况) 优 良 中 差存在的问题与建议: 指导教师(签名): 年 月 日建议检查结果: 通过 限期整改 缓答辩系意见: 签名: 年 月 日注:1、该表由指导教师和学生填写。2、此表作为附件装入毕业设计(论文)资料袋存档。湘 潭 大 学毕业论文(设计)任务书论文(设计)题目:高静水压磨削装备(工作台的设计) 学号: 姓名: 专业: 机械设计制造及其自动化 指导教师: 系主任: 周友行教授 一、主要内容及基本要求主要内容:研究工作台的三向进给功能 要求: 1、查阅相关资料,大致了解本次设计要研究的具体内容; 2、设计工作台的工作原理和整体布局; 3、做出工作台的装配图和整体装配图; 4、撰写毕业设计说明书; 5、技术文献翻译。 二、重点研究的问题 1、液压缸的设计与布局; 2、工作台的三向进给设计。 三、进度安排序号各阶段完成的内容完成时间1开题报告、制订设计方案3月底2查阅相关文献4月初3学习相关绘图软件4月中旬4设计出工作台整体装配5月中旬5设计出整体装配图并整理初稿5月20号左右6修改、写出正式稿5月25号左右7答辩2012年5月底四、应收集的资料及主要参考文献1液压传动与气压传动(第三版), 华中科技大学出版社,杨曙东、何存兴主编,2007年。2 姜胜强,谭援强,聂时君,彭锐涛,杨冬民,李国荣.碳化硅陶瓷预应力加工的离散元模拟与实验研究,无机材料学报,2010,25(12):1286-1290.3机床液压传动与控制,西北工业大学出版社,卢光贤主编,1993年。 4张飞虎,张春河.在线电解修整镜面磨削中砂轮耐用度的研究.哈尔滨工业大学学报. 1999,31(6):9-115液压工程手册.,雷天觉主编北京机械工业出版社, 1990年。 6液压传动武华,米柏林等主编哈尔滨:黑龙江教育出版社,1995年。 7机械设计手册(第五版)蔡春源主编北京:机械工业出版社,1997年。8液压系统设计周士昌主编. 北京:机械工业出版社,2004年。 9新编液压工程手册雷天觉主编 . 北京:北京理工大学出版社,1998年。 10现代液压技术张利平主编 . 北京:化学工业出版社,2004年。 湘潭大学毕业论文题 目: 高静水压磨削装备工作台的设计学 院: 机械工程学院 专 业: 机械设计制造及其自动化 学 号: 姓 名: 指导教师: 完成日期: 2012年5月28日 高静水压磨削装备摘要:虽然目前磨床技术已有了飞速发展。国内外的磨削技术也有了相对的成熟度。但是它们在磨削过程中,都会共同的造成材料的损伤。所以如何降低材料的损伤成为一个值得研究的热点问题,国内外的很多学者也都对此做出了大量的研究工作。本文就磨削陶瓷器件过程中,如何降低陶瓷器件的损伤,提高加工效率,实现陶瓷器件的高效低损伤加工和降低陶瓷器件的加工成本进行研究。本文采用设计出一个高静水压磨削装备,即为保证高静水压磨削装备能承受400MPa以上的高静水压力,装备主体结构采用合金钢整体铸造的框架结构,并采用有限元进行强度分析。磨削装备型腔空间的长、宽、高均控制在30cm以内,工作台的移动范围:X向10cm;Y10cm;Z5cm,磨削装备上各机械部件的联接均采用8.8级以上的高强度连接螺栓(屈服强度640MPa)。采用30-100MPa的高压泵与放大倍数为10的增压缸相结合实现100-400MPa的高静水压力,通过对高压泵电机进行变频调速实现静水压力的调节,磨削装备的高静水压力可以通过液压回路上的高压油表测量值乘以增压缸放大倍数计算而得,也可以通过磨削装备内壁的应变片进行静水压力的测量。采用高压组合密封环实现磨削装备的磨头主轴与三向移动工作台的密封,磨头主轴只旋转不移动,工作台的X、Y轴移动采用液压缸驱动,Z轴采用滚珠丝杆驱动并实现Z轴的半闭环控制。本设计的进行能大大提高磨削加工的加工效率,实现陶瓷器件的高效低损伤加工,从而降低磨削加工的加工成本。关键词:磨床,高效低损伤,高静水压,陶瓷器件,加工效率GAOJING WATER PRESSURE GRINDING EQUIPMENTABSTRACT: Although at present the grinding technology have rapid development. The grinding technology at home and abroad have relative maturity. But they are in the grinding process, will cause the damage of the common material. So how to reduce the material damage to become a worth a hotspot,many scholars at home and abroad have made a great deal of research. This paper grinding of ceramic components in the process, how to reduce the damage to the ceramic components, the improvement of the machining efficiency and realize the ceramic components of high efficiency low damage processing and reduce the processing cost ceramic components.In this article, the design a Gao Jing water pressure grinding equipment, that is, to ensure that Gao Jing water pressure grinding equipment can withstand the 400 MPa above the GaoJingShui pressure, equipment structure and the main body of the whole casting alloy steel frame structure, and by using the finite element strength analysis. Grinding equipment cavity space the length, width and height are controlled in less than 30 cm, the stage of the mobile range: X to more than 10 cm; Y than 10 cm; Z than 5 cm, grinding equipment on the mechanical parts of the link above all use 8.8 magnitude of high strength bolt connection (yield strength 640 MPa).The 30-100 MPa high-pressure pumps and magnification of 10 of intensification cylinder combination realize 100-400 MPa pressure of GaoJingShui, through to the high-pressure pump motor frequency control realization of hydrostatic pressure regulation, grinding equipment GaoJingShui pressure can through hydraulic oil measurement of high pressure on the way back to signal is multiplied by boosting cylinder magnification and calculation, but can be by grinding equipment for the inner surface of the strain gauge hydrostatic pressure on the measurement. The high pressure combination sealing ring realize the grinding equipment grinding head spindle and three to moving workbench sealing, grinding head spindle rotation only does not move and the stage of the X, Y mobile using hydraulic cylinder driving, the Z axis a ball screw driver and realize the Z axis half closed loop control.This design can greatly enhance the grinding machining efficiency, realize ceramic device of high efficiency low damage processing, so as to reduce the cost of the grinding process.Keywords: Grinding machine, high efficiency low damage, Gao Jing water pressure, ceramic components, processing efficiency.目录第一章 绪论 11.1 课题的提出背景 1 1.2 课题的意义及主要研究内容 2第二章 工作台的整体布置 42.1 工作台的简易设计 42.2 工作台导轨的选择 4第三章 液压缸的设计 73.1 缸筒设计 73.2 缸筒壁厚的计算 103.3 缸筒壁厚的验算 103.4 缸筒的加工要求 123.5 最小导程 123.6 法兰设计 133.7 活塞设计 163.8 活塞杆的设计 173.9 活塞杆的导向、密封和防尘 203.10 缓冲装置 203.11 排气装置 203.12 油口 21第四章 主轴的设计 224.1 轴的设计 224.2 轴承的设计 24第五章 滚珠丝杆的设计 26第六章 伺服电机的选择 27第七章 设计总结 28第八章 参考文献 29湘 潭 大 学毕业论文(设计)评阅表学号 姓名 专业 机械设计制造及其自动化 毕业论文(设计)题目: 高静水压磨削装备工作台的设计 评价项目评 价 内 容选题1.是否符合培养目标,体现学科、专业特点和教学计划的基本要求,达到综合训练的目的;2.难度、份量是否适当;3.是否与生产、科研、社会等实际相结合。能力1.是否有查阅文献、综合归纳资料的能力;2.是否有综合运用知识的能力;3.是否具备研究方案的设计能力、研究方法和手段的运用能力;4.是否具备一定的外文与计算机应用能力;5.工科是否有经济分析能力。论文(设计)质量1.立论是否正确,论述是否充分,结构是否严谨合理;实验是否正确,设计、计算、分析处理是否科学;技术用语是否准确,符号是否统一,图表图纸是否完备、整洁、正确,引文是否规范;2.文字是否通顺,有无观点提炼,综合概括能力如何;3.有无理论价值或实际应用价值,有无创新之处。综合评 价评阅人: 年 月 日 湘 潭 大 学 毕业论文(设计)鉴定意见 学号: 姓名: 专业: 机械设计制造及其自动化 毕业论文(设计说明书) 25 页 图 表 5 张论文(设计)题目: 高静水压磨削装备(工作台设计) 选题摘要:因工程陶瓷具有良好的硬度与耐磨性、良好的热稳定性与化学稳定性等优点而被广泛应用于制造精密轴承、汽车零部件、航空航天耐高温元器件、仿生兼容植入体、切削刀具与光电元器件等。陶瓷器件对加工精度与表面质量要求非常苛刻,如:尺寸精度常在微米级甚至亚微米级,表面粗糙度在纳米级甚至亚纳米级,加工表面及亚表面零损伤。目前采用金刚石砂轮进行磨削加工是保证陶瓷器件尺寸精度与便面质量的主要方法之一。然而由于陶瓷的高硬度与地断裂韧性,在磨削过程中常常会引起陶瓷表面(亚表面)的裂纹损伤,严重影响了陶瓷器件的力学性能与使用可靠性。为消除陶瓷表面及亚表面损伤层,常需要用金刚石微粉抛光、研磨等方法进行陶瓷器件的超精密加工,导致陶瓷器件加工时间长,加工成本高,制造成本几乎占其总成本的60-80%,从而制约了工程陶瓷更为广泛的应用。所以,如何抑制陶瓷加工损伤,有效提高陶瓷加工效率与降低陶瓷器件的制造成本一直是困扰工程界的难题。采用高静水压磨削加工时可有效解决这一问题。本文在高静水压磨削装备上主要做了以下工作: 第一,对工作台的布局做了设计。 第二,对液压缸进行了设计。第三,对工作台能实现三向进给进行了设计。 指导教师评语指导教师: 年 月 日答辩简要情况及评语答辩小组组长: 年 月 日答辩委员会意见答辩委员会主任: 年 月 日高静水压磨削装备工作台的设计第一章 绪 论1.1 课题的提出背景 就国际市场来说,工程陶瓷的需求无疑是市场增长率最快的行业之一,而需求最强劲的为:内燃机尾气处理装置陶瓷;发动机、切削工具与耐磨零件陶瓷;生物陶瓷,以及陶瓷膜等。碳化硅陶瓷市场增长率为15%,生物陶瓷年增长率在10%以上等。可知工程陶瓷市场竞争日益激烈,研究与开发工作对扩大工程陶瓷的应用与开拓市场将起决定性的作用。 近十几年来,我国的磨床行业得到了广泛的发展。改革开放前后:我国的磨料磨具为了和世界同步,在以下几个方面进行了研究或改进:提高磨床的精度,提高磨削的自动化程度,高速研磨,高精度和高光洁度,强力磨削,宽砂轮和多砂轮的磨削,提高磨床的加工生产率,试制发展了特殊磨削或成型磨削,超硬磨料磨具。超硬材料如人造金刚石和立方氮化硼目前被称为世界上最硬的物质,莫氏硬度为10。但是磨削过程中磨削陶瓷材料都不可避免的会产生损伤,为了降低陶瓷材料产生的损伤,中外广大学者都进行了广泛的研究。抑制陶瓷等脆硬材料加工过程中的中位裂纹损伤与提高加工效率一直是学术界研究的热点。工程材料的去除方式一般有俩种,即脆性断裂与塑性成型,脆性断裂的材料去除方式是通过空隙与裂纹的成型与延展、剥落以及碎裂等方式来完成。而塑性成型的去除方式是类似于金属磨削中的切削成型过程。由于陶瓷材料的搞硬度和搞脆性,在磨削加工中通常使用压痕断裂力学模型或切削加工模型来处理。近年来磨削加工主要有以下发展方向,1,缓进给磨削,其通过采用高刚性磨床和刀具的缓慢进给来提高一次磨削深度。2,超高速磨削,超高速磨削是德国切削物理学家萨洛蒙于1931年提出。湖南大学盛晓敏教授介绍了工程陶瓷的高速深切削工艺,能实现高的切除率,又能保证高的表面加工。但要求磨削砂轮转速高,磨削参数大,对机床性能、砂轮强度、振动、平稳、气流扰动安全防护和冷却液注入提出了特殊要求。对于陶瓷的加工,现在有等静压加工技术,用高压泵把传压流体介质压入封闭的容器内,容器内的工件在高压流体介质的静态压力作用下成型,成为致密体或粘结一起。等静压工艺可使工件。在各个方向上获得均匀的压应力。目前国内北京真空电子研究所确定了ZrO2陶瓷的等静压制造工艺以及陶瓷与金属封接的工艺参数,大大提高了陶瓷的断裂韧性。还有水射流加工技术,目前应用比较广泛高压水射流基本原理归之为:运用液体增压原理,通过特定的装置(增压口或高压泵),将动力源(电动机)的机械能转换成压力能,具有巨大压力能的水在通过小孔喷嘴(又一换能装置),再将压力能转变成动能,从而形成高速射流(WJ)。喷射到工件表面时,动能又重新转换成压力能,若压力能超过材料的破坏强度时,即可切断材料,达到切除材料的加工目的,射流加工质量高。迄今为止,工程陶瓷加工的研究取的了一定进展,但是仍存在尚待深入探索的问题。1.2 课题的意义及主要研究内容1.2.1 选题意义因工程陶瓷具有良好的硬度与耐磨性、良好的热稳定性与化学稳定性等优点而被广泛应用于制造精密轴承、汽车零部件、航空航天耐高温元器件、仿生兼容植入体、切削刀具与光电元器件等。陶瓷器件对加工精度与表面质量要求非常苛刻,如:尺寸精度常在微米级甚至亚微米级,表面粗糙度在纳米级甚至亚纳米级,加工表面及亚表面零损伤。目前采用金刚石砂轮进行磨削加工是保证陶瓷器件尺寸精度与表面质量的主要方法之一。然而由于陶瓷的高硬度与地断裂韧性,在磨削过程中常常会引起陶瓷表面(亚表面)的裂纹损伤,严重影响了陶瓷器件的力学性能与使用可靠性。为消除陶瓷表面及亚表面损伤层,常需要用金刚石微粉抛光、研磨等方法进行陶瓷器件的超精密加工,导致陶瓷器件加工时间长,加工成本高,制造成本几乎占其总成本的60-80%,从而制约了工程陶瓷更为广泛的应用。所以,如何抑制陶瓷加工损伤、有效提高陶瓷加工效率与降低陶瓷器件的制造成本一直是困扰工程界的难题。采用高静水压磨削加工时可有效解决这一问题。然而针对陶瓷高静水压磨削加工,必须设计出陶瓷高静水压装备。1.2.2 本课题主要研究内容陶瓷高静水压磨削装备的研制1) 高静水压下磨削装备工作台的设计;2) 液压结构的设计;3) 主轴滚珠丝杆的设计;1.2.3 研究方案1)为保证高静水压磨削装备能承受400MPa以上的高静水压力,装备主体结构采用合金钢整体铸造的框架结构,并采用有限元进行强度分析。磨削装备型腔空间的长、宽、高均控制在30cm以内,工作台的移动范围:X向10cm;Y10cm;Z5cm,磨削装备上各机械部件的联接均采用8.8级以上的高强度连接螺栓(屈服强度640MPa)。 2)高静水压磨削装备采用密封环实现磨削装备的磨头主轴与三向移动工作台的密封,磨头主轴只旋转不移动,工作台的X、Y轴移动采用液压缸驱动,进给模块双层工作台、磨杆座、往复液压缸等组成。工作台布置在十字交叉滚柱导轨上。 Z轴采用滚珠丝杆驱动并实现Z轴的半闭环控制。此方向进给模块由滑板、交流伺服电机、挠性联轴器、组合轴承、滚珠丝杆等滑板由十字交叉导轨支撑。整个装置控制系统用单片机控制,从而控制步进电机的驱动,实现工作台Z方向的移动。通过扩展CPU的I/O接口,达到足够控制X、Y轴的液压驱动回路。设置参数输入模块,及时检测反馈工作条件、工作台性能、加工步骤。控制装备加工精度,加工稳定性。 3)设置简洁的人机互动界面。能过通过界面输入参数,又能通过界面上的控制按钮实时控致装备操作。达到人机一体,理想的控制装置。 4)要实现装备的加工精度以及加工稳定性,必须得有检测装置。由于现有的kistler台式测力仪不适合长期浸泡在高静水压油池中,故陶瓷的高静水压磨削采用应变片对磨削力进行在线测量、尽管应变片的动态响应比石英晶体的动态响应要差,然而仍可以比较精确地反应磨削力值及其变化,如北京航空航天大学基于应变片测力原理研制了外圆磨削测力仪。第二章 工作台的整体布置2.1 工作台的简易设计根据工作台的加工范围,以及给定的箱体型腔大小,设计出工作台的大体尺寸,工作台X与Y轴传动采用的是液压缸传动,由于Z方向的进给要求平稳,精度要高,所以采用滚珠丝杆作为传动部件,可以简单的构思十字导轨,将X跟Y方向用交叉十字导轨布置,液压缸布置在托板上,托板的运动方向由导轨控制,Z轴将滚珠丝杆直接作为主轴。工作台的简图如下 图2-1 工作台简图2.2工作台导轨的选择2.2.1 直线滚动导轨的特点直线滚动导轨在数控机床中有广泛的应用。相对普通机床所用的滑动导轨而言,它有以下几方面的优点:1 定位精度高直线滚动导轨可使摩擦系数减小到滑动导轨的1/50。由于动摩擦与静摩擦系数相差很小,运动灵活,可使驱动扭矩减少90%,因此,可将机床定位精度设定到超微米级。2 降低机床造价并大幅度节约电力采用直线滚动导轨的机床由于摩擦阻力小,特别适用于反复进行起动、停止的往复运动,可使所需的动力源及动力传递机构小型化,减轻了重量,使机床所需电力降低90%,具有大幅度节能的效果。3 可提高机床的运动速度直线滚动导轨由于摩擦阻力小,因此发热少,可实现机床的高速运动,提高机床的工作效率2030%。4 可长期维持机床的高精度对于滑动导轨面的流体润滑,由于油膜的浮动,产生的运动精度的误差是无法避免的。在绝大多数情况下,流体润滑只限于边界区域,由金属接触而产生的直接摩擦是无法避免的,在这种摩擦中,大量的能量以摩擦损耗被浪费掉了。与之相反,滚动接触由于摩擦耗能小滚动面的摩擦损耗也相应减少,故能使直线滚动导轨系统长期处于高精度状态。同时,由于使用润滑油也很少,大多数情况下只需脂润滑就足够了,这使得在机床的润滑系统设计及使用维护方面都变的非常容易了。2.2.2 宜线滚动导轨的寿命在选用直线滚动导轨时,应对其本身的寿命进行初步验算。当直线滚动导轨承受负荷并做滚动运动时,导轨面和滚动部分(钢珠或滚柱)就会不断地受到循环应力的作用,一旦达到临界值,滚动表面就会产生疲劳破损,在某些部位产生鱼鳞状剥离,这种现象称为表面剥落。所谓直线滚动导轨的寿命,就是指导轨表面或滚动部分由于材料的滚动疲劳而发生表面剥落时为止总行走距离。直线滚动导轨的寿命具有很大的分散性。即使同批制造的产品,在同样运转条件下使用,其寿命也会有很大的差距。因此,为了确定直线滚动导轨的寿命,一般使用额定寿命这一参数。所谓额定寿命是指让批同样的直线滚动导轨逐个地在相同的条件下运动,其中90%的总运行距离能达到不发生表面剥落。对于使用钢珠的直线滚动导轨,额定寿命L为:对于使用滚柱的直线滚动导轨,额定寿命为: 式中L:额定寿命km; C:基本额定动负荷,kN; PC:计算负荷,LN; fH:硬度系数; fT:温度系数; fC:接触系数, fW:负荷系数。由上述两式可以看出,直线滚动导轨的额定寿命受硬度系数fH、温度系数fT、接触系数fC、负荷系数fW的直接影响。1 硬度系数为了充分发挥直线滚动导轨的优良性能,与钢珠或滚柱相接触的导轨表面从表面到适当的深度应具有HRC5864的硬度。如果因某种原因达不到所要求的硬度,会导致寿命缩短。计算时要将基本额定动负荷C乘以硬度系数fH。2 温度系数fT 直线滚动导轨的工作温度超过100时,导轨表面的硬度就会下降,与在常温下使用相比,寿命会缩短,计算时要将基本额定动负荷C乘以温度系数fT,。同时,在高温下运行时,还应考虑材料产生的尺寸改变及润滑方式的不同。3 接触系数大多数情况下,为实现直线运动,至少要在导轨上安装两个以上的滚动滑块。然而施加在各个滑块上的负荷受安装精度和滑块自身精度的影响,不一定象计算值那么完全均等。因此,进行寿命计算时应将基本额定动负荷C乘以表1所示的接触系数fC。4 负荷系数fW在计算作用于直线滚动导轨上负荷时,必须正确地计算出因物体重量而产生的负荷,包括因运动速度变化而产生的惯性负荷和由于悬重部分而造成的力矩负荷。另外,机床在作往复运动时,常常伴随着振动和冲击,特别是在高速运动时产生的振动及正常工作时因反复起动、停止等操作而产生的冲击等,往往很难正确地计算出来。因此,进行寿命计算时应将基本额定动负荷C乘以表2所示经验负荷系数fw。本次设计中采用滚柱导轨,其承载能力及刚度比滚珠导轨高,交叉滚柱导轨副四个方向均能受载。X方向导轨的行程为L=250mm,Y方向的导轨行程L=250mm。第三章 液压缸的设计由于高静水压磨削装备的设计采用工作台的移动,磨头主轴只旋转不移动,且X轴和Y轴的移动是由液压缸驱动,所以首先应考虑液压缸的设计,液压缸设计的要求是:工作台的X轴移动有效行程是5cm,Y轴移动的行程也是5cm。选取磨床工作时的磨削力为8KN。由于箱体的型腔要求在长高宽是30cm内,所以应选用双活塞杆液压缸。液压缸的工作原理:液压缸是将液压泵输出的压力能转换为机械能的执行元件,它主要是用来输出直线运动(也包括摆动运动)。双杆式活塞缸的活塞两端都有一根直径相等的活塞杆伸出,它根据安装方式不同又可以分为缸筒固定式和活塞杆固定式两种。双杆式活塞缸的进、出油口布置在缸筒两端,活塞通过活塞杆带动工作台移动,当活塞的有效行程为时,整个工作台的运动范围为3,所以机床占地面积大,一般适用于小型机床。当工作台行程要求较长时,可采用活塞杆固定的形式,这时,缸体与工作台相连,活塞杆通过支架固定的机床上,动力由缸体传出。这种安装形式中,工作台的移动范围只等于液压缸有效行程的两倍(2),因此占地面积小。进出油口可以设置在固定不动的空心的-活塞杆的两端,使油液从活塞杆中进出,也可设置在缸体的两端,但必须使用软管连接。由于双杆活塞缸两端的活塞杆直径通常是相等的,因此它左、右两腔的有效面积也相等。当分别向左、右腔输入相同压力和相同流量的油液时,液压缸左、右两个方向的推力和速度相等,当活塞的直径为,活塞杆的直径为,液压缸进、出油腔的压力为1和2,输入流量为时,双杆活塞缸的推力F速度V 式中为活塞的有效工作面积。3.1 缸筒设计3.1.1 缸筒结构的选择连接方式如下图:图3-1 法兰连接选取法兰式连接,并且法兰和缸筒用焊接方式连接。其优点是结构简单,易选取、易装卸;缺点是外径较大,比螺纹连接的重量大。3.1.2 缸筒的要求有足够强度,能够承受动态工作压力,长时间工作不会变形;有足够刚度,承受活塞侧向力和安装反作用力时不会弯曲;内表面和导向件与密封件之间摩擦少,可以保证长期使用;缸筒和法兰要良好焊接,不产生裂纹。3.1.3 缸筒材料的选取及强度给定部分材料的机械性能如下表:缸筒常用无缝钢管材料机械性能材料204202502530500300183554032017456102601415MnVn7505002627SiMn10008501235CrMo9508001238CrMoAlA100085015表3-1 本次设计选取38CrMoAlA号钢从表中可以得到:缸筒材料的屈服强度=850MP;缸筒材料的抗拉强度=1000MP;现在利用屈服强度来引申出:缸筒材料的许用应力=/n=850/5=170MP。其中n=5是选取的安全系数,来源于下表:液压缸的安全系数材料名称静载荷交变载荷冲击载荷不对称对称钢,锻铁35812表3-23.1.4 缸筒的计算、液压缸的效率油缸的效率由以下三种效率组成:(A) 机械效率,由各运动件摩擦损失锁造成,在额定压力下,通常可取=0.9。(B) 容积效率,由各密封件泄露锁造成,通常容积效率,为:=1。 (C)作用力效率,由出油口背压力所产生的反作用力而造成。=0.9所以总效率为0.8。、液压缸缸径的计算 (1)由于F是磨削力,取磨削力为8KN,p1为进口油压力,p2为出口油压力,可取p1为25MPa,p2为5MPa,A为活塞的有效工作面积。初步定D:根据公式F=PS,P为液压缸的工作油压,S为油压油作用的有效面积。可取D为32mm.代入(1)可取d为20mm.3.2 缸筒壁厚的计算缸筒壁厚可以使用下式进行计算:当0.3时 缸筒材料的许用应力, =缸筒材料的抗拉强度缸筒内的最高工作压力。=0.7mm考虑到工作环境为高压油,且缸壁承担的压力比较大,选取壁厚为为8mm,3.3 缸筒壁厚的验算下面从以下三个方面进行缸筒壁厚的验算:(A) 液压缸的额定压力值应低于一定的极限值,保证工作安全 (2)根据(2)式得到:0.35371.875 MPa显然,额定油压P=25MPa,满足条件;(B)为了避免缸筒在工作时发生塑性变形,液压缸的额定压力值应与塑性变形压力有一定的比例范围: (3) (4)先根据式(4)得到:=332.35 MPa再将得到结果带入(3)得到:116.3225 MPa显然,额定油压P=25MPa,满足条件;(C)为了确保液压给缸安全的使用,缸筒的爆裂压力应大于耐压试验压力: (5)因为=1000MPa已经在选择缸筒材料的时候给出,根据式(5)得到:=405MPa爆裂压力是液压缸外壁处于高压油中所必须考虑的,箱体型腔中高压油工作时的压力最高为400MPa.所以恰好满足条件。至于耐压试验压力应为:=1.5P=37.5MPa依据为:(D)耐压试验压力,是液压缸在检查质量时需要承受的试验了、压力。在规定时间内,液压缸在此压力下,全部零件不得有破坏或永久性变形等异常现象。各国规范多数规定为:=1.5因为爆裂压力远大于耐压试验压力,所以完全满足条件。以上所用公式中各量的意义解释如下:式中D缸筒内径D缸筒外径液压缸的额定压力液压缸发生塑性变形的压力液压缸耐压试验压力液压缸发生爆裂时的压力缸筒材料的抗拉强度缸筒材料的屈服强度E缸筒材料的弹性模数缸筒材料的泊桑系数3.4 缸筒的加工要求缸筒内径D采用H7级配合,表面粗糙度为0.16,需要进行研磨;热处理:调制,HB240;缸筒内径D的圆度、锥度、圆柱度不大于内径公差之半;刚通直线度不大于0.03mm;油口的孔口及排气口必须有倒角,不能有飞边、毛刺;在缸内表面镀铬,外表面刷防腐油漆。3.5 最小导程本设计的双作用活塞杆在这用单作用活塞杆的计算进行计算,算出的结果再转换成双作用活塞杆的数据。当活塞杆全部外伸时,从活塞支承面中点到导向套滑动面中点的距离称为最小导向长度(如图所示),若导向长度太小,将使油缸因间隙引起的初始挠度增大,从而影响油缸的工作稳定性。对于一般油缸,其最小导向长度H应满足下式要求 由工作行程为50mm。代入数据得H18.5mm式中 -油缸最大工作行程 (m)-缸筒内径 (m)一般导向套滑面的长度A,在缸筒内径80mm取缸筒内径的 0. 61.0倍;在缸筒内径80mm时则取活塞杆直径的0.61.0倍。活塞宽度取缸筒内径的0.61.0倍,为了保证最小导向长度而过份地增大导向套长度和活塞宽度都是不适宜的。最好的方法是在导向套与活塞之间装一隔套K,其长度由所需的最小导向长度决定。采用隔套不仅能保证最小导向长度,而且可以扩大导向套及活塞的通用性。 图3-2本设计中80mm代入数据得则C=4.6mm,H=25mm,B=22.4mm, A=22.4mm3.6 法兰设计3.6.1 (缸筒端部)法兰厚度计算法兰厚度根据下式进行计算: (6)式中 F法兰在缸筒最大内压力下,所承受的轴向力 法兰外圆半径图3-3 缸筒端部法兰厚度首先来计算法兰在最大内压的情况下受到的压力F:在流量的计算中已经得出活塞的面积是:=803.84缸壁厚度计算中得出最大压强:=251.5=37.5MP所以法兰承受的最大压力为:F=30144N接下来选取其它参数:=35mm=6mmb=5mm许用应力在选取材料的时候给出:=/n=850/5=170MP将以上各量带入式(6)得到:h=8.58mm为保证安全,取法兰厚度为9mm。3.6.2 (缸筒端部)法兰连接螺栓的强度计算连接图如下:图3-4 缸筒端部法兰用螺钉连接螺栓强度根据下式计算:螺纹处的拉应力 (7)螺纹处的剪应力 (8)合成应力 (9)最大推力为:F=30144N使用8个螺栓紧固缸盖,即:Z=8螺纹外径和底径的选择:=6mm =5.18mm系数选择:考虑到载荷可能有变化,为了安全,选取:K=3=0.12式中 F缸筒端部承受的最大推力 D缸筒内径 d-螺纹外径 d螺纹底径 K拧紧螺纹的系数 不变载荷 取K=1.25-1.5 变载荷 取K=2.5-4 K螺纹连接的摩擦系数 K=0.12缸筒材料的许用应力 =缸筒材料的屈服强度n安全系数 n=1.5-2.5根据式(7)得到螺纹处的拉应力为:=429.3MP根据式(8)得到螺纹处的剪应力为:=234.23MP根据式(9)得到合成应力为:=590.67MP由以上运算结果知,应选择螺栓等级为12.9级:查表的得:抗拉强度极限=1220MPa 屈服极限强度=1100MPa不妨取安全系数n=1.8可以得到许用应力值:=/n=1100/1.8=611.11MPa再次使用式(9)得到: 成立证明选用螺栓等级合适。3.7 活塞设计3.7.1 活塞结构的设计活塞分为整体式和组合式,组合式制作和使用比较复杂,所以在此选用整体式活塞,形式如下图:图3-5活塞结构此整体式活塞中,密封环和导向套是分槽安装的。3.7.2 活塞的密封选用Yx型圈,聚氨酯和聚四氟乙烯密封材料组合使用,可以显著提高密封性能:、降低摩擦阻力,无爬行现象;、具有良好的动态和静态密封性,耐磨损,使用寿命长;、安装沟槽简单,拆装简便。这种组合的特别之处就是允许活塞外园和缸筒内壁有较大间隙,因为组合式密封的密封圈能防止挤入间隙内,降低了活塞与缸筒的加工要求,密封方式图如下:图3-6 活塞结构的密封3.7.3 活塞的材料选用高强度球墨铸铁QT600-33.7.4 活塞的尺寸及加工公差选择活塞厚度为活塞杆直径的1.12倍,因为活塞杆直径是22.4mm(这个在后面的活塞杆设计中会给出解释),所以活塞的厚度为22.4mm。活塞的配合因为使用了组合形式的密封器件,所以要求不高,这里不加叙述。活塞外径对内孔的同轴度公差不大于0.02mm,断面与轴线的垂直度公差不大于0.04mm/100mm,外表面的圆度和圆柱度不大于外径公差之半。3.8 活塞杆的设计3.8.1 活塞杆杆体的选择此次设计选用的是实心杆件,形式如下图:图3-7 活塞杆简图3.8.2 活塞杆与活塞的连接形式此次设计采用的是锁紧螺母型连接,如下图:图3-8 锁紧螺母型3.8.3 活塞杆材料和技术要求、因为没有特殊要求,所以选用45号钢作为活塞杆的材料,本次设计中活塞杆只承受压应力,所以不用调制处理,但进行淬火处理是必要的,淬火深度可以在0.51mm左右。、安装活塞的轴颈和外圆的同轴度公差不大于0.01mm,保证活塞杆外圆和活塞外圆的同轴度,避免活塞与缸筒、活塞杆和导向的卡滞现象。安装活塞的轴间端面与活塞杆轴线的垂直度公差不大于0.04mm/100mm,保证活塞安装不产生歪斜。、活塞杆外圆粗糙度选择为0.3、因为是运行在低载荷情况下,所以省去了表面处理。3.8.4 活塞杆直径的计算活塞杆的直径可以根据速比来确定,公式如下:式中 D缸筒内径 速度比(面积比)3.8.5 活塞杆强度的计算活塞杆端部的负载连接点与与液压缸支撑之间的距离为,如果:10d(显然这个是成立的)就用下式计算活塞杆强度: (10)式中 F液压缸的最大 (或拉力) 材料的屈服强度 安全系数一般=2-4 d活塞杆的直径实际上式中的/n 就是材料的许用应力,之前已经给出了45号钢的许用应力为:=/n=360/5=72MP最大推力F=30144N于是根据式(10)得到活塞杆的直径:d6.35mm考虑到活塞杆升出至高压油中,选取d为20mm。3.9 活塞杆的导向、密封和防尘3.9.1 导向环选择非金属导向环,用高强度塑料制成,这种导向环的优点是摩擦阻力小、耐磨、使用寿命长、装导向环的沟槽加工简单,并且磨损后导向环易于更换。3.9.2 密封本设计考虑到高压油的影响,采用超高压自动补偿组合方式装置密封,该装置由密封元件及支承装置组成,密封元件位于缸体(9)内壁和柱塞(8)之间,与缸体(9)静配合,与柱塞(8)动配合,所说的密封元件由依次排列的导向套(1)、至少一组密封圈和垫块(5)组成,每组密封圈由相互贴合的内密封圈和外密封圈构成,其横截面为多边形,内外密封圈的贴合为斜面或曲面,内外密封圈由与柱塞配合的密封面,外密封圈有与缸体配合的密封面,与导向套连接的内密封圈由软材料制成,其它内、外密封圈由硬材料制成,导向套(1)位于缸体(9)的台阶处,支承装置由预紧螺母套(6),预紧螺母(7)和过渡套(10)组成,垫块(5)与预紧螺母套(6)连接,预紧螺母套(6)与预紧螺母(7)螺纹配合,预紧螺母(7)与过渡套(10)的竖壁连接,过渡套(10)位于高、低压缸体之间,由缸体之间的螺栓(11)连接。 内、外密封圈的横截面为三角形,组成的密封圈的横截面为方形,内、外密封圈的贴合线为方形的对角线。 密封元件依次由导向环(1)、内三角密封圈(2)、外三角密封圈(4)、内三角密封圈(3)、外三角密封圈(4)和垫块(5)组成,内三角密封圈(2)由橡胶材料制成,其他三角密封圈由硬质材料制成。图3-9 自动补偿密封结构3.9.3 防尘使用DH防尘圈,材料是聚氨酯,既有防尘作用,又有润滑作用。3.10 缓冲装置一般的油缸可以不考虑缓冲要求。当活塞的运动速度很高和运动部分质量很大时,就有很大的惯性力。如果活塞在行程终端与缸底(或缸盖)产生机械碰撞,会出现冲击和噪声,甚至导致油缸、管路以及阀类元件的破坏,为了防止或缓和这种冲击,可以在液压回路中设置减速阀和制动阀,使活塞减速制动,也可在液压缸内部设置缓冲装置。3.11 排气装置液压系统在安装过程中或长时间停止工作之后会渗入空气,油中也会混入空气,由于气体具有较大的可压缩性,将使油缸工作中产生振动、颤抖和爬行,并伴随有噪声和发热等系列不正常现象。因此在设计油缸结构时,要保证能及时排除积聚在缸内的气体。一般利用空气比重较油轻的特点,在油缸内腔的最高部位设置进出油口或专门的排气装置如排气螺钉、排气阀等,使积聚于缸内的气体排出缸外。图3-10 排气装置的形式排气装置的形式和结构见图2,一般有整体排气塞和组合排气塞两种。整体排气塞(图c、e)由螺纹与缸筒或端盖连接,靠头部锥面起密封作用。排气时,拧松螺纹,缸内空气从锥面空隙中挤出并经斜孔排出缸外。这种排气装置简单方便,但螺纹与锥面密封处同心度要求较高,否则拧紧排气塞后不能密封,会造成外泄漏。组合排气塞一般由螺塞和锥阀组成。螺塞拧松后,锥阀在压力的推动下脱离密封面而排出空气。锥阀可以采用图a所示的锥面密封,也可以采用图b所示的锥面密封,还可以采用图g所示的钢珠密封。后两种排气密封形式对高压缸比较适用。3.12 油口油口有油口孔和油口连接螺纹。油口孔是压力油进出的直接通道,如果孔小了,不仅造成进油时流量供不应求,影响液压缸的活塞运动速度,而且会造成回油时受阻,形成背压,影响活塞的退回速度,减少液压缸的负载能力。油口孔大多数属于薄壁孔(孔的长度与直径之比的孔)。通过薄壁空的流量按下式计算式中 流量系数,接头处大孔与小孔之比大于7时为0.60.62,小于7时为0.70.8。 油孔的截面积 液体的密度 油孔前腔压力 油孔后腔压力从式中可见,、是常量,对流量影响最大的因素是油孔的面积。根据此式,可以求出孔的直径大小,以满足流量的需要,从而保证液压缸的正常工作运动速度。第四章 主轴的设计4.1 轴的设计主轴的结构形状主要决定于主轴上所安装的传动件、轴承和密封件等零件的类型、数目、位置和安装定位方法等,同时还要考虑主轴加工和装配的工艺性。4.1.1 主轴端部的设计主轴端部的形状取决于机床的类型、安装夹具或刀具的形式,并应保证卡盘或刀具安装可靠、定位准确、连接牢固、装卸方便和能传递一定的扭矩。对于高静水压磨削装备工作台,保证其对中精度和工作安全可靠,主轴能传递运功扭矩,能实现工作台的Z向移动,且工作台的Z向精度要求相当高,所以需将主轴设计成滚珠丝杆主轴,主轴上端有滚珠丝杆的形状。中间采用轴肩支撑,与滚动轴承配合。4.1.2 主轴外径D 主轴直径对刚度影响较大,惯性矩J与直径D的四次方成正比,主轴本身的变形与直径的四次方成反比的减小。当轴承类型不变,其弹性系数K也随着D的增加而减小,即轴承变形引起的主轴端部位移也减小。因此,直径D选得越大,变形越小。但是,主轴直径越大,与之相配的轴承等有关零件的尺寸越大,要达到相同的允差,制造就较困难,材料重量也增加。同时,加大直径还要受到轴承所允许的dnmax(d为轴颈直径,nmax为主轴最高转速)的限制,甚至为磨床结构所不允许。而且主轴直径越大,高静水压磨削装备中轴承所受的轴向力就越大,可能会造成轴承的实效,或者大大降低轴承的寿命,因此初选轴的最小直径d1=20mm。校核轴的强度:由于此轴的危险截面就在轴的最小尺寸处,而且此轴主要受扭矩,不受弯矩,因而可按轴的扭转强度条件校核。式中:扭转切应力,MPa; T轴所受的扭矩,Nmm; W轴的抗扭界面系数,mm; n轴的转速, ; P轴传递的功率,KW; d 计算截面处轴的直径,mm; 许用扭转切应力,MPa。 由于轴所受的载荷为重载荷,且局部要求高硬度的工作条件,所以选用轴的材料为40Cr。 查机械设计手册得,轴的需用扭转切应力=50MPa,上式经过变换得轴的最小直径将数据代入上式得 本设计采用的是伺服电机,P 选用最大功率,n为最大转速。因为20,所以满足条件,即轴的强度校核安全。 由于止推轴承所受的轴向力为 此处 d= 代入数据得查机械设计手册得,选用51314号推力球轴承轴承的参数为: 内径 d=70 mm, 外径 D=125 mm, 基本额定动载荷 C=148 KN4.1.3 主轴材料与热处理主轴材料的选择主要根据刚度、载荷特点、耐磨性和热处理变形大小等因素确定。材料刚性可通过弹性模量E反映,对于高静水压磨削装备磨头,由于采用直推轴承和滑动轴承相结合,为了减少磨损,轴颈必须有很高的硬度。对于重负荷,局部要求高硬度的工作条件,常用材料为20Cr,40Cr,故选用的材料为40Cr,经渗碳、淬火回火或调频淬火处理,硬度一般在HRC50以上;采用氮化处理,硬度一般要达到HVll0盼1200。4.1.4 技术要求主轴的精度直接影响到主轴组件的旋转精度。主轴和轴承相连接处的表面几何形状误差和光洁度关系到接触刚性,零件接触表面形越准确、光洁度越高,则受力后接触变形越小,亦即接触刚性越高。对主轴设计必须提出一定的技术要求。支承轴颈是主轴的工作基面、工艺基面和测量基面。主轴工作时,以轴颈作为工作基面进行旋转运动;加工主轴时,为了保证锥孔和轴颈中心同心,一般都以轴颈作为工艺基面来最后精磨锥孔;在检查主轴精度时,以轴颈作为测量基面来检验各部分的同心度和垂直度。轴颈及其定位轴肩的技术要求,就满足主轴的旋转精度要求,在动静压工作台中,由滑动轴承的技术要求来确定,一般支承轴径部分的尺寸精度为1级,轴颈的几何形状允差(椭圆度、锥度等)通常应小于轴颈直径的14-12。4.2轴承的设计4.2.1 止推轴承的设计由上可知,轴承所受的轴向力 =125.6 KN,查机械设计手册可得,应选择51314号推力球轴承。轴承的参数为: 内径 d=70 mm, 外径 D=125 mm, 基本额定动载荷 C=148 KN. 轴承的寿命上式中 为指数,对于球轴承,=3.把数据代入上式得 =28.1 h.4.2.2 球轴承的设计由上可知由上几式得 轴承径向力 =14.49 KN查机械设计手册得,选用N204E号圆柱滚子轴承轴承的参数为: 内径 d=20 mm, 外径 D=47 mm, 基本额定动载荷 C=25.8 KN. 轴承的寿命上式中 为指数,对于球轴承,=.把数据代入上式得 =117.6 h.第五章 滚珠丝杆的设计滚珠丝杆传动系统是一个以滚珠作为媒介的滚动螺旋传动的体系,以传动形式分为俩种:一种是将回转运动转化成直线运动,另外一种是将直线运动转化成回转运动。滚珠丝杆的特点是传动效率高,运动平稳性好,高精度,高耐用性,同步性好,高可靠性,无间隙与高刚性。本次设计要求是Z方向的精度很高,滚珠丝杆系统运动中温性较小,并可预紧消除轴向间隙和对丝杆进行预拉伸以补偿热拉伸长,因此可以获得较高的定位精度和重复定位精度。且滚珠丝杆运动系统为点接触滚动运动,工作中摩擦阻力小,灵敏度高、启动时无振动、低速时无爬行现象,可精密的控制微量进给。所以滚珠丝杆运动系统可以满足这次设计的需要。滚珠丝杆主轴的尺寸设计:滚珠丝杆主轴主要是承担工作台竖直方向的压力,也即是丝杆的轴向力,根据轴向力初步选取丝杆的直径 轴向压力,主要是工作台的重量L丝杆的导程 设计L为5mm考虑到本次设计高静水压装备要求,又箱体大小的要求,选取d为40mm.图5-1 滚珠丝杆主轴的简图第六章 伺服电机的选择伺服电机(servo motor )是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机,是一种补助马达间接变速装置。伺服电机可使控制速度,位置精度非常准确,可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服电机转子转速受输入信号控制,并能快速反应,在自动控制系统中,用作执行元件,且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性,可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类,其主要特点是,当信号电压为零时无自转现象,转速随着转矩的增加而匀速下降。本次设计采用交流伺服电机,交流伺服电动机定子的构造基本上与电容分相式单相异步电动机相似.其定子上装有两个位置互差90的绕组,一个是励磁绕组Rf,它始终接在交流电压Uf上;另一个是控制绕组L,联接控制信号电压Uc。所以交流伺服电动机又称两个伺服电动机。交流伺服电动机的转子通常做成鼠笼式,但为了使伺服电动机具有较宽的调速范围、线性的机械特性,无“自转”现象和快速响应的性能,它与普通电动机相比,应具有转子电阻大和转动惯量小这两个特点。目前应用较多的转子结构有两种形式:一种是采用高电阻率的导电材料做成的高电阻率导条的鼠笼转子,为了减小转子的转动惯量,转子做得细长;另一种是采用铝合金制成的空心杯形转子,杯壁很薄,仅0.2-0.3mm,为了减小磁路的磁阻,要在空心杯形转子内放置固定的内定子.空心杯形转子的转动惯量很小,反应迅速,而且运转平稳,因此被广泛采用。 交流伺服电动机在没有控制电压时,定子内只有励磁绕组产生的脉动磁场,转子静止不动。当有控制电压时,定子内便产生一个旋转磁场,转子沿旋转磁场的方向旋转,在负载恒定的情况下,电动机的转速随控制电压的大小而变化,当控制电压的相位相反时,伺服电动机将反转。第七章 设计总结高静水压磨削装备设计能解决减少脆硬性材料的加工时产生的残余拉应力。起到防止应拉力而产生的裂纹,提高的陶瓷材料的使用寿命,进一步抗大了陶瓷材料的使用市场,满足现代陶瓷材料的市场需求。本装备采用高压密封结构,加工工件都是在高压油中进行,装备的工作台采用三轴移动,磨头固定旋转。且工作台的进给X与Y由液压系统传动,Z方向采用滚珠丝杆的传动装置。此次设计中,首先得感谢张老师的热情关怀、指导。张老师认真负责,治学一丝不苟。这些使我从中学习到科研工作者的严谨,创新,分析问题,解决问题的各方面的能力。然后还要感谢许森学长的热情帮助。第八章 参考文献1液压传动与气压传动(第三版), 华中科技大学出版社,杨曙东、何存兴主编,2007年。2 姜胜强,谭援强,聂时君,彭锐涛,杨冬民,李国荣.碳化硅陶瓷预应力加工的离散元模拟与实验研究,无机材料学报,2010,25(12):1286-1290.3机床液压传动与控制,西北工业大学出版社,卢光贤主编,1993年。 4张飞虎,张春河.在线电解修整镜面磨削中砂轮耐用度的研究.哈尔滨工业大学学报. 1999,31(6):9-115液压工程手册.,雷天觉主编北京机械工业出版社, 1990年。 6液压传动武华,米柏林等主编哈尔滨:黑龙江教育出版社,1995年。 7机械设计手册(第五版)蔡春源主编北京:机械工业出版社,1997年。8液压系统设计周士昌主编. 北京:机械工业出版社,2004年。 9新编液压工程手册雷天觉主编 . 北京:北京理工大学出版社,1998年。 10现代液压技术张利平主编 . 北京:化学工业出版社,2004年。 附录当微切削AISI 1045钢的晶粒取向和尺寸的影响摘要微观结构上有重要影响的微型切割。本文研究了晶粒尺寸的影响在当微切削和方向的符合美国钢铁协会的1045钢。从实验和有限元(FE)建模观察、分类的削减规模取决于工件材料的晶粒。表面起伏大小可以减少提供来降低颗粒大小和方向的谷物边界是不平行剪切面上当微切削期间。将微观组织成一个铁切削模型产生一个更准确的反应了工件材料的应力-应变行为主要剪切带。关键词:微加工,有限元方法;微观结构。1. 简介研究已经成长。微机械广泛,过去的二十年里,在最近的一个在深度审查已详细1。然而,这个定义的微仍然是相当自由包括功能数以万计的范围纳米几毫米1,2。1045年的微钢铁透露工件显微组织中也扮演了重要的角色在决定当微切削条件实现3。1045年的一个重点钢铁加工研究一些时间同时在宏观和微观尺度下。在宏观的,Dautzenberg雅斯贝尔斯和使用抗压split-hopkinson压力测试和芯片酒吧根切削试验,以确定物料流压力属性符合美国钢铁协会的1045钢4,而戴维斯等人使用这些材料流变应力结果检查测量和预测的温度加工1045年的钢铁5。虽然很多工作已经进入了当微切削特征的研究软和/或纯粹的材料来研究结晶的影响取向6,使用异构等原料作为媒介的碳钢获得了利益。研究表面光洁度和缺陷的时候1045微钢铁材料之间的联系已经表明微观结构和表面光洁度3,9。凹痕,机头,微孔,微裂缝等缺陷已经观察回回加工表面不管切削速度的或流入(机头消失在更高切削速度)10。这些缺陷可以相同的秩序作为特征产生在微。当微切削过程建模的帮助有限元素(FE)已经完成纯等材料铜11和异构钢3,12,但是准确的材料属性仍然是至关重要的成功的任何铁的切削模型13。2. 试验方法学两套微型切削试验介绍了晶粒尺寸的影响和在1045年的当微切削方向AISI钢铁。 这个第一个测试使用1045个钢铁切割规范化的硬度为170布氏硬度),它有一个相对大的微观结构如图1所示的一个。在第二个系列的切削试验,同样的1045个钢铁是使用,但微观结构通过热循环被精炼。结果减少粒度是图1 b所示。在这两种情况下,微观结构包含相对锌铁氧体(D -铁)谷物,和困难(混合的铁素体和珠光体渗碳体(Fe3C)板在板层状结构)谷物。1045年的microstructurally精制钢在图1 b,有硬度为190布氏硬度。粒度细化的1045年的钢铁工件在这通过热循环加热研究涉及原始,1045度到820度钢铁正常化和拿着它那温度2分钟。它当时被允许空气凉爽。这个过程中重复出现过四次总。进一步重复的热循环过程不是必需的,因为它不会产生任何进一步减少粒度14。热循环的结果是减少珠光体晶粒尺寸从 100 P米至 8 P米。几乎没有铁素体晶粒尺寸的变化,这解释了为什么没有显著变化的工件硬度。所有的正交切削试验在车床上进行配有一个4500 rpm 50马力主轴。插入选择是一个锡涂层,碳化钨,可变的三角形的一个角与+ 5度,减轻11度角度和一个刀尖半径的0.1毫米。一个插入被切割沿着它的不同8和10um。在每个削减,被插入更换,以确保尽可能最好的前沿在加工过程中被使用。确保正交切削条件是维护,削减军队测量。径向部队过程中生成的削减被发现是忽视了所有的切断测试。中所有的缺口都是由一系列的切割测试中概述了吗。保持切削速度低,所以结果在未来可能会有微铣实验。图1:符合美国钢铁协会的1045钢显示(a)规范化微观结构,(b)一个精炼的微观结构后4热循环。两个微观结构由珠光体(灰色)和柔和的铁氧体(白色)。 表1:切削试验参数。3. 有限元模型 将一个简单的微观结构工件切削模型的一个铁已经做到了以前的工作来模拟多尺度的加工规范化AISI 1045钢3。 基于这一先前工作,一个新系列的异构铁的切削模型如图2所示,使用了利用ABAQUS:明确TM版本6.4。模型合并更精细和复杂的微观结构。与一个切屑厚度5 u米和10um的结果两个精度、异构、微尺度有限元的切削模型比较结果从微切割模型的规范化的微观结构。在图2的异构模式是由材料 A 和材料“B”部分将意味着来反映精制谷物结构存在于1045年的钢铁之后热循环(一个类似的模型用于未删节晶片厚度的10um)。这两种材料使用率依赖Johnson-Cook(JC)配方模型材料属性拥有A晶粒使用的参数JC配方得到雅斯贝尔斯等人1045钢4。之前的工作的情况两种不同的材料模型材料是由三倍努力而非物质的B吗。与简化网站使用微结构模拟切割规范化的1045多尺度钢以前的工作3、雅致的铁的切削模型更多类似于一个实际的工件微观结构。与晶粒边界很少为导向的正常的飞机的削减更艰难,一个晶粒被传播在一个柔软的材料B矩阵,一个随机的形状和位置。这是预期与几何图形如图2所示,一些结论有关颗粒大小和方向的影响可以提取。接触器在涂层界面使用了一个点球联系算法具有库仑摩擦系数为0.2。为符合美国钢铁协会的1045钢热性能,如热电导率和特定的散热能力,都是相同的材料和b .刀具的假设无限锋利,耙子耙和清除的5度。柔软的材料的大小保持不变断面的B在10um切割音阶,和宽度模拟就削减100 P平面应变条件。建立的存在也被忽视的边缘模型。三种模式将本文中展示的,一个与一个规范化的微观结构在未删节芯片10um的厚度,和两个精美的微观结构在未删节芯片厚度的5和10um。4 结果与讨论多尺度削减1045个钢铁规范化的证明不同的切屑形态发生不同在大规模的削减3。这个定义的规模然而削减是基于的实际大小工件材料的微观结构。1045年对高雅钢显微组织、晶粒尺寸的转变成转变的规模削减和由此产生的切屑形态。表2总结了,过渡宏观之间、中观和微切削发生在一个更小的切屑厚度比1045年削减规范化的钢铁。表2:两种不同类型的芯片形成大小微观结构。C -连续切屑、T -过渡切屑,对于QSEquasi-shear挤压切屑。4.1 成型切削1045年正常化的钢铁,三种截然不同的芯片类型观察总结如表2。这演示了一个联系塑性变形过程芯片形成和材料微观结构。连续芯片形成最终让位给quasi-shear -挤压(对于QSE)芯片的规模削减减少。对于1045年的多尺度加工精制钢同一转移在芯片形成的观察,但不同的芯片类型发生在相应的不同芯片厚度值作为未在图3中高亮显示。过渡芯片时发生的削减规范化的1045个钢铁与未删节芯片厚度为50u m成了一个连续的切削在精切1045年钢铁与相同的足本芯片厚度50um。正如图4表明,切屑的实验切割测试和异构的有限元模型的精致切割金相组织、非常类似。从图4和4 b,对于一个精炼的显微组织、厚度的未切切屑10u m导致过渡切屑而对于QSE芯片未切的厚度时形成的切屑被设置为5u m。类似的相应对高雅的实验性切屑1045年钢铁显示在图4 a和显微组织4 b。对于规范化1045个钢铁、未切切屑10um的厚度正交切削仍然导致了对于QSE切屑如图4所示的c。羽毛状的铁氧体(材料B在有限元模型)的芯片自由表面存在于所有的切屑,但是过渡切屑,羽状物形成小未删节的切屑相比厚度。进行了总结表2中,总是有一个切屑类型作为过渡削减的规模减少了对于一个给定的微观结构。在同时,当比较两个的微观结构,晶粒细化的影响迁移切屑形成机制也是明显的。图2:异构、尺度、精切的铁切割模型的组成材料A和B。图3:当切割形成芯片(a)规范化和标准化(b)精制1045钢显微组织。在这两种情况下不去毛边切屑厚度50um。图4:塑料等效应变导致在芯片阵容异构(a)-(b)精制铁的切削模型(c)规范化铁的切削模型(材料一种灰色,材料B是白色从有限元模型小图)。插图在每一尺度显示一个切屑显微图实验切割测试。切屑厚度下未显示每个图像。从铁切削模型,精化的工件微结构跟着下降最大的塑料观察菌株在芯片的形成。Simoneau等人报道的最大应变和塑性13.5在b粮食交界处涂层界面在当微切屑规范化的显微组织3。从图4 c的规范化的微观结构芯片的足本厚度10um,最大塑性应变11 b的晶粒交界处涂层接口。用精细的微观结构,最大塑料菌株被减少到6.5都未切切屑厚度的5 um和10um。不像当当微切削一个规范化的微观结构,这些网站的最大的塑料应变并不局限于晶界的薄睿拓便是在工具芯片接口,但发生不同的b和在整个削减粮食边界疾病谱中的头号芯片厚度在国内外的主要(PSZ)和二次剪切区(SSZ)。最大应变和塑性下降导致的应变局部化期间发生的塑料变形过程。对于一个大粒度的工件,应变局部化范围仅局限于一个狭小区域沿晶界涂层界面。精制铁的切削模型表明,有权威网站会出现应变局部化,也数量的增加网站的应变局
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