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立式高速火焰噴涂機床設計
Design Of Vertical HVOF Machine
學 院：機械工程學院
專 業(yè) 班 級：機械設計制造及其自動化
摘 要
高速火焰噴涂技術（HOVF）是一種可在零部件表面高效率地形成涂層的工藝方法，該方法具有火焰速度高、涂層結合強度高、致密性好、耐磨等優(yōu)點。
本課題主要是對立式高速火焰噴涂機床進行機械結構設計，依據(jù)技術要求，給出機床的總體設計方案，并完成包括進給機構及主要零部件等的繪制。整機主要包括橫縱向進給機構、立柱、底座、工作臺等主要部件。其中所有進給機構均采用滾珠絲杠螺母副進行傳動，并由伺服電機進行驅動。噴槍安裝在縱向工作臺上，并采用重錘平衡機構保持平衡，使其升降輕便。
本文介紹了高速火焰噴涂機床的組成，全面闡述了高速火焰噴涂機床的結構及設計特點，論述了采用伺服電機和滾珠絲杠螺母副的優(yōu)點。詳細介紹了高速火焰噴涂機床的結構設計及其校核，另外匯總了有關技術參數(shù)。其中著重介紹了滾珠絲杠的原理及其選用原則，系統(tǒng)地對滾珠絲杠生產(chǎn)、應用等環(huán)節(jié)進行了介紹。包括種類選擇、參數(shù)選擇、精度選擇、循環(huán)方式選擇、與主機匹配的原則等。
關鍵詞：熱噴涂；高速火焰噴涂；滾珠絲杠；伺服電機
Abstract
High velocity oxy-fuel (HOVF) technologyis is a process method in the surface of parts efficiently forming coating, the method has the advantages of high flame speed, high strength, high density, good abrasion resistance, etc.
This topic is mainly on vertical HVOF machine tool mechanical structure design, based on technical requirements, given the machine's overall design, and complete including drawing feeding mechanism and major components and the like. Entire machine including horizontal and vertical feed mechanism, column, base, table and other major components. Wherein all feed mechanism are ball screw drive nut carried by the servo motor drive. Gun mounted on the longitudinal table and lifting of weights balancing mechanism to make it light.
This article describes the composition of the high-speed flame spraying machine, a comprehensive exposition of the structure and design features of the high-speed flame spraying machine, discusses the advantages of using servo motor and ball screw nut pairs. Details of the HVOF structural design and verification tools, in addition to a summary of the technical parameters. Which focuses on the principles and selection principles of the ball screw, ball screw system to production, application and other aspects were introduced. Including species selection, parameter selection, precision selection, circulation mode selection, principles and host matches and the like.
Keywords：Thermal Spray;HVOF;Ball screw; Servo motor
目錄
摘 要 I
Abstract II
第1章 緒論 1
1.1 高速火焰噴涂簡介 1
1.2 高速火焰噴涂的發(fā)展現(xiàn)狀 1
1.3 立式高速火焰噴涂機床設計的選題意義 5
1.4 課題研究內(nèi)容 6
1.5 本章小節(jié) 6
第2章 立式高速火焰噴涂機床的總體機械設計 7
2.1 機床的設計要求 7
2.2 設計方案 7
2.3 本章小節(jié) 9
第3章 進給伺服系統(tǒng)的設計與計算 10
3.1 進給伺服系統(tǒng)的設計要求 10
3.2 滾珠絲杠的特點 11
3.3 絲杠的計算 12
3.3.1 滾珠絲杠副的導程計算 12
3.3.2 滾珠絲杠副的載荷計算 13
3.3.3 確定允許最小螺紋低經(jīng) 14
3.3.4 確定滾珠絲杠副得規(guī)格代號 15
3.4 伺服電機的選擇 15
3.4.1 基本原則 15
3.4.2 額定轉速的選擇 16
3.4.3 慣量匹配 16
3.4.4 電機選擇 17
3.3.5 慣量匹配驗算 17
3.3.6 速度的驗算 17
3.5 滾珠絲杠副的安全使用 18
3.5.1 潤滑 18
3.5.2 防塵 18
3.5.3 使用 18
3.5.4 安裝 18
3.6 聯(lián)軸器的選擇 19
3.7 Y軸和Z軸滾珠絲杠及伺服電機的選擇 19
3.8 伺服進給系統(tǒng)結構圖的設計 20
3.9 本章小節(jié) 22
第4章 主要零部件設計 23
4.1 床身結構的設計 23
4.1.1 床身設計的基本要求 23
4.1.2 床身的結構設計 24
4.2 導軌的設計 25
4.2.1 導軌的設計要求 25
4.2.2 導軌的結構設計 25
4.2.3 導軌的防護及潤滑 28
4.3 工作臺的設計 29
4.4 本章小節(jié) 29
第5章 結論 30
參考文獻 31
致謝 33
V
本科生畢業(yè)設計（論文）
第1章 緒論
1.1 高速火焰噴涂簡介
高速火焰噴涂(high velocity oxy-fuel，簡稱HOVF)是在火焰噴涂的基礎上發(fā)展起來的熱噴涂技術[1]，其出現(xiàn)促進了熱噴涂技術的發(fā)展，擴大了熱噴涂的應用范圍[2,3]，與其他技術相比，有許多優(yōu)越性[4]。它是利用丙烯、天然氣、煤油[5]等燃料和氧氣在燃燒室或特殊噴嘴中燃燒產(chǎn)生高溫，將涂料融化或半融化，經(jīng)加速撞擊在被加工體表面沉積形成涂層。從表1-1可以看出，高速火焰噴涂較其它表面噴涂工藝擁有更高的結合強度和硬度，孔隙率及氧化物含量較低等特點。由于HVOF噴槍所產(chǎn)生的粉末顆粒速度相對于其他熱噴涂方法的顆粒速度有明顯提高,使得粉末顆粒從進入噴槍到噴涂至工件表面，進而撞擊基體表面形成涂層的整個過程得到改善[6]。
表1-1 高速火焰噴涂涂層與其它表面噴涂工藝涂層性能比較[7]
工藝
結合強度
厚度
孔隙率
氧化物含量
硬度
應力
電弧線材噴涂
20~40 Mpa
<5 mm
>5%
>3%
中
低
火焰線材噴涂
10~30 Mpa
<3 mm
>10%
>5%
低
中
火焰粉末噴涂
10~30 Mpa
<2 mm
>10%
>5%
低
中
等離子噴涂
30~50 Mpa
<1 mm
>3%
>1%
中
高
HOVF
70~100 Mpa
<5 mm
<1%
<1%
高
中
冷噴涂
30~50 Mpa
<10 mm
<1%
<1%
高
高
HOVF技術的主要特點有:
(1) 火焰速度高，可達1500/s以上[8,9,10]，可將噴涂粒子加速到300~500/s [11]；
(2) 溫度比等離子噴涂低很多，約2760℃[12]，可有效防止噴涂過程中粒子的氧化，特別適合噴涂加熱后易于分解的金屬陶瓷涂層；
(3) 涂層的致密性好，結合強度高(大于70MPa)[13,14]，耐磨性能優(yōu)越。
1.2 高速火焰噴涂的發(fā)展現(xiàn)狀
HVOF技術是在上世紀80年代初期，由美國Borwning公司開發(fā)成功，并且先以JET-KOTE（圖1-1）為商品推出。經(jīng)過幾年的系統(tǒng)開發(fā)，該技術的優(yōu)點逐漸被接受和認識。由此，世界上發(fā)達國家，投入了大量的財力對高速火焰噴涂技術進行研究開發(fā)。于上世紀八十年代末九十年代初期，先后又有數(shù)種高速火焰噴涂系統(tǒng)開發(fā)成功，并投放入市場。如射流槍(J-Gun)，沖鋒槍(Top-Gun)，金剛石射流(Diamond-Jet)，高速空氣燃料系統(tǒng)(HVAF,HighveloeityAir-Fue)，連續(xù)爆炸噴涂(CDS，ContinuouSDetonation Spraying)，等。如圖1-2是目前國際上流行的主要超音速火焰噴槍結構示意圖，其結構是參照火箭發(fā)動機的原理設計的[15]。
燃氣
5
3
2
1
4
1—噴涂槍；2—冷卻水；3—控制箱；4—送粉器；5—氣體供給
圖1-1 JET-KOTE 高速燃氣噴涂系統(tǒng)示意圖
a—擴散型噴嘴；b—收劍型噴嘴；c—前端細圓筒噴嘴；
d—多段噴嘴；e—無噴嘴；f—前端細圓筒噴嘴
圖1-2 目前國際上流行的主要超音速火焰噴槍結構示意圖[16]
1994年,這種設備日本有60多套，歐洲大約有120套，其中德國大約有30套，1995年在日本神戶召開的第14屆熱噴涂國際會議上，以HVOF為主題的論文就達到40篇[17]。在九十年代初期，高速火焰噴涂設備在熱噴涂市場中所占的比例約為3%，到了2000年，該比例達到約25%[18]。據(jù)英國Metallisatio有限公司稱，高速火焰噴涂設備在熱噴涂市場上越來越熱銷。Metallisatio公司認為高速火焰噴設備越來越受到那些尋求耐磨性能更好或耐腐蝕性能的涂層的工程師們的歡迎，因為相對于那些采用較熟悉的常規(guī)噴涂工藝，如: 等離于噴涂、火焰噴涂和電弧噴涂等制成的涂層來說，高速火焰噴涂制成的涂層硬度更高、致密度會更好一些[19]。
Fusion公司現(xiàn)已關閉電鍍Cr生產(chǎn)線而轉向HVOF噴涂，因為這種涂層具有高韌性和高結合強度，完全可以適應部件服役時的彎曲情況。公司總裁Stratton Gillis稱，高速火焰噴涂的費用可與電鍍鉻的價格相競爭，尤其對于大型部件或外形復雜的部件是十分經(jīng)濟的方法。該公司的其它應用還包括化工廠軸承密封區(qū)域聯(lián)接配合件、離心壓縮機轉子和推進軸承配合件等的修復[20]。
到目前為止，我國己陸續(xù)從國外購進了幾臺HVOF設備，如上海的司太立公司引進了美國Stelhte公司的Jet-Kote高速火焰噴涂設備，中國有色金屬研究總院引進了Diamond-Jet系統(tǒng)，鞍山鋼鐵公司引進了Top-Gun系統(tǒng)。此外,西安交通大學于1995年已研制成功了我國自己的HVOF系統(tǒng)(CH-2000)，長安大學、沈陽工業(yè)大學、裝甲兵工程學院、武漢材料保護研究院、北京鋼鐵研究總院、北京欽得新工藝材料有限公司等幾家單位也都在進行這方面研究[21]。
美國近年來在航空發(fā)動機部件如壓縮機葉片，軸承套等上使用HVOF技術已經(jīng)基本實現(xiàn)了標準化，可完全取代以前使用的爆炸噴涂層，旨在降低成本[22]。英國在氣輪機使用HVOF技術在第一級靜葉片上效果很好，可取代昂貴的電子束物理氣相沉積和低壓等離子噴涂層。美國、德國、法國等國家在冶金行業(yè)中大量使用熱浸鍍鋅槽、擠壓輥輪中的有色金屬及沉沒輥二次加工軋輥等應用高速火焰噴涂技術，使其壽命明顯提高[23]。日本鋼鐵工業(yè)應用HVOF噴涂修復退火爐輥，修復率從80年代中期的30%上升到90年代后期的80%，而帶鋼因結瘤等引起的次品率則由85%下降到零[24]。
國際上著名的熱噴涂設備生產(chǎn)公司普萊克斯表面技術公司推出的JP-5000、JP-8000型高壓HVOF系統(tǒng)是當前國際上最為暢銷的HOVF系統(tǒng),目前在國際上已有超過500臺的在役量，這是其他HVOF系統(tǒng)無法比擬的[25]。其中JP-5000系統(tǒng)的5100型CORNOA控制臺，是一閉環(huán)、全自動控制的控制臺,其外形如下圖1-3所示。
1- 冷卻水回路； 2-液體燃料回路；3-氧氣回路；4-送載氣回路
圖1-3 JP-8000系統(tǒng)的8100型HVOF系統(tǒng)控制臺外形圖
1.3 立式高速火焰噴涂機床設計的選題意義
高速火焰噴涂機床作為火焰噴涂工藝的載體，其主要功能是在高速火焰噴涂生產(chǎn)過程中，控制整個噴涂過程，同時還可以通過控制噴槍的速度和噴槍到工件表面距離，從而實現(xiàn)對噴涂寬度和厚度的控制，達到滿足不同性能材料的噴涂要求，最終噴涂出滿足簡單或者極端條件應用需求的涂層。高速火焰噴涂技術是一種比較新型技術，而高速火焰噴涂設備也隨著微控制技術的不斷革新，在不斷地發(fā)生變化。研究和設計出穩(wěn)定性好、快速性好、可靠性高和易操作的高速火焰噴涂機床是生產(chǎn)和發(fā)展的需要。
1.4 課題研究內(nèi)容
本課題主要是對立式高速火焰噴涂機床進行機械結構設計，依據(jù)技術要求，確定機床的總體設計方案，并對其主要結構進行設計,完成橫縱向進給機構及床身、滑座、立柱、工作臺等主要零部件的繪制。
1.5 本章小節(jié)
本章主要講述了高速火焰噴涂技術發(fā)展趨勢及其相關知識，包括熱噴涂的類型，高速火焰噴涂設備的組成部分和工作原理。
第2章 立式高速火焰噴涂機床的總體機械設計
2.1 機床的設計要求
根據(jù)設計要求及常用機床性能，列出以下立式高速火焰噴涂機床主要參數(shù)，用于方案擬定。
工作臺尺寸：600
橫向X軸加工范圍Lx=300，工件線速度0~30m/min
橫向Y軸加工范圍Ly=500
要求性能穩(wěn)定，精度較高，高速高效，結構簡單可靠，可用于噴涂板材以及多種工件。
2.2 設計方案
整機分為床身、基座、立柱、滑座、主軸箱、工作臺、三軸進給驅動機構機械部分?？傃b圖如圖2-1所示。
圖2-1 立式高速火焰噴涂機總裝圖
床身是機床設計的基礎，床身的尺寸設計影響著機床的設計，而且設計的合理性直接影響到機床的剛度。床身用來固定和支撐機床上的各個部件，頂面有供滑座移動的導軌。基座的設計是在床身完成后完成的，而立柱安裝在床身一側，按照主軸的中心盡量貼近橫梁上的導軌面為原則，并把Z軸驅動安裝位置設計在立柱上，有效地減輕滑座的重量。
因滾珠絲杠傳動效率高，摩擦力小，精度高，三軸進給驅動機構均采用滾珠絲杠螺母副將。這樣設計使可以機床的整體進給性能得以協(xié)調(diào)，各軸的進給力和進給速度得到了最佳匹配。驅動電機采用永磁同步交流伺服電機，其特點是可以通過軟件簡單精準的對速度、轉矩進行控制，將伺服系統(tǒng)的性能發(fā)揮到最大，其伺服驅動器連接圖如圖2-1。
圖2-2 伺服驅動器連接圖
噴槍的上下垂直運動Z軸同樣采用滾珠絲杠副傳動。關于Z 軸的安全問題，首先選用帶電磁剎車的伺服電動機，其次為防止?jié)L珠螺母自轉引起噴槍機械式下垂，使噴槍升降更輕便，采用了重錘平衡機構。
2.3 本章小節(jié)
本章主要講解了立式高速火焰噴涂機床的總體方案設計，其主要內(nèi)容為機械部分的設計，根據(jù)所給要求制定出了總體設計方案。
第3章 進給伺服系統(tǒng)的設計與計算
3.1 進給伺服系統(tǒng)的設計要求
機床的位置調(diào)節(jié)對進給伺服系統(tǒng)提出了很高的要求。其中在靜態(tài)設計方面有：
(1)能夠克服摩擦力和負載；
(2)很小的進給位移量；
(3)高的靜態(tài)扭轉剛度；
(4)足夠的調(diào)速范圍，滿足快進和工進的需要；
(5)進給速度均勻，在速度很低時，無爬行現(xiàn)象。
在動態(tài)設計方面的要求有：
(1)具有足夠的加速和制動轉距，以便快速地完成啟動和制動過程。
(2)具有良好的動態(tài)傳遞性能，以保證在加工中獲得高的軌跡精度和滿意地表面質量；
(3)負載引起的軌跡誤差盡可能小。
對于數(shù)控機床機械傳動部件則有以下要求：
(1)被加速的運動部件具有較小的慣量；
(2)高的剛度；
(3)良好的阻尼；
(4)傳動部件在拉壓剛度、扭轉剛度、摩擦阻尼特性和間隙等方面具有盡可能小的非線性。
伺服系統(tǒng)總體設計方案如圖3-1。
圖3-1 伺服系統(tǒng)總體設計方案
3.2 滾珠絲杠的特點
在機床的設計中，滾珠絲杠是將回轉運動轉化為直線運動，或將直線運動轉化為回轉運動的理想的產(chǎn)品。滾珠絲杠由螺桿、螺母和滾珠組成。它的功能是將旋轉運動轉化成直線運動，這是滾珠螺絲的進一步延伸和發(fā)展，這項發(fā)展的重要意義就是將軸承從滾動動作變成滑動動作。由于具有很小的摩擦阻力，滾珠絲杠被廣泛應用于各種工業(yè)設備和精密儀器[26]。
滾珠絲杠是工具機和精密機械上最常使用的傳動元件，其主要功能是將旋轉運動轉換成線性運動，或將扭矩轉換成軸向反覆作用力，同時兼具高精度、可逆性和高效率的特點。
滾珠絲杠的特點：
(1)與滑動絲杠副相比驅動力矩為1/3
由于滾珠絲杠副的絲杠軸與絲杠螺母之間有很多滾珠在做滾動運動，所以能得到較高的運動效率。與過去的滑動絲杠副相比驅動力矩達到1/3以下，即達到同樣運動結果所需的動力為使用滾動絲杠副的1/3。在省電方面很有幫助。
(2)高精度的保證
滾珠絲杠副是用世界最高水平的機械設備連貫生產(chǎn)出來的，特別是在研削、組裝、檢查各工序的工廠環(huán)境方面，對溫度、濕度進行了嚴格的控制，由于完善的品質管理體制使精度得以充分保證。
(3)微進給可能
滾珠絲杠副由于是利用滾珠運動，所以啟動力矩極小，不會出現(xiàn)滑動運動那樣的爬行現(xiàn)象，能保證實現(xiàn)精確的微進給。
(4)無側隙、剛性高
滾珠絲杠副可以加預壓，由于預壓力可使軸向間隙達到負值，進而得到較高的剛性(滾珠絲杠內(nèi)通過給滾珠加預壓力，在實際用于機械裝置等時，由于滾珠的斥力可使絲母部的剛性增強)。
(5)高速進給可能
滾珠絲杠由于運動效率高、發(fā)熱小、所以可實現(xiàn)高速進給(運動)。
滾珠絲杠副的精度是影響機床的定位精度及重復定位精度的最主要的因素。為了在機床的設計中更合理的選用滾珠絲杠副，使其充分發(fā)揮效能，必須進行一系列的計算。
3.3 絲杠的計算
3.3.1 滾珠絲杠副的導程計算
工作臺橫向X軸行程300mm，速度為0~30m/min，伺服電機最大轉速為3000r/min,，算得其導程為：
(3-1)
式中: Ph——絲杠導程，mm；
vmax——工件最大速度，m/min；
inmax——電機最大轉速，r/min。
3.3.2 滾珠絲杠副的載荷計算
(1)最小載荷
機床空載時滾珠絲杠副的傳動力，如工作臺重量引起的摩擦力
(3-2)
式中: Fmin——最小載荷，N；
f——摩擦力系數(shù)；
G——滑座及工作臺重力，N。
(2)最大載荷
選機床承受最大負荷時滾珠絲杠的傳動力。如機床切削時，切削力在滾珠絲杠副軸向的分力與導軌摩擦力之和即為Fmax（這時導軌摩擦力是由工作臺、工件、夾具三者總的重量以及切削力在垂直導軌方向的分量共同引起的）。
(3-3)
式中: Fmax——最大載荷，N；
Fc——夾具重量，N；
Fp——工件重量，N。
(3)平均載荷
平均載荷為：
(3-4)
(4)當量載荷
工作臺進給速度為0~30m/min，故平均轉速為：
(3-5)
絲杠的工作壽命取為10000h。故：
(3-6)
當量動載荷
(3-7)
式中:fw——負荷系數(shù)；
fa——精度系數(shù)。
3.3.3 確定允許最小螺紋低經(jīng)
絲杠要求預拉伸，取兩端固定的支承形式
(3-8)
式中:——最大軸向形變量，um；
L——行程，mm；
F0——靜摩擦力，N。
3.3.4 確定滾珠絲杠副得規(guī)格代號
查《機械設計師手冊》，選型號為JCS3210-4的絲杠。額定動載荷為。符合要求。絲杠直徑為32mm，導程10mm。滾珠絲桿及螺母副結構如圖4-1。
圖4-1滾珠絲桿及螺母副結構圖
3.4 伺服電機的選擇
3.4.1 基本原則
(1) 考慮電動機的主要性能（啟動、過載及調(diào)速等）、額定功率大小、額定轉速及結構形式等方面要滿足生產(chǎn)機械的要求。
(2) 在以上前提下，優(yōu)先選用結構簡單、運行可靠、維護方便又價格合理的電動機。
(3)安裝方式：立式和臥式
(4)防護方式：開啟式、封閉式、防護式、防暴式。
(5)額定電壓 交流380～220V，或根據(jù)需要配變壓器。
3.4.2 額定轉速的選擇
根據(jù)生產(chǎn)機械的具體情況來選擇要求重復、短時、正反轉工作的生產(chǎn)機械，除應選擇滿足工藝要求的電動機額定轉速外，還要保證生產(chǎn)機械達到最大的加、減速度的要求而選擇最恰當?shù)貍鲃友b置，以達到最大生產(chǎn)率或最小損耗的目標。一般都是直接傳動，而不是減速器。
3.4.3 慣量匹配
工件和工作臺的最大質量為3000kg,折算到電動機軸，其慣量為
(3-9)
式中:m——工件和工作臺的重量，kg；
v——速度，m/s；
w——角速度，rad。
絲杠慣量：絲杠直徑32mm，決定長度為920mm。
(3-10)
式中:d0——絲杠直徑，mm；
l——絲杠長度，mm；
——密度，取7.85103kg/m3。
負載慣量為：
(3-11)
最大切削負載轉矩：
(3-12)
3.4.4 電機選擇
選伺服電機SM110-040-30LFB：
最高轉速：3000；
額定轉距：4；
轉子慣量：0.6510-3；
功率：1.2kw；
重量：5.2kg。
3.3.5 慣量匹配驗算
(3-13)
(3-14)
慣量滿足匹配要求。
3.3.6 速度的驗算
高速長絲杠工作時可能發(fā)生共振，因此驗算其不會發(fā)生共振的最高轉速ncr。
(3-15)
絲杠平均轉速nav
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