毕业设计说明书（论文）中文摘要
毕业设计说明书（论文）外文摘要
目录
摘要 (i)
Abstract (ii)
前言 (1)
第一章钛合金叶片砂带磨削 (2)
1.1 钛合金叶片特性 (2)
1.2 飞机发动机工作原理 (2)
1.3 砂带磨削 (4)
1.3.1 砂带磨削机理与特点 (4)
1.3.2 砂带 (6)
1.3.3 砂带磨削的基本形式 (8)
1.3.4 砂带磨削的主要类型 (8)
1.3.5 砂带磨削的应用范围 (9)
1.3.6 国内外砂带技术的发展及应用 (9)
1.3.7 砂带磨削技术的发展方向 (10)
第二章磨头装置设计 (12)
2.1 总体方案设计 (12)
2.1.1 磨头结构方案 (12)
2.1.2 总体方案拟定 (15)
2.2 结构设计 (17)
2.2.1 电机的选择 (17)
2.2.2 传动计算 (17)
2.2.3 接触轮设计 (19)
2.2.4 砂带张紧快换机构 (22)
2.2.5 砂带选择及其调偏装置 (23)
2.2.6 砂带张紧力的设计计算 (26)
2.2.7 接触轮轴的强度校核 (26)
第三章运动仿真分析 (30)
3.1 VERICUT仿真软件介绍 (30)
3.2 三维造型 (30)
3.2.1 叶片造型............................................................................. 错误！未定义书签。1
3.2.2 磨头三维结构 (38)
3.2.3 夹具结构 (38)
3.2.4 机床整体模型 (40)
3.3 UG仿真输出机床程序文件 (41)
3.4 VERICUT机床仿真加工 (43)
3.5 仿真结果及讨论 (45)
第四章总结与展望 (49)
4.1 总结 (49)
4.2 展望 (49)
参考文献 (51)
致谢 (52)
前言
随着世界航空工业的高速发展，航空燃气涡轮发动机所装用的叶片数量越来越多，工作条件越来越恶劣，且因气体动力性要求叶片不规则的空间复曲面越来越复杂，这给叶片加工技术提出了严峻考验，给叶片研制和制造质量的保证带来了更大挑战。当前，世界上叶片型面磨削加工普遍采用的传统机械专用加工设备存在不适应多品种小批量产品的生产，修改工艺需要较长时间和较多费用，产品试制周期特别长、产品质量不稳定、容易发生叶片烧伤等诸多问题，严重削弱了制造企业参与市场竞争的能力。为了缩短叶片研制与生产周期，提高叶片加工质量及加工效率，降低叶片生产成本，增强企业参与市场竞争的能力，提高涡轮发动机叶片的工作可靠性，本文运用数控加工原理，经过反复研究和探索，对数控砂带磨削机床磨头装置进行了深入研究，并利用UG和VERICUT软件对叶片进行加工仿真。
第一章钛合金叶片砂带磨削
1.1 钛合金叶片特性
叶片是航空发动机的重要零件，结构复杂，精度要求高，其加工质量显著影响着整机的工作性能。由于叶片材料要求有足够的机械性能、高的化学稳定性、比较高的抗机械磨蚀性能、低的热膨胀系数及良好的减振性，所以通常由具有一定强度的难加工材料制成，如不锈钢、钛合金、镍合金等，这类材料含有高温合金元素，工艺性较差。而叶片型面是叶片的关键部位，通常由复杂曲线组成空间曲面，因此其加工难度更大了[1]。
钛合金的发展是第二次世界大战后开始的。50多年来钛合金的应用得到了迅速发展，并始终与航空、航天工业密切联系在一起。随着航空、导弹、火箭及空间技术的发展，国际上80%以上的钛合金应用在这些领域[2]。
很多航空发动机压气机叶片采用钛合金材料。钛合金与不锈钢相比，其可磨削性较差，因此用砂轮磨削钛合金非常困难。但钛合金砂带磨削的情况却大不一样，这是由砂带自身构造特点及磨削特性所决定的。在磨削钛合金（如TC4）时，在同等条件下，碳化硅砂带比氧化铝砂带的相对切除率高25%~60%。这是因为碳化硅磨粒硬度大，脆性也比较大，在磨粒容屑空间堵塞后，磨削力增大，使磨粒及时破裂并形成新的锋刃，可保持较好的磨削能力；其次，碳化硅磨粒与钛合金的亲合力不如氧化铝磨粒强，因而磨削在磨粒上的粘附力不强，砂带的粘附不像刚玉砂带那样严重。
由于钛合金塑性和韧性大，摩擦系数大，化学亲合力强，导热系数小，磨削度高，因而磨削时极易形成粘屑，进入滑擦时，在高温高压下，粘附物涂附于工件表面极易发生烧伤。所以砂带磨削钛合金时工件表面质量的主要问题是磨削烧伤。试验表明，适当降低砂带磨削速度，采用合适的磨削助剂可减轻和避免工件烧伤。
1.2 飞机发动机工作原理
现代涡轮喷气发动机的结构由进气道、压气机、燃烧室、涡轮和尾喷管组成。发动机工作时，空气首先进入的是发动机的进气道，进气道后的压气机是专门用来提高气流的压力的，空气流过压气机时，压气机工作叶片对气流做功，使气流
的压力，温度升高。从燃烧室流出的高温高压燃气，流过同压气机装在同一条轴上的涡轮。燃气的部分内能在涡轮中膨胀转化为机械能，带动压气机旋转。从涡轮中流出的高温高压燃气，在尾喷管中继续膨胀，以高速沿发动机轴向从喷口向后排出。
图1.1 飞机发动机
图1.2 飞机发动机结构图
图1.3 飞机发动机工作原理
1.3 砂带磨削
1.3.1 砂带磨削机理与特点
砂带是一种用粘结剂将磨料粘结在柔软的基体上的特殊磨具（取代砂轮）。砂带所选用磨料大都为精选的针状磨粒，粒度均匀，长宽比一般大于1.5，磨粒棱角比较明显，即磨粒微刃具有正前角与较小的负前角，故微刃锋利，切除率高。经静电植砂后，磨料以定向排列，呈单层均匀地分布在基体表面。磨粒重叠、堆积较少，磨粒分布等高性好。通过改变植砂条件可以控制磨料植砂密度，以调整磨粒之间空隙，利于排屑和容屑。砂带的周长与宽度一般比固结砂轮大得多，在单位时间内，磨料接触工件的次数减少，同时，磨粒对工件既有切削作用，又有刻划与滑擦作用。前颗磨粒在工件表面上所留下的切削沟痕边缘及因刻划而产生的塑性变形，又被后一颗磨粒切削、刻划、滑擦，实现砂带对工件连续的磨削加工。由于砂带固有的特点，在砂带与工件接触区同时投入磨削的磨粒多，且锋利，故磨削除效率高于固结砂轮，产生的磨削热少。且因磨粒之间分布空隙及磨粒在空间与空气接触时间长，易于磨削热扩散，故砂带磨削温度低，对工件表面磨削降低。由于砂带具有柔软性且磨削速度稳定，加上具有弹性的橡胶接触轮，对振动影响不敏感，易实现高稳定性磨削加工，获得高的加工精度和表面质量。所以砂带磨削与固结砂轮的磨削相比具有高效磨削、“冷态”磨削、弹性磨削的突出特点，具有广泛应用范围，可补充或部分代替砂轮磨削[3]。
砂带磨削基本要素如图1.4所示。
图1.4 砂带磨削基本要素
砂带套在传动轮、接触轮的外表面上，并使砂带张紧和高速运动，根据工件形状和加工要求，以相应接触方式和适当磨削参数对工件进行磨削或抛光。
砂带磨削的基本部件有：
(1) 主轴传动装置。有单速或具有较大灵活性的变速传动，有时装有可逆电动机，以改变砂带的运动方向。皮带速度为10～50m/min,通常取16～30m/min，主传动装置的功率，在每10mm宽的砂带上是0.3～0.7kW。
(2) 砂带张紧装置。保持磨削及导向时砂带的适当张力在砂带磨削过程中起到重要作用它影响到砂带的切削性能和加工零件表面粗糙度。当增加砂带拉力时，可提高金属切除量，但同时也提高表面粗糙度值和磨料覆盖层的消耗量。经试验表明，砂带的张力在6～8N/mm范围内，在逆磨削时每次行程能切出最大的金属量。拉紧机构有各种形式，从简单的机械或弹簧方法到宽砂带与重负载磨削机床用的气动及液压拉紧装置。同时，为了获得最大的生产率，必须使更换砂带的时间最少，通常操作者能在1min之内更换砂带。
(3) 砂带导向装置。砂带工作时，惰轮或张紧轮应当可以调整，使砂带定位及对中，根据砂带的宽度，这一装置可以手动或自动。砂带宽度大于200mm时，通常使用自动导向装置，使接触轮与张紧轮之间的砂带自动对正。
(4) 接触轮。接触轮在磨削点上支承砂带，其本体是用铝或钢制成，轮上覆盖橡胶、纤维、毛毡或其它材料制造的弹性圈(厚度为3～15mm)。根据需要，可制成各种密度橡胶轮，轮的表面制成交错开槽式或平滑式。使用各种橡胶化合物作为接触轮的覆盖面，以满足一定的磨削要。这些化合物包括：氯丁橡胶、乙烯树脂、硅酮橡胶、氯硫酸化聚乙烯合成橡胶。
(5) 若在砂带后面安装一块型板(钢、硬质合金或铸铁平板)来代替接触轮，则可完成磨边、四边形、端面、平面及精磨工作，保证零件的平面度或直线性。此外还有吸尘系统等[4]。
1.3.2 砂带
作为砂带磨削的核心元件——砂带是用粘结剂将磨粒粘结在纸、布等挠性材料上制成的带状工具。它是涂附磨具的高级形式，其基本组成：基材、磨料和粘接剂，称为砂带三要素。
图1.5 砂带组成
砂带按不同划分标准可分为许多种类，见图1.6。
砂带
基材
磨料粘结剂结构材质：纸、布、复合基材、无纺布基材处理：耐水、不耐水
种类：天然磨料、人工磨料
粒度：粗、中、细、微粉
植砂方式：重力植砂、静电植砂植砂密度：疏型、密型
种类：动物胶、植物胶
结合强度：硬、软
形状：开式、闭式
尺寸：宽度、长度
图1.6 砂带分类
这里我们仅对影响砂带质量变革的静电植砂砂带作简述：静电植砂是利用高压静电吸附原理使磨粒极化上吸，并按其自身长轴方向嵌入粘胶层中，从而形成排列整齐、分布均匀的磨粒层。静电植砂砂带磨粒是经过精心选择的呈长棱形，且刃尖朝外，因而切削锋利，磨削效率高；容削排削空间大，不易堵塞，加工发热少；植砂密度易于控制，且分布均匀；加工表面质量好；粘结效果好，寿命大大提高。是砂带磨削采用的主流产品。
1.3.3 砂带磨削的基本形式
总体上，砂带磨削可分为开式和闭式两类。开式砂带磨削主要用于精密和超精密加工中；闭式砂带磨削广泛应用于高效强力砂带磨削和精密磨削中，是较为常用的形式。根据加工需要这两类又都可以分为接触轮式、压磨板式和自由带式三种基本磨削形式，如下表所示。
表1.1
应当指出，上述三种基本形式在实际应用中并非绝对孤立地被采用，结合具体情况，设计二种或三种形式复合在一台设备上使用，可能会大大发挥砂带磨削的多重作用。
1.3.4 砂带磨削的主要类型
砂带磨削按操作方式可分为手动磨削和机动磨削。手动磨削按操作者手握对象又可分为手持机器（如手枪式或手提式砂带机）磨削和手持工件磨削（如在万能砂带机上打磨汤匙类小件）。
按磨削力的施加方式可分为恒力砂带磨削和恒切除率砂带磨削。
按加工过程有无冷却液可分为干磨和湿磨。
按加工面形状一般可分为平面、外圆、内圆和异型曲面四大类砂带磨削。1.3.5 砂带磨削的应用范围
砂带磨削的诸多优点决定了其广泛的应用范围，并有万能磨削工艺之称。从日常生活用具到工业产品生产的各行各业无不竞相采用，砂带磨削几乎遍及了所有加工领域。其应用范围之广泛，形式之多样式其他加工方法难以相比的。（1）砂带磨削几乎能加工所有的工程材料。除了加工砂轮能磨削的材料之外，还可以加工铜、铝等有色金属及皮革、木材、橡胶、尼龙和塑料等各种非金属材料。特别是对不锈钢，钛合金和镍合金等难加工工程材料，更能显示出其独特的优势。
（2）砂带磨削除了能加工常规尺寸的各种形状如平面、外圆、内圆和异型曲面的工件外，其优越性还体现在对非常规尺寸的各种形状的工件上。
○1目前所用砂轮的最大宽度仅为1000mm，而砂带宽达4.9m的砂带磨床已经投入使用。砂带宽度选择范围极广，使得砂带磨削可广泛用于钢板、不锈钢板、铝板、铜板、硅钢片、计算机硬盘、刨花板、胶合板、纤维板、木板、皮革、绝缘胶木板、陶瓷板、大理石板以及宇航器具，舰船等大型板材的加工。
○2可对金属带材、线材进行连续磨抛加工，如对成卷的铜、铝、不锈钢线材、带材加工、锯片加工等。具有效率高，质量稳定可靠。
○3可对外径及长径比很大的内、外圆进行磨抛，如各种大型反应釜筒体、石油管道、锅炉等内、外表面加工。长径比极大的轴类、管类零件内、外圆抛磨。要求较高的各型轧辊，电机转子和活塞杆等的精密加工等。
○4可对复杂异型曲面加工，如发动机、汽轮机叶片、导航叶片、聚光镜灯碗、反射镜、餐具手柄、水暖器具、反应釜封头等[5]。
1.3.6 国内外砂带技术的发展及应用
欧美等工业发达国家自20世纪60年代就开展了砂带生产线的研制工作，砂带实现自动化生产则可追溯到20世纪70年代。当时已开始采用静电植砂、水溶性树脂、固化后多向柔曲和搭接，对砂带等工艺进行了大规模的工业性生产。随
后出现的抗破碎性强的锆刚玉磨料，为砂带大规模进入数控加工领域铺平了道路。到了80年代，一种具有划时代意义的磨料——陶瓷刚玉磨料，为重载强力和超长寿命砂带的制造奠定了基础。90年代至今，随着人们对砂带品种和性能要求的不断提高，各类高档强力、精细和特殊形态的砂带先后被研制出来。目前国际知名的公司有美国3M，德国VSM、Klingspor、Hermes，法国Saint Gobain （美国的Norton公司已并入该公司），瑞士Sancape，日本野牛NCA、Riken Corundum和韩国高丽研磨等，它们的产品代表了当今世界砂带研究和制造的最高水平。
国内砂带磨削技术的研究始于20世纪50年代末期，由航空工业部门引进苏联的仿形窄砂带磨床加工航空发动机叶片开始。砂带发展也大体经历了3个阶段，第1阶段是70年代及以前，主要是自主开发，砂带质量和产量都相当有限。第2阶段是80年代至90年代初，以白鸽、上砂为代表的7家磨料磨具制造企业先后从国外引进砂带成套技术设备，使砂带制造从数量到质量都有了突飞猛进，并使我国成为中低档砂带的出口大国。第3阶段是90年代末至今，国内厂家纷纷开展国际合作、转换国外半成品砂带和加快引进新技术新设备。同时，国外企业如美国3M、法国Saint Gobain、韩国高丽等也先后来中国建立涂附磨具生产基地或砂带转换生产线，在一定程度上促进了国内砂带制造技术的发展[6]。
1.3.7 砂带磨削技术的发展方向
（1）继续提高生产效率。提高磨削速度和增大机床功率。长期以来，砂带磨床的砂带工作速度一直停留在20m/s~30m/s。据美国制造工程学会研究报告说，100m/s的高速砂带磨床已在试验[7]。在过去较长一个时期，机床功率从每一平方英寸砂带面积4.4kW~7.5kW，到了70年代已提高到18.5kW~26kW，机床功率现如今为200kW以上的已屡见不鲜，为提高金属切除率，机床的功率必将增大。
发展宽砂带磨削，扩大宽砂带磨床的使用范围。目前，最大宽度的砂带磨床可磨削4.9m宽的平面。据报导，宇航器具、大型舰艇、高能物理的研究和应用都要大量使用高精度、高粗糙度精度的板材。提高板材加工效率的途径就是要发展宽砂带磨床。
（2）提高加工精度。西德瓦德里希科堡厂在砂带磨床上大量采用高精度常
规磨床的结构。美国森斯特兰厂的砂带磨床，按照砂带磨削工作地特性，设计相应的专用部件以便提高机床的加工精度。但就砂带磨床本身来说，砂带制造精度的提高，同样是很重要的。
第二章磨头装置设计
2.1 总体方案设计
2.1.1 磨头结构方案
砂带磨削性能取决于砂带磨削设备的设计和制造水平。而磨头又是设备中影响磨削加工质量和效率最为关键的因素。一般的砂带磨头都由接触轮（压磨板）、张紧轮或驱动轮、砂带等主要部件和张紧快换机构、调偏机构和防（除）尘装置等功能部件组成。
首先我们参考一下当今工程中应用的各种砂带磨头结构。
图2.1 2M5102型砂带车床磨头
图2.2 2M5106A型砂带车床磨头
图2.3 2M5101型砂带车床磨头
图2.4 2M5110-2型双头砂带外圆抛光机
图2.5 2M5315型传送带式平面砂带磨床
图2.6 2M5202型气动手持式砂带打磨机
图2.7 2M5205型电动手持式砂带打磨机
图2.8 2M5306型砂带焊缝打磨机