抛光机毕业设计

毕业设计（论文）任务书
摘要
抛光是指利用机械、化学或电化学的作用，使工件表面粗糙度降低，以获得光亮、平整表面的加工方法。

是利用柔性抛光工具和磨料颗粒或其他抛光介质对工件表面进行的修饰加工。

抛光是进行金相观察与实验过程中必不可少的重要一步，在冶金、金属热处理等方面有重要意义。

要获得较好的金相观察效果对抛光质量要求较高，然而现在所使用的抛光机以实验室小型较多，抛光截面较小、抛光质量较差，不能满足大型截面的抛光需求。

为了更好的研究铸坯的质量，引用高倍和中倍观察需设计一系列抛光机满足抛光质量要求。

本课题设计一合适抛光较大截面的卧式抛光机。

本文从介绍抛光机的应用、特点、原理到发展前景。

首先对整机的设计方案进行比较选择，其中对于主轴与抛光轮连接及工作台的驱动传动方案选择进行了设计、比较和选择。

另外简单介绍了零部件在箱体内的安排布局。

文章对传动系统、零部件设计选择以及校核作了详细说明与计算，以确保机床能正常进行。

在最后对冷却系统进行了简单介绍与设计。

关键词：抛光；卧式抛光机；方案设计；设计校核；冷却系统。

Abstract
Polishing is a processing method using the effect of machinery chemistry，or electrochemistry. It is to reduce the surface roughness and make them smooth and shiny. It is a very important and necessary step in the metallographic observation and experiment process, and in metallurgy, metal heat treatment has the important meaning. To gain a good metallographic observing effect of polishing quality request is higher, but now the most use of polishing machine kinds are small which used in the laboratory. Polishing section is smaller, polishing quality is poorer, can’t meet the demand of large cross-section polishing. In order to improve the study quality of the casting, use high multiples and middle multiples are must, so we need to design a series of polishing machine meet polishing quality requirements. This subject is based on grinding machine working principle to design a suitable for polishing larger section vertical polishing machine.
This paper introduces the application of polishing machine, characteristics, principle and development prospect. At first the design are compared to choice the best one. Among them for spindle and polishing wheel connection, the drive and transmission of workbench scheme selection are designed, and comparison, selection, also introduced the parts in the cabinet arrangement layout. The article on the transmission system, component design choice and the check detailed descriptions and calculation, to ensure the machine can work normally. The last of cooling system are introduced in brief and design.
Key words:polishing; vertical polishing machine; project design; design and check; cooling system.
目录
摘要 (I)
Abstract (II)
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第1章绪论. (V)
1.1 抛光及抛光机的概述 (V)
1.2抛光机的工作原理............................................................................... V II
1.3主要设计内容 (VIII)
第2章方案设计及电动机选用 (IX)
2.1 主电机与抛光轮的连接设计 (IX)
2.2 移动工作台与工作台电机间的连接设计 (X)
2.3电动机的选择 (XI)
第3章主要零件的设计及校核 (XIX)
3.1抛光轮的设计与选择 (XIX)
3.2 抛光膏的选择 (XXIV)
3.3 齿轮齿条的设计 (XXIV)
3.4 导轨与工作台的结构设计 (XXVII)
3.5 主轴的设计与校核 (XXIX)
3.6 齿轮轴的设计与校核.................................................................... X XXV
3.7 各轴段联轴器的选择................................................................ X XXVIII
3.8 键的选用及校核.................................................................................. XL
3.9 行程开关的选择............................................................................... X LI
3.10 轴承的选用与校核........................................................................ XLIII
3.11 工作台往复驱动 (43)
第4章冷却系统......................................... XLVIII
4.1冷却液作用.................................................................................... XLVIII
4.2冷却液用量.............................................................................................. L
4.3 冷却液泵 (47)
4.4 冷却液箱 (48)
参考文献................................................................................ 错误!未定义书签。

致谢........................................................................................ 错误!未定义书签。

附件1 ..................................................................................... 错误!未定义书签。

附件2 ..................................................................................... 错误!未定义书签。

第1章绪论
1.1 抛光及抛光机的概述
1.1.1 抛光的意义
目前机械工业正面临着朝高速、自动、精密方向迅速发展。

在机械产品的设计和制造过程中，所遇到的金属和材料热处理方面的问题日益增多，机械行业与金属材料即热处理之间的关系愈加密切。

实践证明，合理的选用金属材料，适当确定热处理工艺妥善安排工艺路线对充分发挥金属材料本身的性能潜力保证材料具有良好的加工工艺性能，获得理想的使用性能提高产品零件的质量，节省金属材料降低生产成本等方面有着重要的意义。

实际工作中，往往由于选材不当或者热处理不妥是机械零件的使用性能达不到规定的技术要求，而导致生产过程中发生早期损坏如产生变形、断裂或磨损等。

因此，金属材料及热处理对机械制造工作者来说是必须具备的。

而金属材料的具体结构和性能可以通过对金相的观察及研究来了解，因此获得清晰地金相图对金属材料的研究有着非常重要的意义。

为了在金相显微镜下正确有效地观察到内部纤维组织，金属式样必须先经过精心的制备，主要程序有取样、镶嵌、磨制、抛光、侵蚀等。

金相试样的制备是通过切割机、镶嵌机、磨/抛光机来完成的，金相试样的最终质量是由抛光工序决定的，抛光是金相制样过程中至关重要的一环。

抛光时将试样上磨制产生的磨痕及变形层去掉，使其成为光滑镜面的最后工序。

抛光试样的方法有机械抛光、电解抛光、化学抛光以及复合抛光等。

机械抛光是现阶段应用最为广泛的抛光方法，其正确的工艺和操作方法是在保证获得优质的试样和其他条件（如边缘保留及石墨和夹杂物保留等）的情况下具有最高的抛光速率选择可靠性高的金相试样抛光机，可以提高制样效率和质量，减少试样废品率，从而降低成本，提高经济效益，获得试样质量的高度一致性。

1.1.2金相试样的抛光方法
试样在抛光前要先经过磨制，磨制好的试样表面有细的磨痕，还不能有效观察侵蚀后的组织，因此必须将磨痕完全抛去，使表面达到光亮的镜面那样的光洁度，从而满足显微观察的要求。

抛光后的表面在200倍的显微镜下观察基本上没有磨痕和磨坑。

目前，市场上的抛光机主要是简易的，抛光机的金属截面较小，不便对截面积较大的截面进行抛光作业。

对于截面较大的试样一般采取切割分块分别抛光然后在组合观察，这样就不可避免的影响观察质量。

因此设计一种能对截面较大的试样进行一次性抛光的机械是非常有必要的。

抛光的方法只要有机械抛光法、点解抛光法及化学抛光法等。

机械抛光法
机械抛光法是一种常用的方法，是在专用的金相试样抛光机上进行，转速一般以200~300r/min 为宜。

在抛光盘上装有抛光用织物（如粗抛用帆布、细抛用呢料、绒布、金丝绒。

绸布等）。

抛光时应在织物上含有适量的抛光用磨料。

常用的抛光用磨料是32O Cr 粉32O Al 粉的水悬浮液，一般是1L 水加入5g 32O Al 或10~15g 32O Cr 。

抛光时试样表面应保持适当湿度，通常可用表面在空气中3~5s 能将水膜蒸发的湿度为宜。

抛光前应将试样磨圆滑，以便保护织物不被刮破及试样飞出。

化学抛光及化学机械抛光
化学抛光是依靠化学试剂对试样进行选择性溶解作用将磨痕去除的一种方法，如1~2g 草酸、2~3mL 氢氟酸、40mL 过氧化氢、50mL 蒸馏水的化学试剂。

对碳钢、一般低合金钢的退火、淬火组织进行化学抛光，效果较好。

此方法用于没有机械抛光设备的情况。

化学抛光总是不太理想，若与机械抛光相结合，利用化学抛光剂边腐蚀边机械抛光可以提高抛光效能。

电解抛光
电解抛光是在一定的电解液中进行的。

试样作阳极，选用耐腐蚀金属材料为阴极。

在接通电源后，阳极表面产生选择性溶解，逐渐使阳极表面的磨痕消去。

通常认为，电解抛光时在阳极表面与电解液之间将形成一层具有电导率的薄膜层。

试样表面高低不平，致使这层薄膜的厚度不均匀。

表面凸出部分的薄膜比凹下去的部分显然要薄一些，因此凸出部位的电流密度大，此处阳极溶解快，凸出部位渐趋平坦。

本设计是基于机械抛光来设计一种抛光机，来方便截面积较大的试样的抛光。

1.1.3抛光机研制现状
目前，就抛光机设计而言，仍面临许多急待突破的技术难题，主要表现在以下几个方面：
a.抛光方式的研究先进的金相试样抛光机，需要有先进的理论作指导。

目前，有关金相试样抛光机的理论著作过于老化，新理论和学术研究性文章比其他机械技术理论少，且深度不够，学术价值低，这给新机型的开发研制带来了困难。

理论研究是今后有待深入探讨的关键内容之一。

b.冷却方式的研究多数试样抛光方法最重要的特点是抛光时产生高温，会造成金相组织发生变化，给金相分析造成困难因而，金相取样时必须进行充分冷却。

通常使用的冷却液为水，冷却试样靠自来水压力注射，冷却程度的好坏直接关系到试样的切割质量。

目前，关于试样抛光的冷却方式的专题研究成果还未见报道。

c.控制方法的研究在处理复杂系统控制问题时，传统控制方法对于复杂性、不确定性、突变性所带来的问题总有些力不从心。

为了适应不同技术领域和社会发展对控制科学提出的新要求，我们必须发展新的控制模式。

近年来，在传统控制中加入逻辑推理和启发式知识，将传统控制理论与模糊逻辑、神级网络、遗传算法等人工智能技术结合起来，充分利用人的控制知识对复杂系统进行智能化控制，逐渐形成抛光机的智能控制。

1.2抛光机的工作原理
(1)抛光机操作的关键是要设法得到最大的抛光速率，以便尽快除去磨光时产生的损伤层，同时也要使抛光损伤层不会影响最终观察到的组织，即不会造成假组织。

前者要求使用较粗的磨料，以便保证有较大的抛光速率来去除磨光的损伤层，但抛光损伤层也较深；后者要求使用最细的材料，使抛光损伤层较浅，但抛光速率低。

(2)解决这个矛盾的最好方法就是把抛光分为两个阶段进行。

粗抛目的是去除磨光损伤层，这一阶段应具有最大的抛光速率，粗抛形成的表层损伤是次要的的考虑，不过也应当尽可能小；其次是精抛（或称终抛），其目的是去除粗抛产生的表层损伤，是抛光损伤减到最小。

抛光机抛光时，试样磨面与抛光应绝对平行并均匀地轻压在抛光盘上，注意防止试样飞出和因压力太大而产生新磨痕。

同时还应使试样自传并
沿转盘半径方向来回移动，以避免抛光织物局部磨损太快在抛光过程中要不断添加微粉悬浮液，使抛光织物保持一定湿度。

湿度太大会减弱抛光的磨痕作用，使试样中硬相呈现浮凸和刚中非金属夹杂物及铸铁中石墨相产生“曳尾”现象；湿度太小时，由于摩擦生热会使试样升温，润滑作用减小，磨面失去光泽，甚至出现黑斑，轻合金则会抛伤表面。

为了达到粗抛的目的，要求转盘转速较低，最好不要超过600r/min；抛光时间应当比去掉划痕所需的时间长些，因为还要去掉变形层。

粗抛后磨面光滑，但黯淡无光，在显微镜下观察油均匀细致的磨痕，有待精抛消除。

(3)精抛时转盘速度可适当提高，抛光时间以抛掉粗抛的损伤层为宜。

精抛后磨面明亮如镜，在显微镜明视场条件下看不到划痕，但在相衬照明条件下则仍可见到磨痕。

抛光机抛光质量的好坏严重影响试样的组织结构，已逐步引起有关专家的重视。

近年来，国内外在抛光机的性能上做了大量研究工作，研究出不少新机型、新一代抛光设备，正由原来的手动操作发展为各种各样的半自动及全自动抛光机。

(4)抛光时，抛光轮高速旋转，零件与抛光轮摩擦产生高温，使零件金属塑性提高，在抛光力的作用下，金属表面产生塑性变形，凸起的部分被压入并流动，凹进的部分被填平，从而使细微不平的表面进一步得到改善。

也就是说：最外层的毛刺层机体由于剧烈的塑性变形而破碎成很细的二次晶体，表层里边塑性变形较小，越里边变形越小。

(5)利用驱动马达带动毛毡轮使其旋转，工件被齿轮齿条循序带动前进，当工件行进至布轮下放时，仍连续前进，从而使工件和抛光布轮产生摩擦，达到工件表面光亮之效果。

1.3主要设计内容
(1)本设计主要抛光机设计中所需要部件及其相关参数进行选择与计算，结合设计要求及主要设计参数进行改进与选择。

全文的主要内容包括以下几个方面：
(2)抛光机的概述，简要介绍抛光机的应用、特点及发展现状。

(3)方案设计，对抛光机的主轴与砂轮连接形式、工作台电机到工作台动力的传动方
(4)案的设计、导轨设计、抛光轮的设计等。

(5)设计计算，根据设计内容及主要设计参数进行计算，从而进行部件的选择。

(6)部件的选择，根据计算的结构并结合实际要求选用合适的零部件。

(7)冷却系统的简单设计和电气控制的简单介绍。

第2章方案设计及电动机选用
2.1 主电机与抛光轮的连接设计
抛光时抛光轮受到摩擦力、抛光切削力，抛光轮与电机的连接有多种方法。

抛光轮可以与电机主轴连接，但所选电机伸出长度有限，且普通电动机伸出轴只能键连接，不能满足要求，在抛光机设计中不宜采取此种连接方法。

由此，为满足要求，设计抛光轮与电动机之间用弹性柱销联轴器连接。

抛光轮再通过一对角接触球轴承配合连接，使主轴更加平稳可靠。

抛光轮与主轴用螺母和挡圈固定。

弹性联轴器有很多功能：
1、补偿由于制造和安装误差造成所联接两轴的轴向位移,径向位移和角位移，避免轴端产生过大的附加载荷。

2、缓和电机工作时轴上的扭转冲击。

3、改变轴系的共振转速，例如当冲击吸收功相同时。

以扭矩为基准的扭转角越大(即刚度小)，冲击扭矩越小。

共振转速越低。

此外，联轴器的惯性矩也影响轴的共振转速。

4、减轻轴的扭转振动。

不过，这只有采用具有较大外阻尼(增大摩擦阻尼)的结构或较大内阻尼的材料(如橡胶、塑料等)做联轴器的中间传力件时，才能实现。

当机器受到意外的过载时，往往会造成传动装置或其他机件的损坏。

如果在传动轴系中采用安全联轴器，利用联轴器中联接元件的破断、分离或打滑，使传动的力流中断或限制力流的传递，就能起到安全保护作用。

图2-1 抛光轮与轴和电机连接
2.2 移动工作台与工作台电机间的连接设计
抛光机对的设计需要从各个组织结构出发，精确的设计各组成部分，并最终使其有机结合，以达到设计要求，并尽量遵循，低成本，小质量，易装卸原则。

抛光机由电动机通过驱动和减速系统带动工作台，电动机带动毛毡轮转动来抛光工件，工作台的设计与其对应的导轨和冷却系统组成。

根据毛毡轮与工件的相对位置分为纵向进给外圆磨，切入磨，周边——端面磨，端面——平面磨，从而分成卧式抛光机与立式抛光机。

卧式抛光机，其毛毡轮的速度较高而工作台的速度很小，根据其特点来设计传动方案。

卧式抛光机的设计主要设计为带动工作台的传动系统的设计，工作台的移动为直线移动，而且速度很低。

本方案设计是通过齿轮电机连接联轴器，然后通过联轴器与齿轮连接齿轮驱动齿条带动工作台移动连接示意图如下
电机与工作台连接示意图
2.3电动机的选择
设计卧式抛光机用抛光轮的圆周面面来抛光金属试样，工件形式如图。

工作台上放置300
φ的试样随工作台前后移动，抛光轮圆周面与试样接触，随着两者的相对运动来实现对试样面的抛光。

2.3.1 主轴电机的选择
抛光力
对于抛光所需力的大小计算，根据卧式外圆磨床磨削力大小的计算方法来估算所需抛光力的大小。

外圆磨削的切向力计算经验公式：
ε
σ
γ
β
α
s
a
w
s
p
F
t
b
f
v
v
a
C
F-
=
（2-1）
外圆磨削主磨削力的经验公式的指数和系数值
取5.0=α 5.0=β 5.0=γ σ=0.5 ε=0.5
2. 具体参数选择 拟定主轴电动机转速为min
/960r n s =，工作台速度为
min
/m 10v =w
抛光轮速度s v
由于抛光轮抛光工件尺寸为300φmm ，选取直径为mm d s 140=的抛光轮，则：抛光轮速度为
s m s m n d v s
s s /33.7/60
1000960
14060
1000=⨯⨯⨯=
⨯=ππ
工件速度w v
工件速度一般选择6m /min —10m/min 这里我们选择10m/min 查阅文献知F C 取20
4）抛光力大小
由以上确定的参数，根据公式（2-1）得：
ε
σγβαs a w s p F t b f v v a C F -==33.86N
5)抛光功率m P
主运动消耗的功率为
kw
kw kw v F P s t m 57.0100033.786.331000=⨯== 6)抛光轮电机功率h P
电动机与砂轮的连接通过联轴器与轴承，查阅《机械设计手册》取
98
.0=轴承η
99
.0=联轴器η
则
951
.098.099.022=⨯=⨯=轴承联轴器ηηηm
因此抛光轮电机功率
kw kw P P m
m
h 59.0951.057
.0==
=
η
选择电动机
由于存在很多未知摩擦 这里选择Y 系列（IP44）三相异步电动机（JB/T9616—1999），电动机技术数据表见下图
主电动机技术数据表
型号 额定 功率 /kw 电动机转速 r/min 效 率 /% 功率 因数
重
量 /kg 额定转矩堵转转矩 额定转矩
最大转矩
同步 转速 满载 转速
Y100L-6 1.5
1000
940
77.5
0.74
33
2.0
2.2
电动机主要外形和尺寸以及示意图
2.3.2工作台电动机选择
在抛光的过程中，消耗的功率由公FV P =式V 已知，先求F 。

由抛光轮的功率N=F S rn
式中F S 抛光轮与工件的摩擦力，r 为抛光轮的半径，n 为抛光轮的转速，代入已知参数求得：
F S =N
P RN N 3.81000x 140x a ==η
则工件进给的功率为P W =49.8w x10m/min 3.8==FV
分析 ：由于从电动机驱动工作台前后移动的过程中，运动传递有大量损失，因此在计算电机输出功率时应该考虑一下方面：
轴承效率取 ，98.01=η 联轴器效率 ，99.02=η 齿轮齿条传动效率，取
94
.03=η
考虑导轨摩擦损失一般为15％---20％取消率8.04=η同时考虑带动工作台移动的同
时，也带动了左右移动导轨及电机，电磁吸盘等附件的移动，真正用于工件的效率很小取为
12.05=η，则可以计算出电机的输出功率为：
KW X X X P P W
898.012.08.094.098.099.08
.493
==
=
η
由于一般电机没这么小的功率，同时转速一般较高，要想获得很小的工件速度需要经过多极减速这样是不经济的同时结构也会变得比较复杂， 先分析如下
[1]直接使用直线电机来带动工作台：直线电机可以直接传输直线运动，并且高速响应，由于系统中直接取消了一些响应时间常数较大的机械传动件（如丝杠）使整个闭环控制系统动态响应性能大大提高，反应异常灵敏快捷。

直线驱动系统取消了由于丝杠等机械机构产生的传动间隙以及误差，减少了插补运动时因传动系统滞后带来的跟踪误差。

通过直线位置检测反馈装置控制，即可大大提高机床的定位精度。

直线电机刚度高，由于“直接驱动”，避免了启动，变速和换向时因中间环节的摩擦磨损，弹性变形个反向间隙造成的运动滞后现象，同时提高了了其传动刚度。

直线电机的选择速度宽，加减速过程短。

直线电机运动安静噪音低由于取消了传动丝杠等部件的机械摩擦，且导轨又可才有滚动导轨或磁垫悬浮导轨（无机械接触），其运动时噪音将大大降低。

直线电机效率高由于无中间环节，消除了机械摩擦时的能量损耗，传动效率大大提高。

由于直线电机的造价很高，从经济角度出发考虑到无法设计出来在社会上大规模推广，并且抛光的精度没有要求那么高，所以最后放弃了这种设计方案。

[2]通过伺服电机驱动滚珠丝杠来带动工作台：伺服电机是指伺服系统指机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。

伺服电可以控制速度，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，并在控制系统中，用做执行元件，且具有机电时间常数小，线性度高，使动电压等特性，可把所受到的信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。

伺服电机的主要特点是电压信号为零是无自传现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。

滚珠丝杠传动系统是一个亿滚珠作为滚动媒介的滚动螺旋传动的体系，滚珠丝杠可以把直线运动转换为回转运动。

滚珠丝杠的传动效率高，滚珠丝杠的传动效率高达90%到98%，为传统的滑动丝杠系统的2到4倍，所以一较小的扭矩可以得到较大的推力，亦可以由回转运动转化为直线运动。

滚珠丝杠传动平稳，滚珠丝杠系统传动为点接触滚动运动，工作中摩擦阻力小，灵敏度高，启动时无震颤，低速时无
爬行现象，因此可精密的控制微量进给。

滚珠丝杠精度高，滚珠丝杠系统传动中温升较小，并可预紧消除轴向间隙和对丝杠进行预拉伸以补偿热拉伸，因此可以获得较高的定位精度和重复定位精度。

滚珠丝杠高耐性，钢球滚动接触处应经硬化处理（hrc58~63），并经精密磨削，循环体系过程纯属滚动，相对磨碎甚微，故具有较高的使用寿命和精度保持性，滚珠丝杠同步性好。

滚珠丝杠可靠性高滚珠丝杠与其他机械相比，滚珠丝杠的故障率很低，维修保养也比较简单，只需要进行一般的润滑和防尘。

在特殊
场合可在无润滑状态下工作。

滚珠丝杠传动系统采用歌德式（Gothic arch）沟槽形状使钢珠与沟槽到达最佳接触以便轻易走转。

若加入适当的预紧力，消除轴向间隙，乐意使滚珠有更加刚性，减少滚珠和螺母丝杠之间的弹性变形，达到最高精度。

由于伺服电机带动滚珠丝杠的造价很高，从经济的角度考虑无法设计出来在社会上大力推广，并且抛光机的精度没有必要那么高，所以放弃了这种设计方案。

[3]普通的三相电动机通过减速来带动齿轮齿条从而带动工作台：这其中的减速可以通过三级齿轮减速，或者直接选个标准的减速器来带动轴和齿轮齿条。

齿轮传动是利用双齿轮的轮齿相互啮合传递动力和运动的机械传动。

按齿轮轴线的相对位置分平行轴圆柱齿轮传动，相交轴圆柱齿轮传动和交错轴螺旋齿轮传动。

具有结构紧凑，效率高，寿命长，速度和尺寸范围大的优点。

经过计算齿轮减速大约经过三级或四级齿轮减速才可到达理想的速度，这样从设计生产的角度看不方便生产推广，并且减速系统的占用空间很大，所以不易选用此种设计方案。

[4]通过ICJ系列齿轮减速三相异步电动机来驱动齿轮齿条从而带动工作台：齿轮减速电机是一种动力传递机械，其实利用各级齿轮来达到降速目的。

齿轮减速机适合低转速大转矩的环境，利用齿轮的速度转换器将电机的回转数减速到所需要的回转数，并得到较大转矩。

齿轮减速机在减速的同时能提高输出转矩，而齿轮的减速机的扭矩输出比例是按电机输出乘以减速比所得，但要注意的是不能超出额定扭矩。

此外，齿轮减速机在正式投入使用前，必须进行负荷试运转以及空载运转。

进行试运转的目的是要确定齿轮减速机在运转过程中是否有异常现象，待确定无异常现象后方可进行使用。

齿轮减速电机是指减速机和电机的集成体。

这种集成体通常也可称为齿轮马达或齿轮电机。

齿轮齿条传动可以将旋转运动转化为直线运动，并且其承载力大，传动精度高，可达0.1mm，可随意改变对接长度，传动的速度选择的范围大。

加工的安装的要求的精度低，磨损后对其性能影响小，齿条是由标准外齿轮的齿数增加到无。