毕业论文-便携式金相试样粗磨机设计.doc

河 南 科 技 学 院
2009届本科毕业设计

设计题目：便携式金相试样粗磨机设计

学生姓名：孙昊杰

所在院（系）：机电学院

所学专业：机械设计制造及其自动化

导师姓名：刘贯军

完成时间：2009年5月25日

摘 要
目前金相试样粗磨设备形式多样，各种半自动化、自动化产品在各种规模及各种类型的企业实验室得到广泛应用，使操作者的工作量得以减小，制样效率得到提高；但是目前社会上的金相试样粗磨机的体积普遍偏大，电机功率过大，移动不方便，不适合在某些场所使用。本设计用Pro/E设计一种便携、防水、低成本的金相试样粗磨机是十分必要的，此粗磨机外形紧凑，重量轻，防水措施完善，可以在学校实验室的水槽中使用，有着广阔的应用空间和市场前景。

关键词：金相试样粗磨机，便携，防水，Pro/E

Design of portable grinding machine about metallographic sample

Abstract

At present, coarse grinding metallographic sample a variety of equipment, all kinds of semi-automatic, automation products in all sizes and types of enterprises are widely used laboratory to enable the operator to reduce the workload, the system kind of efficiency; However, the community of rough mill of the metallographic sample size generally large, the electric motor is too large, moving is not convenient, not suitable for use in certain places. So I used Pro/E to design a portable, waterproof, low-cost mill coarse metallographic sample is essential, the rough mill compact appearance, light weight, perfect waterproof measures. School laboratories can be used in the flume,There are bright prospects for the use of space and the market.
.
Key words：Rough mill of the metallographic sample，Portable，Waterproofing，Pro/E

目录

1．绪 论 1
2．设计要求及方案 2
3. 设计内容 3
3.1 便携式金相试样粗磨机的电机选型 4
3.1.1 电机扭矩的计算 5
3.1.2 电机轴功率的计算及电机的选型 5
3.1.3 计算轴的直径并校核 5
3.2 便携式金相试样粗磨机各种零件的设计 7
3.2.1 磨盘的设计 7
3.2.2 电机防水的设计 7
3.2.3 排水设计 8
3.2.4 成形联接的设计 8
3.2.5 底座的设计 9
3.2.6 其余零件的结构图形 10
4．设计总结及结束语 11
致谢 11
参考文献 12

1． 绪 论
机械设计（machine design），是根据使用要求对机械的工作原理、结构、运动方式、力和能量的传递方式、各个零件的材料和形状尺寸、润滑方法等进行构思、分析和计算并将其转化为具体的描述以作为制造依据的工作过程。
近年来，国内外在粗磨机的性能上作了大量的研究工作，研究出不少新机型、新一代的粗磨设备，正由原来的手动操作发展成为各种各样的半自动及全自动粗磨机。
美国buehler公司研制生产的vanguard型全自动粗磨机从粗磨到最后精磨整个过程全自动完成，可以设置50个常用工作程序，操作界面友好，彩色液晶显示，触摸式操作，整个过程的每个工序之间都进行夹持器和样品的清洗与烘干，充分保证了样品制备的高效与高制性，操作过程的全自动化模式，节省了人工并提高了效率与质量。试样由粗磨臂按照一定轨迹在粗磨盘内运动，粗磨臂上的压力可根据需要调节，最大可达20N。在预定的粗磨时间内，此压力将逐渐自动减小到零，这样可减少粗磨缺陷。粗磨臂的速度也可以调节，每道工序只需2～5min，适用于各种材料。
上海佰衡仪器科技有限公司生产的CKYMP-2B型金相粗磨机配备电机YS7124，0.55KW，380V，50Hz，采用无极变频电机可以从50到1000r/min，根据使用者的需求，自由调节。该机外形新颖美观，集污盘和罩用玻璃钢整体制成。该机经久耐用，维护保养也极为方便，使用时只需更换磨盘，就能完成各种试样的粗磨、细磨、干磨、湿磨等各道工序，为扩大不同试样的制备要求，该机的磨盘直径均大于国内同类产品。可在工作面上有更多不同线速度的选择，可增加有效工作面20-30%，可提高试样的磨抛质量和试样的制备效率，并该机转动平稳，噪音低，是一种极为理想和功能完善的最佳金相制样设备。
目前，就粗磨机设计而言，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.粗磨方式的研究 先进的金相试样粗磨机，需要有先进的理论作指导目前，有关金相试样粗磨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 多数试样粗磨方法最重要的特点是粗磨时产生高温，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，关于试样粗磨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、神经网络、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，逐渐形成粗磨机的智能控制。
虽然那些中外大公司的产品非常先进，但是并不适用于学校实验室，因此我设计的金相试样粗磨机体积小，突出方便，同时兼顾防水性。
而Pro/Engineer 是美国PTC公司的产品，于1988年问世。10多年来，经历20余次的改版，已成为全世界及中国地区最普及的3D CAD/CAM系统的标准软件，广泛应用于电子、机械、模具、工业设计、汽车、航天、家电、玩具等行业。 Pro/E是全方位的3D产品开发软件包，和相关软件Pro/DESINGER（造型设计）、Pro/MECHANICA（功能仿真），集合了零件设计、产品装配、模具开发、加工制造、钣金件设计、铸造件设计、工业设计、逆向工程、自动测量、机构分析、有限元分析、产品数据库管理等功能，从而使用户缩短了产品开发的时间并简化了开发的流程；国际上有27000多企业采用了PRO/ENGINEER软件系统，作为企业的标准软件进行产品设计。
Pro/E独树一帜的软件功能直接影响了我们工作中的设计、制造方法，因此，我选择Pro/E作为我设计金相试样粗磨机的首选。 Pro/E 抛弃传统 CAD/CAM 软件中的线框和表面模型，而直接签于 3D 实体。这使我们的设计环境完全从 2D 或 2D 与 3D 混合状态上升为纯 3D 模式。产品或模具的描述信息变得更加完整，概念更加清晰，更易于抓住设计意图。设计质量和速度也大大提高，尤其是结合快速原型技术，可以大大缩短产品设计生产上市周期。总之，随着 Pro/E 的不断完善和发展，越来越多的问题将被解决，越来越多的理想将变为现实。 Pro/E 的魅力将更多地体现为生产力水平的极大提高。
2．设计要求及方案
（1）深入了解实验室用金相试样粗磨机的工作原理及结构特点，国内外研究及使用状况（包括现在国内市场上此类产品的性能特点及不足）。
（2）设计一种便携式的可在水槽中使用的金属试样粗磨机械，重点在于电机的选型和防水设计。
（3）对所设计机械的受力件进行受力分析并有必要计算后方可进行设计制图。
所谓金相试样粗磨机主要完成试样的研磨任务，因此我们首先得考虑电机，使其带动铝盘转动。但由于存在手对铝盘（砂纸）的压力以及试样与砂纸的摩擦力，所以我们必须先计算电机的扭矩，然后才能确定电机轴的功率，最后选择电机的型号。当然电机轴势必要满足刚度强度要求，防水排水措施也要到位。
如图1所示

图 1
3. 设计内容
我设计的便携式金相试样粗磨机主要是在水槽中完成对试样的研磨。当不使用时，我们可以将其拿出水槽，所以它并不固定，且体积小，重量轻。当然我们在设计的过程中需要给铝盘提供旋转的动力，此力必须要克服手对铝盘（砂纸）的压力以及试样与砂纸的摩擦力，这样才能实现试样的研磨。
3.1便携式金相试样粗磨机的电机选型
3.1.1 电机扭矩的计算
首先通过查资料，我们可以假设人对砂纸的压力为20N，铝盘直径为155mm，砂纸的摩擦系数大约为0.9。
摩擦力fFu20×0.918N
则转矩fd/218×155×0.001/21.4Nm
3.1.2 电机轴功率的计算及电机的选型
为了购买方便，我选择洗衣机电机作为金相试样粗磨机的电机，其转速为1350 r/min。
电机轴的功率P由公式确定
即
所以我选择XD-200型电机。
功率：200W 电压：220V 频率：50HZ 效率：53% 起动转矩：1.10Nm 额定电流：1.65A 最大转矩：2.08Nm 电容：13UF
如图2所示

图 2
3.1.3 计算轴的直径并校核
（1）初步确定轴的最小直径
选取轴材料为45钢。 取 于是得

可选轴径为d6mm 图
（2）求轴上载荷
支反力 ，
作弯矩图及扭矩图 如图3，4所示

图 3

图 4
则弯矩
转矩
（3）按弯矩合成应力校核轴的强度
进行校核时，通常只校核轴上承受最大弯矩和扭矩的截面（即危险截面），根据式15-5（机械设计，第八版，濮良贵主编）以及轴单向转动，扭转切应力为脉动循环切应力，取0.6，轴的计算应力：

前已选定轴的材料为45钢，调质处理由表15-1查得60Mpa,
而 故轴径选取不合理，再选轴径d7mm,则轴的计算应力

即 故选取合理。
（4）轴的扭转刚度校核
由于轴为光轴，扭转角的计算公式为

对于45钢，轴的材料的剪弹性模量，
轴截面的极惯性矩 由强度校核时选轴径d7mm,则

则轴的扭转刚度条件为

不满足条件，重新选择轴径d12mm得
可以满足轴的扭转刚度，且轴径d12mm>7mm也满足强度条件，所以最终确定轴的直径为d12mm。
XD-200型电机的轴径为13mm，所以满足要求。
3.2. 便携式金相试样粗磨机各种零件的设计
3.2.1 磨盘的设计
出于对粗磨机体积和紧凑性方面的考虑，我将磨盘直径设定为155mm，盘厚8mm,边沿突起2mm(固定砂纸)，磨盘材料为铝。铝的材质轻，密度只有 ，约为钢、铜或黄铜的密度的1/3左右。铝耐腐蚀，表面因有致密的氧化物保护膜，不易受到腐蚀，是不生锈的金属。在大多数环境条件下，包括在空气、水(或盐水)、石油化学和很多化学体系中，铝能显示优良的抗腐蚀性。铝具有极高的回收性,再生铝的特性与原生铝几乎没有差别。这使铝成为发展循环经济、建设节约型社会不可或缺的“绿色”环保型材料。铝自然表面状态具有宜人的外观，它柔软、有光泽。
如图5所示
3.2.2 电机防水的设计
由于我设计的便携式金相试样粗磨机可以在水槽中使用，所以当水流落在旋转的砂纸时，受到离心力作用，水流很有可能会溅射到试验者身上。此外，少量水流甚至会顺着轴进入电机，使电机受潮损坏。所以该金相试样粗磨机的防水设计显得极其重要。其中，弧形防水罩顶端距磨盘边沿上端13mm,内防水挡板高45mm,防水罩与防水挡板厚2mm。
如图6所示

图 5

图 6
3.2.3 排水设计
为了防止磨盘内积水过多，导致水花四溅，因此，必须在磨盘的边缘处每隔30°切除一段圆心角为30°的突起（如图5所示）。另外，在弧形防水槽内的水也要排干,排水孔直径为8mm,孔壁厚1mm,孔长15mm，三截倒棱最宽处延伸出0.5mm。否则，一旦水位高过内挡水板，电机就会进水受潮，导致机器的损坏。
3.2.4 成形联接的设计
为了使电机轴能更好更有效率地带动磨盘转动，因此，我在磨盘下加了一块成形固定件，它和磨盘是一体的，高度为20mm，直径为25mm。另外，在轴的上端切掉一段(10mm)，用螺钉固定，使轴和成形固定件紧密接触，大大增强了摩擦力，杜绝了打滑的可能。
此螺钉除受预紧力外，还受工作载荷。螺钉类型为M6，小径为，性能等级为4.6，螺钉危险截面的拉伸强度条件为
拉应力：

预紧力的选取为 取
则

螺钉性能等级为4.6，即屈服强度极限为240Mpa,
安全系数[s]4.5,
则许用拉应力
由 故满足拉伸强度条件
切应力为

螺钉的剪切安全系数为[s]2.5
则许用切应力
由，故满足剪切强度条件。

图 7
3.2.5 底座的设计
为了使底座更稳固，我将底座设计成梯形，梯形斜面与铅垂线的夹角为10°，底座壁厚5mm ，材料为铸铁。铸铁是含碳大于2.1%的铁碳合金，它是将铸造生铁（部分炼钢生铁）在炉中重新熔化，并加进铁合金、废钢、回炉铁调整成分而得到。与生铁区别是铸铁是二次加工，大都加工成铸铁件。铸铁件具有优良的铸造性可制成复杂零件，一般有良好的切削加工性。另外具有耐磨性和消震性良好，价格低等特点。同时将底座上表面开6个孔，用来固定电机。底座两侧各开两孔，一个是电线孔，一个是排水孔。
如图8所示

图 8
3.2.6 其余零件的结构图形
塑料盖子（盖在圆弧形防水罩上端）

图 9
4．设计总结及结束语
本次设计的便携式金相试样粗磨机是通过电机和轴带动磨盘，从而对试样进行研磨。同时，防水罩与防水板很好的防止了水的外溅与内渗，满足了防水的要求；洗衣机电机的特点是体积小，功率小，满足了便携紧凑的要求。所以，到此基本完成了这次的设计任务。
通过本次毕业设计，我对机械设计中相关的方法、原则以及要求有了更为系统的认识及掌握，对调速电机的相关参数及运行的原理有了更一步的认识。在之前学习Pro/E的基础上，更加系统的掌握了许多细节上的应用，并回运用一些基本的快捷操作方式，操作更加熟练，Pro/E的操作有了很大的提高。而且这次毕业设计中我还掌握了以下几个方面的能力：
（1） 自己的逻辑思维能力及空间的构思能力。
（2） 简单外交资料的翻译和阅读能力，查找资料的能力.
（3） 利用软件进行绘图、加工的能力。
（4） 语言组织能力。
（5） 论文的格式及排版的能力，以及抓图工具的使用能力。
（6） 实践动手能力。
致谢
本文的全部工作是在尊敬的指导老师悉心的指导下完成的。指导老师敏锐的思维、渊博的学识、严谨的学风、深厚的专业功底以及追求真理、勇于创新的精神给我留下了深刻的印象，使学生受益匪浅，也将永远激励和鞭策着我刻苦学习，努力工作。指导老师不仅在学业上为我呕心沥血，还在工作中为我指明了方向。我在工作和学习中的点滴进步，都离不开指导老师的帮助。至此论文结稿之际，谨向我敬爱的指导老师致以深深的谢意和崇高的敬意。同时也感谢曾经帮助过我的同学，没有他们，我的设计也不会这么顺利。最后我只想说一句：谢谢大家的鼎力支持！

参考文献
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