立式高速火焰喷涂机床设计Word格式.docx
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结合强度
厚度
孔隙率
氧化物含量
硬度
应力
电弧线材喷涂
20~40Mpa
<
5mm
>
5%
3%
中
低
火焰线材喷涂
10~30Mpa
3mm
10%
火焰粉末喷涂
2mm
等离子喷涂
30~50Mpa
<
1mm
1%
高
HOVF
70~100Mpa
冷喷涂
10mm
HOVF技术的主要特点有:
（1）火焰速度高，可达1500/s以上[8,9,10]，可将喷涂粒子加速到300~500/s[11]；
（2）温度比等离子喷涂低很多，约2760℃[12]，可有效防止喷涂过程中粒子的氧化，特别适合喷涂加热后易于分解的金属陶瓷涂层；
（3）涂层的致密性好，结合强度高（大于70MPa）[13,14]，耐磨性能优越。
1.2高速火焰喷涂的发展现状
HVOF技术是在上世纪80年代初期，由美国Borwning公司开发成功，并且先以JET-KOTE（图1-1）为商品推出。
经过几年的系统开发，该技术的优点逐渐被接受和认识。
由此，世界上发达国家，投入了大量的财力对高速火焰喷涂技术进行研究开发。
于上世纪八十年代末九十年代初期，先后又有数种高速火焰喷涂系统开发成功，并投放入市场。
如射流枪（J-Gun），冲锋枪（Top-Gun），金刚石射流（Diamond-Jet），高速空气燃料系统（HVAF,HighveloeityAir-Fue），连续爆炸喷涂（CDS，ContinuouSDetonationSpraying），等。
如图1-2是目前国际上流行的主要超音速火焰喷枪结构示意图，其结构是参照火箭发动机的原理设计的[15]。
1—喷涂枪；
2—冷却水；
3—控制箱；
4—送粉器；
5—气体供给
图1-1JET-KOTE高速燃气喷涂系统示意图
a—扩散型喷嘴；
b—收剑型喷嘴；
c—前端细圆筒喷嘴；
d—多段喷嘴；
e—无喷嘴；
f—前端细圆筒喷嘴
图1-2 目前国际上流行的主要超音速火焰喷枪结构示意图[16]
1994年,这种设备日本有60多套，欧洲大约有120套，其中德国大约有30套，1995年在日本神户召开的第14届热喷涂国际会议上，以HVOF为主题的论文就达到40篇[17]。
在九十年代初期，高速火焰喷涂设备在热喷涂市场中所占的比例约为3%，到了2000年，该比例达到约25%[18]。
据英国Metallisatio有限公司称，高速火焰喷涂设备在热喷涂市场上越来越热销。
Metallisatio公司认为高速火焰喷设备越来越受到那些寻求耐磨性能更好或耐腐蚀性能的涂层的工程师们的欢迎，因为相对于那些采用较熟悉的常规喷涂工艺，如:
等离于喷涂、火焰喷涂和电弧喷涂等制成的涂层来说，高速火焰喷涂制成的涂层硬度更高、致密度会更好一些[19]。
Fusion公司现已关闭电镀Cr生产线而转向HVOF喷涂，因为这种涂层具有高韧性和高结合强度，完全可以适应部件服役时的弯曲情况。
公司总裁StrattonGillis称，高速火焰喷涂的费用可与电镀铬的价格相竞争，尤其对于大型部件或外形复杂的部件是十分经济的方法。
该公司的其它应用还包括化工厂轴承密封区域联接配合件、离心压缩机转子和推进轴承配合件等的修复[20]。
到目前为止，我国己陆续从国外购进了几台HVOF设备，如上海的司太立公司引进了美国Stelhte公司的Jet-Kote高速火焰喷涂设备，中国有色金属研究总院引进了Diamond-Jet系统，鞍山钢铁公司引进了Top-Gun系统。
此外,西安交通大学于1995年已研制成功了我国自己的HVOF系统（CH-2000），长安大学、沈阳工业大学、装甲兵工程学院、武汉材料保护研究院、北京钢铁研究总院、北京钦得新工艺材料有限公司等几家单位也都在进行这方面研究[21]。
美国近年来在航空发动机部件如压缩机叶片，轴承套等上使用HVOF技术已经基本实现了标准化，可完全取代以前使用的爆炸喷涂层，旨在降低成本[22]。
英国在气轮机使用HVOF技术在第一级静叶片上效果很好，可取代昂贵的电子束物理气相沉积和低压等离子喷涂层。
美国、德国、法国等国家在冶金行业中大量使用热浸镀锌槽、挤压辊轮中的有色金属及沉没辊二次加工轧辊等应用高速火焰喷涂技术，使其寿命明显提高[23]。
日本钢铁工业应用HVOF喷涂修复退火炉辊，修复率从80年代中期的30%上升到90年代后期的80%，而带钢因结瘤等引起的次品率则由85%下降到零[24]。
国际上著名的热喷涂设备生产公司普莱克斯表面技术公司推出的JP-5000、JP-8000型高压HVOF系统是当前国际上最为畅销的HOVF系统,目前在国际上已有超过500台的在役量，这是其他HVOF系统无法比拟的[25]。
其中JP-5000系统的5100型CORNOA控制台，是一闭环、全自动控制的控制台,其外形如下图1-3所示。
1-冷却水回路；
2-液体燃料回路；
3-氧气回路；
4-送载气回路
图1-3JP-8000系统的8100型HVOF系统控制台外形图
1.3立式高速火焰喷涂机床设计的选题意义
高速火焰喷涂机床作为火焰喷涂工艺的载体，其主要功能是在高速火焰喷涂生产过程中，控制整个喷涂过程，同时还可以通过控制喷枪的速度和喷枪到工件表面距离，从而实现对喷涂宽度和厚度的控制，达到满足不同性能材料的喷涂要求，最终喷涂出满足简单或者极端条件应用需求的涂层。
高速火焰喷涂技术是一种比较新型技术，而高速火焰喷涂设备也随着微控制技术的不断革新，在不断地发生变化。
研究和设计出稳定性好、快速性好、可靠性高和易操作的高速火焰喷涂机床是生产和发展的需要。
1.4课题研究内容
本课题主要是对立式高速火焰喷涂机床进行机械结构设计，依据技术要求，确定机床的总体设计方案，并对其主要结构进行设计,完成横纵向进给机构及床身、滑座、立柱、工作台等主要零部件的绘制。
1.5本章小节
本章主要讲述了高速火焰喷涂技术发展趋势及其相关知识，包括热喷涂的类型，高速火焰喷涂设备的组成部分和工作原理。
第2章立式高速火焰喷涂机床的总体机械设计
2.1机床的设计要求
根据设计要求及常用机床性能，列出以下立式高速火焰喷涂机床主要参数，用于方案拟定。
工作台尺寸：
600
横向X轴加工范围Lx=300，工件线速度0~30m/min
横向Y轴加工范围Ly=500
要求性能稳定，精度较高，高速高效，结构简单可靠，可用于喷涂板材以及多种工件。
2.2设计方案
整机分为床身、基座、立柱、滑座、主轴箱、工作台、三轴进给驱动机构机械部分。
总装图如图2-1所示。
图2-1立式高速火焰喷涂机总装图
床身是机床设计的基础，床身的尺寸设计影响着机床的设计，而且设计的合理性直接影响到机床的刚度。
床身用来固定和支撑机床上的各个部件，顶面有供滑座移动的导轨。
基座的设计是在床身完成后完成的，而立柱安装在床身一侧，按照主轴的中心尽量贴近横梁上的导轨面为原则，并把Z轴驱动安装位置设计在立柱上，有效地减轻滑座的重量。
因滚珠丝杠传动效率高，摩擦力小，精度高，三轴进给驱动机构均采用滚珠丝杠螺母副将。
这样设计使可以机床的整体进给性能得以协调，各轴的进给力和进给速度得到了最佳匹配。
驱动电机采用永磁同步交流伺服电机，其特点是可以通过软件简单精准的对速度、转矩进行控制，将伺服系统的性能发挥到最大，其伺服驱动器连接图如图2-1。
图2-2伺服驱动器连接图
喷枪的上下垂直运动Z轴同样采用滚珠丝杠副传动。
关于Z轴的安全问题，首先选用带电磁刹车的伺服电动机，其次为防止滚珠螺母自转引起喷枪机械式下垂，使喷枪升降更轻便，采用了重锤平衡机构。
2.3本章小节
本章主要讲解了立式高速火焰喷涂机床的总体方案设计，其主要内容为机械部分的设计，根据所给要求制定出了总体设计方案。
第3章进给伺服系统的设计与计算
3.1进给伺服系统的设计要求
机床的位置调节对进给伺服系统提出了很高的要求。
其中在静态设计方面有：
（1）能够克服摩擦力和负载；
（2）很小的进给位移量；
（3）高的静态扭转刚度；
（4）足够的调速范围，满足快进和工进的需要；
（5）进给速度均匀，在速度很低时，无爬行现象。
在动态设计方面的要求有：
（1）具有足够的加速和制动转距，以便快速地完成启动和制动过程。
（2）具有良好的动态传递性能，以保证在加工中获得高的轨迹精度和满意地表面质量；
（3）负载引起的轨迹误差尽可能小。
对于数控机床机械传动部件则有以下要求：
（1）被加速的运动部件具有较小的惯量；
（2）高的刚度；
（3）良好的阻尼；
（4）传动部件在拉压刚度、扭转刚度、摩擦阻尼特性和间隙等方面具有尽可能小的非线性。
伺服系统总体设计方案如图3-1。
图3-1伺服系统总体设计方案
3.2滚珠丝杠的特点
在机床的设计中，滚珠丝杠是将回转运动转化为直线运动，或将直线运动转化为回转运动的理想的产品。
滚珠丝杠由螺杆、螺母和滚珠组成。
它的功能是将旋转运动转化成直线运动，这是滚珠螺丝的进一步延伸和发展，这项发展的重要意义就是将轴承从滚动动作变成滑动动作。
由于具有很小的摩擦阻力，滚珠丝杠被广泛应用于各种工业设备和精密仪器[26]。
滚珠丝杠是工具机和精密机械上最常使用的传动元件，其主要功能是将旋转运动转换成线性运动，或将扭矩转换成轴向反覆作用力，同时兼具高精度、可逆性和高效率的特点。
滚珠丝杠的特点：
（1）与滑动丝杠副相比驱动力矩为1/3
由于滚珠丝杠副的丝杠轴与丝杠螺母之间有很多滚珠在做滚动运动，所以能得到较高的运动效率。
与过去的滑动丝杠副相比驱动力矩达到1/3以下，即达到同样运动结果所需的动力为使用滚动丝杠副的1/3。
在省电方面很有帮助。
（2）高精度的保证
滚珠丝杠副是用世界最高水平的机械设备连贯生产出来的，特别是在研削、组装、检查各工序的工厂环境方面，对温度、湿度进行了严格的控制，由于完善的品质管理体制使精度得以充分保证。
（3）微进给可能
滚珠丝杠副由于是利用滚珠运动，所以启动力矩极小，不会出现滑动运动那样的爬行现象，能保证实现精确的微进给。
（4）无侧隙、刚性高
滚珠丝杠副可以加预压，由于预压力可使轴向间隙达到负值，进而得到较高的刚性（滚珠丝杠内通过给滚珠加预压力，在实际用于机械装置等时，由于滚珠的斥力可使丝母部的刚性增强）。
（5）高速进给可能
滚珠丝杠由于运动效率高、发热小、所以可实现高速进给（运动）。
滚珠丝杠副的精度是影响机床的定位精度及重复定位精度的最主要的因素。
为了在机床的设计中更合理的选用滚珠丝杠副，使其充分发挥效能，必须进行一系列的计算。
3.3丝杠的计算
3.3.1滚珠丝杠副的导程计算
工作台横向X轴行程300mm，速度为0~30m/min，伺服电机最大转速为3000r/min,，算得其导程为：
（3-1）
式中:
Ph——丝杠导程，mm；
vmax——工件最大速度，m/min；
inmax——电机最大转速，r/min。
3.3.2滚珠丝杠副的载荷计算
（1）最小载荷
机床空载时滚珠丝杠副的传动力，如工作台重量引起的摩擦力
（3-2）
Fmin——最小载荷，N；
f——摩擦力系数；
G——滑座及工作台重力，N。
（2）最大载荷
选机床承受最大负荷时滚珠丝杠的传动力。
如机床切削时，切削力在滚珠丝杠副轴向的分力与导轨摩擦力之和即为Fmax（这时导轨摩擦力是由工作台、工件、夹具三者总的重量以及切削力在垂直导轨方向的分量共同引起的）。
（3-3）
Fmax——最大载荷，N；
Fc——夹具重量，N；
Fp——工件重量，N。
（3）平均载荷
平均载荷为：
（3-4）
（4）当量载荷
工作台进给速度为0~30m/min，故平均转速为：
（3-5）
丝杠的工作寿命取为10000h。
故：
（3-6）
当量动载荷
（3-7）
fw——负荷系数；
fa——精度系数。
3.3.3确定允许最小螺纹低经
丝杠要求预拉伸，取两端固定的支承形式
（3-8）
——最大轴向形变量，um；
L——行程，mm；
F0——静摩擦力，N。
3.3.4确定滚珠丝杠副得规格代号
查《机械设计师手册》，选型号为JCS3210-4的丝杠。
额定动载荷为。
符合要求。
丝杠直径为32mm，导程10mm。
滚珠丝杆及螺母副结构如图4-1。
图4-1滚珠丝杆及螺母副结构图
3.4伺服电机的选择
3.4.1基本原则
（1）考虑电动机的主要性能（启动、过载及调速等）、额定功率大小、额定转速及结构形式等方面要满足生产机械的要求。
（2）在以上前提下，优先选用结构简单、运行可靠、维护方便又价格合理的电动机。
（3）安装方式：
立式和卧式
（4）防护方式：
开启式、封闭式、防护式、防暴式。
（5）额定电压交流380～220V，或根据需要配变压器。
3.4.2额定转速的选择
根据生产机械的具体情况来选择要求重复、短时、正反转工作的生产机械，除应选择满足工艺要求的电动机额定转速外，还要保证生产机械达到最大的加、减速度的要求而选择最恰当地传动装置，以达到最大生产率或最小损耗的目标。
一般都是直接传动，而不是减速器。
3.4.3惯量匹配
工件和工作台的最大质量为3000kg,折算到电动机轴，其惯量为
（3-9）
m——工件和工作台的重量，kg；
v——速度，m/s；
w——角速度，rad。
丝杠惯量：
丝杠直径32mm，决定长度为920mm。
（3-10）
d0——丝杠直径，mm；
l——丝杠长度，mm；
——密度，取7.85103kg/m3。
负载惯量为：
（3-11）
最大切削负载转矩：
（3-12）
3.4.4电机选择
选伺服电机SM110-040-30LFB：
最高转速：
3000
；
额定转距：
4；
转子惯量：
0.6510-3；
功率：
1.2kw；
重量：
5.2kg。
3.3.5惯量匹配验算
（3-13）
（3-14）
惯量满足匹配要求。
3.3.6速度的验算
高速长丝杠工作时可能发生共振，因此验算其不会发生共振的最高转速ncr。
（3-15）
丝杠平均转速nav<
ncr，因此不会发生共振。
3.5滚珠丝杠副的安全使用
3.5.1润滑
为使滚珠丝杠副充分发挥机能，在其工作状态下，必须润滑，润滑的方式主要有以下两种：
（1）润滑脂
润滑脂的给脂量一般是螺母内部空间容积的1/3，滚珠丝杠副出厂时在螺母内部已经加注锂基润滑脂。
（2）润滑油
运动粘度28.5—74cst（400T）的润滑油，给油量随使用条件等的不同而有所变化。
3.5.2防尘
滚珠丝杠与滚动轴承一样，如果污物及异物进入就很快使它磨损，成为破损的原因。
因此，考虑有污物异物进入时，必须采用防尘装置，将丝杠轴完全保护起来。
另外，如没有异物，但有浮沉时可以在滚珠螺母两端增加防尘圈。
3.5.3使用
滚珠丝杠副在使用时应注意以下事项：
（1）滚珠螺母应在有效行程内运动，必要时在行程两端配置限位，以免螺母约程脱离丝杠轴而使滚珠脱落。
（2）滚珠丝杠副由于传动效率高，不能自锁，在用于垂直方向传动使，如部件重量未加平衡，必须防止传动停止或电机失电后，因部件自重而产生的逆传动。
（3）滚珠丝杠副正常工作环境温度为±
60C。
3.5.4安装
滚珠丝杠副在安装时应注意以下事项：
（1）滚珠丝杠副仅用于承受轴向载荷。
径向载荷、弯矩会使滚珠丝杠副产生附加表面接触应力等负荷，从而造成丝杠的永久性破坏。
因此，滚珠丝杠副安装到机床时，应注意丝杠的轴线必须和其配套导轨的轴线平行，机床的两端轴承座与螺母座必须三点成一线；
安装螺母时，应尽量靠近支撑轴承；
同时，安装支撑轴承时，应尽量靠近螺母安装部位。
（2）滚珠丝杠安装到机床时，尽量不要把螺母从丝杠上卸下来，如必须卸下来时要使用辅助套，否则装卸时滚珠有可能脱落。
螺母装卸时应注意辅助套外径应小于丝杠底径0.1~0.2mm；
辅助套早使用中必须靠紧丝杠螺纹轴肩；
装卸时，不可使用过大力以免螺母损坏；
装入安装孔时要避免撞击和偏心。
3.6联轴器的选择
已知：
电动机输出轴D=24mm
丝杠输入轴d=22mm
由《机械设计》表14-1查得KA=1.5
（3-16）
从JB/T9147-1999中查得SZL-02-24/22双锥套膜片弹性联轴器。
公称转矩：
80；
许用转速：
5000r/min；
轴孔直径：
10mm，32mm。
3.7Y轴和Z轴滚珠丝杠及伺服电机的选择
（1）Y轴
滚珠丝杠HJG2065-3：
额定动载荷：
Ca=9kN；
丝杠直径为：
20mm；
导程：
5mm。
伺服电机SM110-060-20LFB：
最高转：
2000
6；
110-3；
6.4kg。
（2）Z轴
滚珠丝FFZD3205-3：
Ca=11.3kN；
32mm；
伺服电机：
SM110-050-30LFB；
0.8210-3；
1.5kw；
5.8kg。
3.8伺服进给系统结构图的设计
由以上的分析计算可以设计出伺服进给系统的机构如图3-2~3-4所示。
图3-2伺服进给系统结构图（主视图）
图3-3伺服进给系统结构图（左视图）
图3-4伺服进给系统结构图（俯视图）
3.9
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