李伟毕业设计说明书

本科毕业设计(论文)题目金属金相试样切割机

学院名称机械设计制造及其自动化

专业班级机械09-2

学生姓名李伟

导师姓名冯衍霞

2013年 6 月 7 号

摘要 (1)

第一章概述与可行性论证 (4)

1.1金属金相试样的介绍 (4)

1.2.目的及意义 (4)

1.3.设计要求 (5)

(5)

第三章总的设计方案与电动机的选择 (5)

3.1方案拟定与设计内容 (5)

3.2电动机的选择 (5)

3.2.1 选择电动机类型和结构形式 (5)

3.2.2 电动机的参数选择 (6)

第四章传动机构的设计 (7)

4.1 轴的设计计算 (7)

4.2 轴的结构设计 (9)

第五章控制系统的设计 (9)

5.1夹具的主要结构与使用 (9)

5.2 进给机构的设计 (11)

结束语 (16)

致谢 (16)

参考文献 (17)

摘要

金相试样切割机主要用于金相试样的截取和各种材料的下料、切口等，在冶金、汽车、航空航天等制造业中应用极为广泛。20世纪90年代后，金相制样技术发展极为迅速，金相试样切割机作为金相取样设备也取得了很大的进步。

本设计通过对金相试样切割机的整体造型、机械结构和控制系统进行了分析，完成了切割机主体结构的设计，控制系统采用了铣床导轨原理，实现了低成本和手动化。

最后确定切割机的装配总图。通过此次设计，掌握了相关设计的主要步骤，并对于CAD软件应用方面有了进一步的提高。

关键词：金相试样切割机机械设计手动控制控制系统低成本

Abstract

Metallographic sample cutting machine mainly used for the interception of metallographic specimens and cutting material, incision, etc., in the metallurgical, automotive, aerospace and other manufacturing industries in a wide range of applications. After the 20th century, 90's, metallographic sample preparation is extremely rapid technological development, metallographic metallographic specimen cutting machine as the sampling equipment has also made great progress.

The design of metallographic sample cutting machine's overall design, mechanical structure and control system analysis, completed the main structure of cutting machine design, control system uses the principle of the rail milling machine to achieve a low-cost-based and manual.

Cutting machine to finalize the general layout of the assembly. With this design, is in control of the main steps related to the design and the CAD software applications has been further improved.

Keywords：Metallographic sample cutting machines；

Mechanical design；Manual control；Control systems ；

Low-cost

第一章概述与可行性论证

1.1金属金相试样的介绍

金属零件的力学性能不仅与它的化学成分有关，也与它的金相组织密切

相关。金相检验是控制和评定产品质量不可缺少的重要手段，是科学研究中

研究新材料、新工艺和提高金属制品内在质量的重要方法。

要进行金相分析，就必须制备能用于微观检验的样品——金相试样。通常，金相试样的制备要经过取样、镶嵌、磨光和抛光几个步骤。每个步骤都应该细心操作，因为任何阶段上的失误都可能影响最后的结果，因为这可能会造成组织假象，从而得出错误的结论。金相试样的制备是通过切割机、镶嵌机、磨／抛光机来完成。金相试样的截取是金相试样制备过程中一个重要环节。截取试样的方法有手锯、锯床、砂轮切割机和线切割机等等。根据零件的形状和材料，选择适当的方法来切割。目前砂轮切割机广泛应用于金相试样的截取上，主要原因是其适应性强，树脂砂轮片可切割软的金属零件如铜、铝及合金和硬的金属零件如淬火后的碳钢、高速钢；金刚石切割机可切割超硬材料如硬质合金、陶瓷等。另外其切割速度快、劳动强度低、操作简便和切割成本低。选择可靠性高的金相试样切割机，可以提高制样效率和质量，降低成本，提高经济效益。

1.2.目的及意义

金相试样切割机主要用于金相试样的截取和各种材料的下料、切口等，在冶金、汽车、航空航天等制造业中应用极为广泛。20世纪90年代后，金相制样技术发展极为迅速，金相试样切割机作为金相取样设备也取得了很大的进步。本设计通过对金相试样切割机的整体造型、机械结构和控制系统进行了分析，完成了切割机主体结构的设计，控制系统采用了铣床导轨原理，实现了低成本和手动化。

与此同时，在设计的过程中，能培养我综合运用所学知识，分析和解决实际中所遇到的问题，并且能巩固和深化我所学到的专业知识，提高我在调查研究和收集资料等方面的能力。

希望在此次毕业设计中，充分发挥我的创新能力，树立良好的学术思想和工作作风，牢牢把握住这次走上岗位之前的实践机会，充分锻炼出自己的工作能力。

1.3.设计要求

金相试样切割机的具体设计要求为：

（1）利用CAD软件设计

（2）确定结构的尺寸

（3）绘制相应的零件图、实体图及总装配图

第二章金相试样切割机主要原理

2.1 主要原理

本切割机的切割砂轮直接固定在与电动机的轴同轴线相连接的轴上，利用导轨的横向和纵向的移动来切割固定在钳口中的试样电动机固定在底座上，轴套套在电动机的轴上，砂轮片由螺母和轴肩加以固定。加紧装置固定在导轨上滑板，可沿纵向移动的，由手柄的转动来移动钳口把试样夹紧在钳座中，当转动手柄时，就可以进行试样切割了

。

第三章总的设计方案与电动机的选择

3.1方案拟定与设计内容

根据工件运动和砂轮片运动形式可将金相切割机分为两类，一类为工件运动，砂轮片固定不动的切割机；另一类为工件固定不动，砂轮片运动的切割机。本切割机采用的运动方式是工件运动，砂轮片固定不动的切割模式。

3.2电动机的选择

3.2.1 选择电动机类型和结构形式

根据已知的电源、工作条件、和功率特点选择电动机的类型和结构形式是：Y2系列三相异步电动机。

3.2.2 电动机的参数选择

根据设计任务书，由有关手册查出电动机性能参数如下：

表1 电动机性能参数

电动机主要外形如图1所示，安装尺寸列于下表2：

图1 电动机主要外形和安装尺寸

表2 电动机的安装尺寸

第四章传动机构的设计

切割机的切割砂轮直接固定在与电动机的轴同轴线相连接的轴上，根据切割砂轮的规格尺寸设计轴的尺寸并检验。

4.1 轴的设计计算

安装切割砂轮的轴与电动机轴直接通过套筒连接，首先对轴进行设计计算。已知轴上的功率P，转速n，求转矩T：

P=0.12KW

n=1370r/min

T=9550P/n =0.84N.M

4.1.1 初步确定轴的最小直径

选取轴的材料为45钢，调质处理。根据有关手册取112

=，于是得

dmin=A

03p/n=11231370

.0 =4.94 mm

输入轴的最小直径显然是安装切割机砂轮处轴的直径d

Ⅰ-Ⅱ,

。根据砂轮的规格尺寸，故

Ⅰ-Ⅱ

= 10 mm

Ⅰ-Ⅱ

= 8 mm 。

4.1.2轴的挠度计算

由于轴与电机轴同步转动，选择联轴器。为了方便，联轴器与轴做成一体，

长度L = 58 mm ，其中L

Ⅰ-Ⅱ = 8 mm ，则L

Ⅱ-Ⅲ

= 50 mm 。

挠度计算公式如下：

max

=—FL3/3EI

式中：

P—切割时作用在轴上的力，P=4.9N；

L—轴的长度，L=58mm；

E—弹性模量，查手册：E=206GPa；

I—惯矩，I=πd4/32;

[y]—许用挠度，[y]=0.05mm。

则 d>=19.5mm

为了满足切割砂轮的轴向定位要求，Ⅰ-Ⅱ轴段右端需制出一轴肩，而且为了避免电动机的轴向窜动，选择推力球轴承加以轴向固定。根据标准件轴承的内

径尺寸，故取Ⅱ-Ⅲ段的直径d

Ⅱ-Ⅲ

=20mm.轴承类型：51204（GB/T 301--1995）。

为了轴承的安装固定，在轴承的最左边设置有轴肩，直径为32mm。长度为6mm。

轴的内部为了连接电动机的轴所以为空心，其空心长度为23mm，直径为11mm。，且有键槽，键槽高度为2mm。

砂轮的轴向固定轮安装在轴上后，左端用轴肩来固定，右端使用螺母。所以轴的Ⅰ-Ⅱ段攻有螺纹，由于要留有砂轮装配空间，故螺纹长度占有6mm。螺母规格：D=M10（GB/T 6174）

4.2 轴的结构设计

图2 轴

第五章控制系统的设计

5.1夹具的主要结构与使用

如图所示,该夹具由手轮、丝杆、丝母、左夹具、右夹具组成。丝母和左夹具是固定不动的,当旋转手轮时,丝杆依靠螺旋作用前进或后退,用来夹紧或松开工件，丝母在夹紧或松开过程中起导向和支承作用。由此可见这种夹具是依靠非常简单的螺旋运动前进或后退,来实现对工件的夹紧或松开。例如我们驱动夹具压杆前进50mm ,压杆的螺距为5mm ,当手轮旋转一周时压杆前进了5mm。通过计算可知,若要实现压杆前进50mm ,手轮需旋转10圈。

图3夹紧装置

关于夹紧力的计算,夹紧力的计算可有下式进行:

W = QL/（r1tgΦ1 + r2tg(α+φ2)）

式中:

Q —手驱动力取Q = 300N;

L —手轮半径L = 10mm;

r1 —压杆端部与工件间的当量摩擦半径, 假设压杆与工件为点接触,则r1 = 0;

r2 —压杆螺纹中径的一半, r2 = 4.5mm(注:压杆螺纹为10mm) ;

Φ1 —压杆端部与工件间的摩擦角, tgΦ1 = 01;

α—压杆螺纹升角;α= 2°28′;

Φ2 —压杆螺纹螺旋副的当量摩擦角，Φ2 = 6°38

则夹紧力W≈1974(N) 。

对工件的夹紧力为:

W′= Wf = 9868 ×0.7 =1382(N)

f —卡爪与压杆之间的摩擦系数

由此得出,该夹具已完全可以实现对工件的夹紧(一般砂轮切割机夹具的的夹紧力只需800N～1300N)

此外，为了右夹具能够随着丝杆的移动而实现进给或退出，也为了连接丝杆与夹具，将夹具分为上下两个部分，如下图所示：

图4 夹具下部

图5 夹具上部

5.2 进给机构的设计

导轨由横向螺杆和纵向螺杆带动，横向螺杆通过导块运动带动导轨横向移动，纵向螺杆通过导块运动带动导轨纵向移动。螺杆一端分别安装有手轮，手轮上刻有刻度，以满足不同的切割要求。

导轨为了实现横向和纵向进给，可以把工作台分为上滑板、中滑板、下滑板三部分。导轨的行程为80mm，则滑板尺寸的长、宽为100mm，而高度随情况而定，具体数值见图4、图5、图6。

由于横向及纵向螺杆在进给过程中受力很小，强度及其他性能指标均能满足。根据情况选择螺杆直径为12mm，螺距为5mm，当手轮旋转一周时螺杆前进了5mm。。手轮直径比螺杆稍大为20mm，上面刻有100个小格，每小格为0.05mm。导块与螺杆装配一起，在螺杆旋转时导块分别引领和带动上滑板或中滑板进行横向或纵向移动。故导块上开有螺纹孔，为了与螺杆配合，孔径为12mm，螺距为5mm。具体位置尺寸见图4、图5。

为保证导轨正常工作，导轨滑动表面之间应保持适当的间隙。间隙过小，会增加摩擦阻力；间隙过大，会降低导向精度。导轨的间隙如依靠刮研来保证，工作量很大，而且导轨经过长期使用后，会因磨损而增大间隙，需要及时调整，故导轨应有间隙调整装置。本切割机采用燕尾槽型导轨，需要在水平方向上调整间隙。用螺钉调整镶条位置。

具体如下：

图6 上滑板

图7 中滑板图8 下滑板

图9 进给装置

第六章键的选择与校核

6.1 键的选择

根据键连接轴段的直径与轴上零件齿轮的轮毂长度，现选择A型（圆头）普通平键连接，具体尺寸如下：

1.导轨进给系统中丝杆与手轮之间的键连接：

B*L*H：2*7*3

2.夹具中丝杆与手轮之间的键连接：

B*L*H：2*7*3

3.电动机与轴之间的键连接：

4.B*L*H：4*23*5

6.2 键的校核

在本设计中，平键连接只用于传递转矩，对于采用常见的材料组合和按标准选取尺寸的普通平键连接，其主要失效形式是工作面被压溃。除非有严重过载，一般不会出现键的剪断。因此通常只按工作面上的挤压应力进行强度校核计算。现选择电动机与轴之间的连接键来进行强度校核：

传递的转矩T=0.84N·m

键的高度h=5mm

键与轮毂键槽的接触高度k=0.5h=2.5mm

键的工作长度l=L-b=19mm

轴的直径d=20mm

键、轴、轮毂中最弱材料的许用挤压应力[σ

]=100MPa

则σ

p =7.1

kld

2T3

MPa＜[σ

]=100MPa

故安全，键强度合格。

用上述方法验算其他键强度，经验算校核，各键强度均合格。

第七章机座的设计

首先，根据导轨进给系统与电动机的大小，以及二者的位置分析，将机座设定为330*255mm。

关于电动机的机座，按照标准设定四个孔用于固定电动机，其尺寸为80*100mm，两边个留有一段缓冲空间分别是15mm和20mm。

暂将前一种方法定位方案一，后一种定为方案二，现在爱分析两种方案的优缺点:

方案一，利用刀片的右边缘来切割金属试样。它的优点是：便于被切割金属的安装，而且在机座上切割砂轮的正下方留有漏口后，便可以使切割碎屑以及冷却液顺着漏口流走，避免其到处迸溅，，安全性上有一定的保障。这种方案的缺点就是有效切割距离比较小。

方案二，利用刀片的下边缘来切割金属试样。它的优点是：实际有效切割距离要比方案一大很多。但是也有一定的缺点，就是不方便金属试样的安装，而且不能有效的控制切屑与冷却液，需要安装罩壳。

综上所述，再查阅有关资料，得出方案一优于方案二，故选择方案二，那么安装电动机的几座要高于水平机座21mm，且凸出部分厚度为5mm，其余部分厚度为10mm。

图10 方案一图11 方案二

结束语

在此次设计的过程中，培养了我的综合运用所学知识的能力，分析和解决实际中所遇到问题的能力，并且能巩固和深化我所学的专业知识，使我在调查研究和收集资料等方面有了显著的提高，同时在理解分析能力、制定设计计算和绘图能力方面有较大的进步；另外我的技术分析和组织工作的能力也有一定程度的提高。

致谢

非常感谢学院领导和老师给我提供了这次良好的深入学习的机会和宽松的学习环境。通过这次毕业设计，不但使我将大学期间所学的专业知识再次回顾学习，而且也使我学到了专业领域中一些前沿的知识。非常感谢在本次设计中曾给予我耐心指导和亲切关怀的老师及帮助过我的同学，正是由于他们的帮助和鼓励才使我能够在毕业设计过程中克服种种困难，最终顺利完成论文，他们的学识和为人也深深地影响着我。在此，请允许我再次向曾直接给予我多次指导的导师表示最忠诚的敬意！同时也感谢百忙之中前来参加答辩的各位老师、专家和教授

参考文献

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［3］毛谦德,李振清.袖珍机械设计手册第三版[Ｍ].北京：机械工业出版社，

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