1、毕业设计开题报告 机械设计制造及自动化 水钻磨抛机主轴结构改进设计 1、 水钻磨抛机设备研发背景及意义 钻石象征着一个人的显贵和身份 , 是的 , 一颗美丽的钻石 , 蕴籍瑰丽、珍贵、神秘，它万千姿态，盈盈流光，散发出奇艳异彩 , 有着不可抗拒的魅力 , 但钻石的价格贵得惊人，让普通人可望而不可及。 自古以来 ,钻石以其独特的魅力吸引着人们时 ,人们也在不断地探索其成因 ,并试图在实室里复制钻石。罗马时期玻璃用于 仿制天然宝石。在欧洲由于富裕的中产阶级增多而使钻石的求猛增 ,在 15世纪出现了第一颗钻石的玻璃仿 品 5 。18 19世纪，由于矿物学和化学研究的深入，使人们 逐渐认识了天然宝石的
2、组成 ,19世纪开始出现合成宝石的商业生产。第一颗用 无色合成蓝宝石仿制钻石就是那时开始的。 1908年韦讷伊的一个学生合成了尖晶石 ,但到 1920 1930年才广泛用于仿制钻石。 1947年又出现了合金红石 ,合成金红石以其异常强的火彩、较低硬度仿照钻石并不成功。 1953年 ,钛酸锶成为种新的仿钻材料 ,采用焰熔法合成。但因其明比钻石强的火彩和极低的硬度难 以充当钻石它仿钻材料还有人造石榴石 YAG和 GGG,它并非合成石榴石 ,只是其结构与石榴石相 似其它仿制品相比 ,YAG的光学性质与钻石的更近 ,但它无生气。 1972年 YAG的产量达到高 ,现在 YAG晶体多用于激光设备。 19
3、70年出现采用冷坩埚法合成立方氧化锆以仿制钻 石 ,这是目前市场上最广泛使用的仿钻材料。莫依桑 被人所知已有 100多年了 ,但用其作钻石仿制是在 1998年。 随着人们物质文明和精神文明的提高，从而对自身的形象要求相应地也越来越高，配备的饰物不再单纯地从保值或增值的角度考虑，逐步向同服饰、爱好、场合等因素匹配着眼，因此希望饰物、备件多样化。同时，天然的钻石、宝石、玉石等矿物资源日益稀缺，故价格更 趋昂贵，而且色调、形状、均匀性均受到很大的限制。因而，人们对 水钻 的需求更为迫切，还希望品种丰富，绚丽多彩，形象逼真，价格低廉。用无机非晶态材料或玻璃来仿制品类众多的无色或彩色天然宝石和玉石，可以
4、达到以假乱真的程度，在外形和物化性能方面能通过组份的调节，使产品与天然矿石加工物难分伯仲，因为玻璃可以制成均相的非晶态，也能成为多相的含有液滴、微或金属颗粒的材料 1 。这样，能使广大佩戴饰物的时尚人士温文儒雅，更显风范，自我感觉身心愉悦，满足了日益增长的爱美心理需求，品类选择的范围庞大，经济上的花费不多，使人民的生 活质量日臻完美。 水钻，又称水晶玻璃钻石。水钻在现代豪华装饰中普遍地使用，全球需求量很大。目前，水钻生产在我国已形成颇具规模的一种行业，我国生产的水钻每年都大量的出口到世界各地尤其是欧美国家。 一颗水晶钻石成品的制作要经过很长的工艺过程，从配料烧结到打磨抛光等等。一颗成品水晶钻石
5、一般由十二个面组成，也有十八个面甚至更多面组成的。在水钻加工整个工艺工序过程中， 最关键工序是形面的磨削和抛光，传统的手工式机械加工钻石，由于装夹机构、分度机构的精度较低，以及加工者的水平不一，致使成品钻石的加工精度低、费品率 高，并提高了加工成本。 因而研发出 具有加工工时短，精度和自动化程度高等特点的新一代 水钻磨抛机具有重要意义。 2、 水钻制造工艺及加工设备的国内外发展现状 不像人工合成宝石，诸如合成红宝石，蓝宝石或水晶等，要求化学组成和物化性质同天然的一致。在人工控制的条件，杂质含量能降到极低，因此有些理化性能人工合成产品更优于天然制品，像制造半导体芯片的基材水晶。如果用玻璃来仿制各
6、类天然宝玉石，则偏重于表观相似，不要求化学组成相同，还有是在比重、硬度等理化性能方面手感相近即可。制成同仿制对象表现相近的玻璃基块后，尚需要研磨成与 天然宝石一样的多面体，在自然光下从各种角度观察比较，再在化学组成方面作些微调，就成与天然宝石非常相似得仿制产品。 仿宝石玻璃制造工艺与一般玻璃相似 ,经配料、熔化、成形、热加工、冷加工 (切割、研磨、抛光 )、镀膜等工序 ,根据所仿珠宝的品种、产量 ,工艺略有变化 2 。 熔制仿制品的玻璃基材，可以在实验室用电炉、铂金或刚玉坩锅操作，质量易控制，性能优良，重复性好，但产量偏低，成本就高。通常在工厂用大容量的甏或小型池炉生产，只要在操作流程中严格按
7、照工艺要求，就能获得合格的基材。 对原料的选择，总的要求是铁等杂 质含量尽可能低些，方能使产品的色泽鲜艳，晶莹剔透。 材料中氧化物组份的引进，选择的矿物原料和化工原料需根据仿制对象和熔制时的气氛要求而变更，诸如氧化铝可以分别由氧化铝、氢氧化铝和长石引进，但在特定条件下只能用其中的一种；红色或金黄色一般可选用硒和硫化镉为原料，但在高含量氧化铅的系统却不适用；同样，有些绿色的产品也只能从氧化铜、硫酸铜和氧化亚铜等选择一种或组合作为引进着色剂的原料。 熔制玻璃的温度大约 1400，因材料的化学组成变更需作相应的稠节。而熔制时间的长短将有更大范围的选择。 常见的是无色透明仿钻石用 作装饰，价格低廉，对
8、其材料的理化性能目前仅见是经过镀膜加金属基片后产品的综合数据，没有推道对玻璃基材的精确数值。去年中科院上海硅酸盐所研究人员协助浙江省企业消化、吸收和国产化（创新）从捷克引进的半机械化水钻研磨设备和工艺技术以及玻璃材质。讨论中，捷克专家组对玻璃基材的性能也没有明确更高的要求。国内研究人员认为，熔制玻璃基材的原料中铁杂质含量要低，使制成的玻璃高度透明无色，并且没有条纹和小气泡充分均匀一致达到光学玻璃即可，但化学稳定性需良好，因玻璃粒料研磨成17 个面或其它形状的半成品后需经过酸、碱溶液处理后镀 银膜等工艺过程。 如果品种单一，无色透明水钻的基材玻璃由于用量大。可以用工厂的窑炉，甚至是小型池炉生产，
9、对生产多种彩色水钻的玻璃基材可以根据用量大小和颜色的多少选择窑炉或实验室的稍大电炉熔制，用量小或颜色品种多都不适宜用小池炉生产。因炉内剩余的彩色玻璃玻要完全洗净是较困难的，因有些无机着色剂的 着色能力是非常强的。 根据对水钻装饰的晶莹闪亮要求，应该使玻璃基材的折射率尽可能高些，但要保持一定的黏度使其易成形操作。料性要长不能有析晶倾向。成本也应考虑，毕竟水钻的价格不高，而是以数量大而获取丰厚利润的 10 。 人造宝石研磨分为粗磨、细磨，粗磨在铸铁盘上 ,用金刚砂作磨料，然后在多孔、平面的砂岩轮上细磨。抛光则在木轮或毛毡轮上 ,抛光剂用氧化铈或氧化锡。为了提高生产效率，可采用金刚石粗磨轮进行粗磨
10、,金刚石树脂细磨轮进行细磨，氧化铈抛光轮 (由高弹性橡胶材料与氧化铈混合制成 )进行抛光 11 12 。 抛光后的人造宝石则根据品种要求，再进行镀膜 ,可镀反射膜、干涉膜等。传统的溶液喷涂法虽然设备简单，但膜层不易均匀 ,膜厚也不易控制，已逐渐已被真空沉积法、磁控溅射法所代替 14 15 。 在水钻加工整个工艺工序过 程中 ,水钻分度打磨是较为关键的一道工序，这道工序要求出来的产品均匀统一，被打磨过的面棱角分明，立体感强且大小一致。所以水钻打磨工序在整个水钻制作生产工序过程中要求很严格。水钻打磨是用一组打磨夹具进行分度打磨的 4， 13 ，见图 1： 图 1 分度打磨夹具 根据产品系列的款式大
11、小要求不同，通常一组夹具装上上百个蜗轮同时打磨上百颗水钻，而且水钻每个面的打磨都要求一致。因为每次打磨分度都要求十分精确，所以分度蜗杆是在分度打磨夹具的全部零件中最为重要的一个关键件。分度蜗杆的制作要求也很高 ，首先直线度要好，不能有弯曲跳动，齿面粗糙度值小且有一定的表面硬度。这样才能满足生产的使用和技术要求。 由东北大学夏永发、陈述平和鞍钢民政企业公司的赵新品联合设计的钻石饰品数控磨抛机床。该数控磨抛机床能自动完成钻石的装夹、分度、进给及观察多道工序该机机械系统 (图 2)由承平工作台、竖直进给工作台、回转工作台、主轴工作台以及磨削工作台组成。陈磨削工作台由交流电机驱动外，其余工作台均由步进
12、电机驱动，而每十步进电机均由计算机控制，使得能对位移量的微控制。竖直进给工作台用齿轮和滚动丝杠传动，使工件在磨削、抛光加工时的 进给量达到2pm，主轴及回转工作台的回转分度精度达到 0.05。大大地提高了系统的加工精度 6 。 机械系统 水平工作台 竖直进给工作台 磨削工作台 旋转工作台 主轴工作台 图 2 钻石饰品数控磨抛机床机械系统组成 PL C 作为一种工业控制用计算机具有模块化结构、与智能模块的配置灵活、处理速度高、数据处理高速精确、设计与维护方便以及优越的性价比等特点 ,广泛地应用于开关量的逻辑控制、模拟量控制、运动控制、过程控制、数据处理、通信及联网等方面 3 。 水晶研磨机是水晶
13、加工企业的常用机械 ,其高速高效的特点是人工研磨不可比拟的，华东理工大学信息科学与 工程学院的刘涛、刘漫丹开发出基于 PLC 的水晶研磨机控制系统，这种控制系统采用 THINGET XC3 系列 PLC 及 Touch Win 人机界面实现了水晶研磨机的控制。通过人机界面输入水晶珠的加工参数，包括时间、速度和角度参数，通过 PLC 的在线计算，将输入的速度和角度参数转化为脉冲量并传送到步进电机驱动器 ,再驱动步进电机按设定的速度和角度对水晶珠进行加工。这种采用 T HINGET XC3 系列 PLC 来控制水晶研磨机，既满足了控制的要求加工出各种形状精美的水晶，提高了效率和精度 ,还降低了设备
14、的成本 7 9 。 3、 课题 的研究内容及拟采取的技术路线、研究难点及预期达到的目标 3.1 课题的研究内容 (1)熟悉水钻磨抛机各种轴的优缺点，确定课题的设计方案。 (2)选择合适的材料。 (3)合理地确定轴的形状和尺寸。 (4)轴的工作能力的计算。 (5)轴的校核。 (6)完成主轴的装配图以及零件图及设计计算说明书。 3.2 技术路线 我们首先要 在阅读文献以及深入企业实习的基础上，了解水钻磨抛机的特点及工作原理 ，确定改进方案。第二， 提出水钻磨抛机主轴的改进设计方案， 根据给定的轴的功能要求，确定轴上零件的安装、定位以及轴的制造工艺等方 面完 成水钻磨抛机主轴的结构设计 ， 分析计算
15、 包括轴的强度计算、轴的刚度计算、轴的振动稳定性计算 。 第三， 完成相关的装配图以及零件图 。第四， 完成设计计算说明书。 3.3 轴设计过程中的技术难点 (1)轴的结构设计。 (2)轴的工作能力的计算。 3.4 预期达到的目标 本课题针对平湖思杰腾汽车设备生产有限公司现有水钻磨抛机主轴存在的问题进行改进设计，完成水钻磨抛机主轴结构的改进设计，解决现有设备存在的问题，完成主轴的装配图以及零件图及设计计算说明书。 4、 研究工作详细工作进度和安排 (1) 2011-01-10日前：通过文 献的收集和阅读完成文献综述和外文文献翻译。 (2) 01-10 03-04：完成开题报告。 (3) 03-
16、05 03-25：完成水钻磨抛机总体设计方案。 (4) 03-26 04-30：完成水钻磨抛机主轴结构设计计算和设计图纸。 (5) 05-01 05-12：整理毕业论文资料，完成毕业论文的初稿。 (6) 05-13 05-20: 毕业论文的修改和完善。 (7) 05-21 05-26: 毕业论文答辩准备工作。 (8) 05-27 05-29: 毕业论文答辩。 5、 参考文献 1印保忠 ,胡百柳彩色玻璃 水钻、仿宝石、仿玉石及琉璃的生产和应用 C 上海市老科学技术工作者协会第五届学术年会论文集 ， 2007:108-111. 2王承遇 ,潘玉昆 ,陶瑛仿珠宝玻璃的制造 J 玻璃与搪瓷，2006,
17、34(3):37-43. 3刘 涛 ,刘漫丹 .基于 PLC 的水晶研磨机控制系统设计与实现 J机械工程与自动化， 2010,(5):155-159. 4曾妙城 .水钻打磨夹具分度蜗杆加工的工艺分析 J广西轻工业， 2009(9): 5 Peter Cartwright钻石仿制品 J.宝石和宝石学杂志， 2004,6(5)： 35,82. 6夏永发 ,陈述平 ,赵新品 . 钻石饰品数控磨抛机床设计 J. 机械设计与制造 ,2001,(2):13-14. 7巩长庆 . 新型 RPM 树脂磨盘连续磨抛机 J. 石材 ,2010,(6):23-26. 8张梅 ,黄晖 .碲锌镉晶片的机械化学磨抛分析
18、J.红外技术， 2008,30(2)：111-113. 9易国民 ,周健伊 ,易臻希 . 精密磨抛头设计 J. 科技资讯 ,2007,(29):92-93. 10徐道元 ,杨丽珠 .自动磨抛机在金相检验中的应用 J. 理化检验 (物理分册 ),2007,43(1):48-49. 11任恢跃 . 一种圆弧板磨抛及切边的工艺装备 J. 石材 ,1999,(12):22-24. 12余忠民 ,匡同春 ,白晓军 ,王成勇 ,郭钟宁 .CVD 金刚石膜的机械抛光加工研究 J.硬质合金， 2000,17(3):151-155. 13袁慧 ,樊晶明 ,王成勇 ,魏听 .半自动磨抛机磨削远动轨迹和结构设计研究
19、J.技术探讨， 1998， (9)： 13-14. 14 Jianyun Shen,Weimin Lin,Hitoshi Ohmori,Xipeng Xu.Surfaces Formation of Precision ELID Grinding Rock MineralsJ.301-304. 15 CANHUA LI,ISHWARA B.BHAT,RONGJUN WANG,JOSEPH SEILER. Electro-Chemical Mechanical Polishing of Silicon CarbideJ.Journal of ELECTRONIC MATERIALS， 2004,33(5).481-486.
