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青島農(nóng)業(yè)大學(xué)海都學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告
青島農(nóng)業(yè)大學(xué)海都學(xué)院
本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）開題報(bào)告
題 目： 一種新型金相試樣拋光機(jī)的設(shè)計(jì)
姓 名： 張?jiān)诮?
學(xué) 院： 海都學(xué)院
專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
班 級(jí)： 2006.02
學(xué) 號(hào)： 020060574
指導(dǎo)教師： 劉玉高
一、選題依據(jù)(擬開展研究項(xiàng)目的研究目的、意義等)
材料是人類生產(chǎn)和生活的物質(zhì)基礎(chǔ)，它可以直接反映出人類文明的程度。金屬材料的力學(xué)性能不僅與它的化學(xué)成分有關(guān)，也與它的組織結(jié)構(gòu)有著密切的關(guān)系。了解它們之間的關(guān)系并掌握它們之間的變化規(guī)律，進(jìn)行正確的金相分析是有效使用材料所必需的。
要進(jìn)行金相分析，就必須制備能用于微觀觀察檢驗(yàn)的樣品—金相試樣。通常，金相試樣制備要經(jīng)過以下幾個(gè)步驟：取樣、鑲嵌、磨光(粗磨和細(xì)磨)和拋光。每項(xiàng)操作都必須嚴(yán)格細(xì)心因?yàn)槿魏坞A段的失誤都可能影響以后的步驟，在極端的情況下，不正確的制作可能造成假組織，從而得出錯(cuò)誤的結(jié)論。金相試樣的制備是通過切割機(jī)、鑲嵌機(jī)、磨/拋光機(jī)來完成的。
金相試樣的最終質(zhì)量是由拋光工順序決定的，拋光是金相制取試樣過程中至關(guān)重要的一環(huán)。拋光是將試樣上磨制產(chǎn)生的磨痕及變形層去掉，使其成為光滑鏡面的最后工序。拋光試樣的方法有機(jī)械拋光、電解拋光、化學(xué)拋光以及復(fù)合拋光等。機(jī)械拋光是現(xiàn)階段應(yīng)用最為廣泛的拋光方法，其正確的工藝和操作方法是在保證獲得優(yōu)質(zhì)的試樣和其他條件(如邊緣保留及石墨和夾雜物保留等)的情況下具有最高的拋光速率選擇可靠性高的金相試樣拋光機(jī)，可以提高制樣效率和質(zhì)量，減少試樣廢品率，從而降低成本，提高經(jīng)濟(jì)效益，獲得樣品質(zhì)量的高度一致性。另外，金相檢驗(yàn)是故障分析和質(zhì)量檢驗(yàn)過程中一個(gè)不可缺少的手段，有時(shí)甚至比電鏡手段還重要，應(yīng)視為一種常規(guī)的分析手段。造成故障的主要影響因素有：加工工藝(熱處理、表面處理、鑄造、焊接等)、加工方法和加工步驟不當(dāng)造成的材料缺陷，以及使用中操作條件和環(huán)境的變化導(dǎo)致的損壞，都能通過金相檢驗(yàn)來識(shí)別。制備金相樣品是金相檢驗(yàn)中的必要步驟，而樣品制備的質(zhì)量受人為因素影響較大，在樣品的切割、磨光和拋光過程中，若操作不當(dāng)，極易使樣品表面產(chǎn)生變形或使磨面產(chǎn)生變形層而影響檢驗(yàn)效果。但隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，用微機(jī)控制的制取試樣的設(shè)備已經(jīng)問世，對(duì)各種材料有效制樣技術(shù)的數(shù)據(jù)庫己經(jīng)開始建立，用機(jī)械代替人工制樣已成為現(xiàn)實(shí)，而且制樣速度快，質(zhì)量高。
本課題設(shè)計(jì)一臺(tái)在現(xiàn)有拋光機(jī)的基礎(chǔ)上對(duì)其機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行了技術(shù)改造，為金相試樣制備提供一種更好的操作界面。
二、國內(nèi)外同類研究或同類設(shè)計(jì)的概況綜述(在充分收集研究主題相關(guān)資料的基礎(chǔ)上，分析國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，提出問題，找到研究主題的切入點(diǎn)，附主要參考文獻(xiàn))
2.1國外拋光機(jī)的性能與特點(diǎn)
(l)丹麥Struers公司研制的Abrapol-10型高科技自動(dòng)化立地式金相拋光機(jī)。試樣可以不經(jīng)鑲嵌裝在特殊夾具上，夾具由另一電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)，其轉(zhuǎn)動(dòng)方向與拋光盤相反。夾具與拋光盤之間的壓力可以在0～7OON之間任意調(diào)節(jié)。當(dāng)?shù)竭_(dá)預(yù)定拋光時(shí)間后，夾具自動(dòng)抬起并停止。夾具的特點(diǎn)是能適應(yīng)各種形狀的試樣。對(duì)于線材及尺寸較小的棒材試樣，可把試樣分成三組，用厚鋼板及螺釘固定在夾具上，每組可裝20～40個(gè)線材試樣，對(duì)于較大試樣每個(gè)夾具可以裝6塊。夾具上試樣孔的設(shè)計(jì)是使樣品與夾具及固定螺釘始終保持三點(diǎn)接觸。如果兩個(gè)人使用3臺(tái)這種設(shè)備，1小時(shí)可制備6至8個(gè)夾具試樣，實(shí)際上每個(gè)夾具試樣在3臺(tái)設(shè)備上的總有效時(shí)間總共只有6min，具有很高的拋光效率，而且試樣的拋光質(zhì)量能達(dá)到金相分析的要求。
(2)美國Buehler公司研制生產(chǎn)的vanguard型全自動(dòng)拋光機(jī)從粗拋到最后精拋整個(gè)過程全自動(dòng)完成，可以設(shè)置50個(gè)常用工作程序，操作界面友好，彩色液晶顯示，觸摸式操作，整個(gè)過程的每個(gè)工序之間都進(jìn)行夾持器和樣品的清洗與烘干，充分保證了樣品制備的高效與高制性，操作過程的全自動(dòng)化模式，節(jié)省了人工并提高了效率與質(zhì)量。試樣由拋光臂按照一定軌跡在拋光盤內(nèi)運(yùn)動(dòng)，拋光臂上的壓力可根據(jù)需要調(diào)節(jié)，最大可達(dá)20N。在預(yù)定的拋光時(shí)間內(nèi)，此壓力將逐漸自動(dòng)減小到零，這樣可減少拋光缺陷。拋光臂的速度也可以調(diào)節(jié)，每道工序只需2～5min，適用于各種材料。
2.2國內(nèi)拋光機(jī)的性能與特點(diǎn)
(1)上海長方光學(xué)有限公司生產(chǎn)的PG-1型金相拋光機(jī)配備0.2kw電機(jī)，拋光盤直徑為220mm，拋光速度可定制為900r/min～1400r/min。PG-l拋光機(jī)是采集多方面使用人員的意見和要求設(shè)計(jì)而成的，它具有傳動(dòng)平穩(wěn)，噪音小，操作、維修方便等優(yōu)點(diǎn)。該機(jī)的拋光盤直徑和傳遞功率均大于國內(nèi)同類產(chǎn)品，能適合更多種材料的拋光要求。
(2)南京測控科學(xué)器材有限公司研制的GPV型金相變頻調(diào)速拋光機(jī)采用無級(jí)變速，從1400～500r/min，并具有數(shù)字顯示轉(zhuǎn)速的功能變頻調(diào)速是被理論和實(shí)踐證明的“節(jié)能明顯，功能豐富，性能穩(wěn)定”的調(diào)速裝置，根據(jù)不同材料，拋光時(shí)需要選擇合適的速度，得到最佳的效果。該機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是能在很短的時(shí)間內(nèi)，達(dá)到最優(yōu)的拋光速度，并且消除試樣表面的劃痕，使試樣符合金相分析與研究的要求。
縱觀國內(nèi)外拋光機(jī)的狀況，國內(nèi)研發(fā)的拋光機(jī)在性能和外觀等方面還存在一定差距。例如，國內(nèi)研制的拋光機(jī)多數(shù)機(jī)型的拋光盤為單盤或雙盤，有水龍頭，但冷卻條件差由于冷卻條件差，試樣表面易發(fā)熱變灰暗，而且會(huì)繼續(xù)增厚形變擾動(dòng)層，對(duì)快速拋光好試樣帶來麻煩；拋光盤轉(zhuǎn)速固定不變，而金相試樣制備過程不允許組織變形，軟相(石墨)脫落，硬相(碳化物)浮凸，拋光后試樣表面應(yīng)光亮如鏡、無磨痕。為此，不同性質(zhì)的材料，需采取不同措施。
而國外研制的全自動(dòng)拋光機(jī)，能夠自動(dòng)控制冷卻液的流量，整個(gè)操作過程采用全自動(dòng)化模式，節(jié)省了人工并有效地提高了研究效率與質(zhì)量。
我國金相試樣制備的研究開發(fā)雖然已有幾十年的歷史，并己取得了一定的成績，但是和國外相比仍然有明顯的不足，制約我國金相試樣制備技術(shù)的因素主要有以下幾個(gè)方面：
（1）我國目前還沒有金相試樣拋光機(jī)國家標(biāo)準(zhǔn)，金相試樣拋光機(jī)作業(yè)質(zhì)量的測試指標(biāo)以及測試條件，各個(gè)生產(chǎn)研制單位大多是根據(jù)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)金相試樣拋光進(jìn)行測試檢驗(yàn)，判定標(biāo)準(zhǔn)不一，影響了新機(jī)型的開發(fā)研制。
（2）缺乏懂金相知識(shí)與機(jī)械設(shè)計(jì)及其控制的綜合性人才, 這無形中增加了我國金相取樣制樣設(shè)備的研究和開發(fā)的難度。
（3）冶金、機(jī)械、汽車、拖拉機(jī)、兵器、航天航空、軸承、工模具等制造行業(yè)中所需的金屬材料類型多樣化, 由于各種金屬材料的物理、化學(xué)等性能不一使拋光機(jī)在試驗(yàn)參數(shù)測定、確定最佳性能指標(biāo)等方面有很大難度。
（4）金相試樣拋光的機(jī)制研究和系統(tǒng)的理論欠缺，研究手段相對(duì)落后。我國金相試樣拋光機(jī)的設(shè)計(jì)和開發(fā)要適合我國的具體國情，不僅要適合我國廣大金相工作者對(duì)金相試樣拋光機(jī)各種性能的要求, 提高制樣質(zhì)量和自動(dòng)化程度，同時(shí)應(yīng)考慮到金相工作者不同知識(shí)層次的需要,，使設(shè)備力求操作簡單，安全可靠，而且應(yīng)考慮盡量降低成本，提高性能價(jià)格比，使金相試樣拋光機(jī)在各種規(guī)模、各種類型的企業(yè)實(shí)驗(yàn)室得到應(yīng)用和普及，促進(jìn)我國金相事業(yè)的發(fā)展。
參考文獻(xiàn)
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三、研究方案(研究內(nèi)容、目標(biāo)、研究方法、技術(shù)路線、擬解決的問題、特色或創(chuàng)新點(diǎn)等)
本課題設(shè)計(jì)一臺(tái)在現(xiàn)有拋光機(jī)的基礎(chǔ)上對(duì)其機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行了技術(shù)改造，為金相試樣制備提供一種更好的操作界面的一種新型的金相試樣拋光機(jī)。
拋光按其原理可以分為機(jī)械拋光，電解拋光，化學(xué)拋光，以及復(fù)合拋光。
(1)機(jī)械拋光
機(jī)械拋光是現(xiàn)階段應(yīng)用最為廣泛的拋光方法，其正確的工藝和操作方法是在保證獲得優(yōu)質(zhì)的試樣和其他條件(如邊緣保留及石墨和夾雜物保留等)的情況下具有最高的拋光速率。
(2)電解拋光
電解拋光是對(duì)難以用機(jī)械方法拋光的金屬試樣進(jìn)行拋光的重要手段，它可以克服金屬干擾層和機(jī)械巒晶假象等問題，對(duì)于用極低負(fù)荷的顯微硬度實(shí)驗(yàn)的樣品或透射電鏡的薄膜試樣特別有用。但每種金屬和合金所使用的拋光液和電解規(guī)范不同，因此需要進(jìn)行相當(dāng)數(shù)量的試驗(yàn)工作來確定電解拋光規(guī)范。
(3)化學(xué)拋光
化學(xué)拋光是完全依靠化學(xué)藥劑的腐蝕作用而得到光亮的拋光表面。這種方法操作簡便，不需要復(fù)雜的機(jī)械和電解設(shè)備，只需要選擇適合的化學(xué)拋光液和試驗(yàn)最佳拋光規(guī)范?；瘜W(xué)拋光的速度低，拋光后的磨面，表面光滑但形成起伏的波形，不能達(dá)到十分平整的要求。
而金相試樣拋光機(jī)對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)的要求有:精度高、運(yùn)行平穩(wěn)、工作可靠,具有良好的伺服性能。面對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)則要求:轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，以減小機(jī)械負(fù)載，避免對(duì)系統(tǒng)造成不良影響；剛度大，有利于減小動(dòng)力損失，提高固有頻率，增加閉環(huán)伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性；阻尼合適。為保證拋光精度和拋光質(zhì)量的要求，對(duì)所需的機(jī)械系統(tǒng)采用以下方案：
a. 設(shè)計(jì)動(dòng)力頭。 因?yàn)樵趻伖膺^程中需要及時(shí)變換工件的運(yùn)動(dòng)方向,使拋光紋路復(fù)雜多變,這樣有利于降低表面粗糙度并保證表面均勻一致。 因此動(dòng)力頭是拋光設(shè)計(jì)的技術(shù)關(guān)鍵,要設(shè)計(jì)出能帶動(dòng)夾具上升和下降；按設(shè)定壓力在夾具上產(chǎn)生彈性力;壓力在一定范圍內(nèi)自行調(diào)節(jié);驅(qū)動(dòng)夾具旋轉(zhuǎn);拋光一定時(shí)間后能自動(dòng)降低夾具上的彈性力的動(dòng)力頭。
b.設(shè)計(jì)夾具。 金相試樣拋光機(jī)機(jī)械制樣采用夾具夾持試樣,夾具帶動(dòng)試樣與磨盤相對(duì)摩擦,并在夾具上施加一定的壓力,夾具可以裝取多塊試樣以提高制樣效率,在夾具上所施加的壓力可以靈活調(diào)整。
c.控制方法的研究。在處理復(fù)雜系統(tǒng)控制問題時(shí)，傳統(tǒng)控制方法對(duì)于復(fù)雜性、不確定性、突變性所帶來的問題總有些力不從心。為了適應(yīng)不同技術(shù)領(lǐng)域和社會(huì)發(fā)展對(duì)控制科學(xué)提出的新要求，我們必須發(fā)展新的控制模式。近年來，在傳統(tǒng)控制中加人邏輯推理和啟發(fā)式知識(shí)，將傳統(tǒng)控制理論與模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等人工智能技術(shù)結(jié)合起來，充分利用人的控制知識(shí)對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行智能化控制，逐漸形成拋光機(jī)的智能控制。
d.冷卻方式的研究。多數(shù)試樣拋光方法最重要的特點(diǎn)是拋光時(shí)產(chǎn)生高溫，會(huì)造成金相組織發(fā)生變化，給金相分析造成困難因而，金相取樣時(shí)必須進(jìn)行充分冷卻。
四、進(jìn)程計(jì)劃(各研究環(huán)節(jié)的時(shí)間安排、實(shí)施進(jìn)度、完成程度等)
1. 檢索國內(nèi)外的資料，在認(rèn)真分析的基礎(chǔ)上確定合理方案，繪出草圖，完成開題報(bào)告：（5.1－5.6）
2.完成機(jī)械的總體設(shè)計(jì)：（5.6－5.16）
3.完成傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)分析和主要零部件的設(shè)計(jì)計(jì)算：（5.16-5.26）
4.繪制總裝圖和主要零件圖：（5.26-6.2）
5.編寫設(shè)計(jì)說明書，完成畢業(yè)論文：（6.2－6.10）
五、導(dǎo)師評(píng)語
指導(dǎo)教師簽字： 2010 年 月 日
六、教研室意見
教研室主任簽字： 200 年 月 日
七、學(xué)院意見
負(fù)責(zé)人簽字： 200 年 月 日
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