核桃去殼機的設計【核桃破殼機】
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核桃去殼機的設計
第一章 引言
1．1 課題提出的背景
核桃中富含脂肪和蛋白質，既是主要的食用植物油來源，而且又可提供豐富的植物蛋白質。利用核桃或脫脂后的核桃餅粕的蛋白粉，可直接用于焙烤食用，也可作為肉制品、乳制口、糖果和煎炸食品的原料或添加劑。以核桃蛋白粉為原料或添加劑制成的食品，既提高了蛋白質含量，又改善了其功能特性。核桃蛋白粉還可以通過高壓膨化制成蛋白肉。核桃是食用植物油工業(yè)的重要原料，利用核桃油可制造人造奶油、起酥油、色拉油、調和油等，也可用作工業(yè)原料。核桃除經簡單加工就可食用外，經深加工還可以制成營養(yǎng)豐富，色、香、味俱佳的各種食品和保健品。核桃加工副產品核桃殼和核桃餅粕等可以綜合利用，加工增值，提高經濟效益。
核桃在制取油脂、制取核桃蛋白、生產核桃儀器以及在核桃貿易出口時，都需要對核桃進行預處理加工。核桃的預處理主要包括核桃的剝殼和分級、破碎、軋胚和蒸炒等。
核桃在加工或作為出口商品時，需要進行剝殼加工。核桃在制取油脂時，剝殼的目的是為了提高出油率， 提高毛油和餅粕的質量，利于軋胚等后續(xù)工序的進行和皮殼的綜合利用。傳統(tǒng)的剝殼為人力手工剝殼，手工剝殼不僅手指易疲勞、受傷，而且工效很低，所以核桃產區(qū)廣大農民迫切要求用機器來代替手工剝殼。核桃剝殼機的誕生在很大程度上改變了這種局面，使核桃產區(qū)的農民不必再采用最原始的剝殼方法進行剝殼，從而大大地減輕了農民的體力勞動，同時還提高了核桃剝殼的效率。
核桃脫殼機是將核桃莢果去掉外殼而得到核桃仁的場上作業(yè)機械。由于核桃本身的生理特點決定了核桃脫殼不能與核桃的田間收獲一起進行聯(lián)合作業(yè)，而只能在核桃莢果的含水率降到一定程度后才能進行脫殼。隨著核桃種植業(yè)的不斷發(fā)展，核桃手工脫殼已無法滿足高效生產的要求，實行脫殼機械化迫在眉睫。
1．2 核桃脫殼機械的發(fā)展
我國核桃脫殼機的研制自1965年原八機部下達核桃脫殼機的研制課題以來，已有幾十種核桃脫殼機問世。只進行單一脫殼功能的核桃脫殼機結構簡單，價格便宜，以小型家用為主的核桃脫殼機在我國一些地區(qū)廣泛應用，能夠完成脫殼、分離、清選和分級功能的較大型核桃脫殼機在一些大批量核桃加工的企業(yè)中應用較為普遍。國內現(xiàn)有的核桃脫殼機種類很多，如6BH一60型核桃剝殼機、6BH一20B型核桃剝殼機、6BH一20型核桃脫殼機等(技術參數(shù)見附表)，其作業(yè)效率為人工作業(yè)效率的2O～60倍以上。錦州俏牌集團生產的TFHS1500型核桃除雜脫殼分選機組一次能實現(xiàn)核桃原料的脫殼、除皮、分選，是一種比較先進的核桃后期生產機械。偉民牌6BH一720型核桃脫殼機帶有復脫、分級裝置，采用搓板式脫殼、風力初選、比重分離清選等裝置，具有結構緊湊、操作靈活方便、脫凈率高、消耗動力小等特點。6BK一22型核桃脫殼機是一種一次喂料就可完成核桃脫殼工作的機械，經風力初選、風扇振動、分層分離、復脫清選分級后的核桃仁可直接裝袋入庫。6BH一1800型核桃脫殼機械采用了三軋輥混合脫殼結構，能夠進行二次脫殼。而隨著我國核桃產業(yè)的進一步調整，核桃產量逐年增加，核桃的機械化脫殼程度將大幅提高，核桃脫殼機械將擁有廣闊的發(fā)展前景。
核桃剝殼的原理很多，因此產生了很多種不同的核桃剝殼機械。核桃剝殼部件是核桃剝殼機的關鍵工作部件，剝殼部件的技術水平決定了機具作業(yè)剛核桃仁破碎率、核桃果一次剝凈率及生產效率等重要的經濟指標。在目前的生產銷售中，核桃仁破碎率是社會最為關心的主要指標。
八十年代以前的核桃剝殼機械，破碎率一般都大于8%，有時高達l5%以上。加工出的核桃仁，只能用來榨油，不能作種用，也達到出口標準。為了降低破碎率而探討新的剝殼原理，研制新式剝殼部件，便成為核桃剝殼機械的重要研究課題。從六十年代初，開始在我國出現(xiàn)了封閉式紋桿滾筒，柵條凹板式核桃剝殼機。自1983年以來，在已有的核桃剝殼部件的研制基礎上，我國又相繼研制了多種不同結構型式的新式剝殼部件，其主要經濟技術指標，特別是破殼率指標大有改善。
以下介紹一下我國上個世紀幾種主要的核桃剝殼部件
1．封閉式紋桿滾筒，柵條凹板式核桃剝殼部件
圖 1-1封閉式紋桿滾筒
六十年代初， 我國在吸收國外技術的基礎上，研制了TH-340型核桃剝殼機，其剝殼部件是在一個圓筒上鑲上若干根紋桿組成的封閉式紋桿滾筒，下面裝有若干根圓鋼條組成的柵條式凹板，如圖1-1封閉式紋桿滾筒所示。
在該機構中核桃進口大(3O-50毫米)，出口小(1O-25毫米)，工作時，核桃果在滾筒的推動下由進口向出口端運動，在滾筒和凹板的沖擊、擠壓、揉搓作用下直接脫殼，核桃受列剝殼機的直接搓擦作用，系強制脫殼，故破碎率高。剝殼時， 直徑同凹板柵縫一樣大小的單粒果及雙粒果便從柵縫中分離出來，所以一次剝凈率低，最高80％。為了將混在一起的核桃仁和未脫果分離開來，采用柵條式凹板的剝殼機一般要配置分離機構。后來研制并生產的TH-47O型，6 BH-570型等型式的剝殼機，結構與其大同小異，剝殼質量均不理想。
2． 封閉橡膠板滾筒，直立橡膠板式剝殼部件
該機的剝殼部件是由封閉膠輥和直立膠板組成，剝殼原理系擠壓式，如圖1-2剝殼部件所示
圖1-2剝殼部件
作業(yè)時，核桃果在膠輥的推動下，通過剝殼間隙(5—20毫米)，由膠輥和膠板的擠壓作用脫殼，避開了剝殼部件的揉搓作用,破碎率有所降低，但仍在5％以上。另外，因直徑小于剝殼間隙的小果未經剝殼便被分離出來，故一次剝凈率很低，只有30%左右。所以不得不增設循環(huán)機構，以使核桃經多次擠壓脫殼，致使機器結構復雜、龐大，造價較高。
3． 開式紋桿滾筒，編織凹板式核桃剝殼部件
剝殼部件采用了由兩根金屬紋桿組成的開式紋桿滾筒和用編織絲網(wǎng)制成的編織凹板，其結構如圖1-3凹板式核桃剝殼部件所示
圖 1-3凹板式核桃剝殼部件
作業(yè)時，核桃果在滾筒的推動下，受擠壓揉搓脫殼，該結構與封閉滾筒式不同，核桃果受到開式滾筒的攪拌作用，剝殼力帶有柔性，故其破碎率較低，可控制在3%-5% 。另外，與柵條式凹板不同，因系編織網(wǎng)孔凹板，剝殼時，只有直徑小于網(wǎng)孔尺寸的單粒癟果末脫殼而被網(wǎng)孔分離，雙粒長果則漏不出來，仍被剝殼，故剝凈率較高。
4． 立式剝殼機構
剝殼部件采用了由兩根扁鋼條焊接而成的立式轉子，下面裝著用編織絲網(wǎng)制成的編織平底篩，該剝殼部件如圖1-4所示。
圖 1-4立式剝殼部件
在剝殼室內，核桃果受立式轉子的推動而相互磨擦，從而達到剝殼的目的，此方法系柔性揉搓剝殼。實踐證明，該機破碎率較低，可控制在3％以下。其缺點是由于采用立式傳動， 故傳動機構較為復雜。
5． 開式扁條滾筒，編織凹板式核桃剝殼部件
采用了由三根扁鋼條制成的開式扁條滾筒，和用編織絲網(wǎng)制成的凹板結構，如圖1-5開式扁條滾筒所示。作業(yè)時，核桃果在扁條的推動下隨滾筒轉動，在滾筒和凹板之間形
圖 1-5開式扁條滾筒
成一個活動層，核桃果在該活動層內互相揉搓而脫殼。由于在該機構中，避開了剝殼部件的直接擠壓， 沖擊的作用，而是核桃搓核桃，系柔性剝殼，故破碎率較低， 該機鑒定時實測破傷率(破碎率+損傷率)為0．91。另外脫凈率及生產效率等指標亦較理想。
1．3 核桃脫殼機械的研究應用現(xiàn)狀
目前國內核桃脫殼機從其脫殼原理、結構和材料上基本可分為以打擊、揉搓為主的鋼紋桿——鋼柵條凹板 以擠壓、揉搓為主的橡膠滾筒一一橡膠浮動凹板兩大類，但脫殼質量均不高，破損率都大于8 %，剝出的核桃米只能用于榨油和食用，滿足不了外貿出口和作種子的要求。探索先進的脫殼原理是解決脫殼機現(xiàn)存問題的重要途徑。
1．3．1 目前核桃脫殼機采用的脫殼原理
目前應用比較廣泛的核桃機械脫殼原理有以下幾種。
撞擊法脫殼 撞擊法脫殼是物料高速運動時突然受阻而受到沖擊力，使外殼破碎而實現(xiàn)脫殼的目的。其典型設備為由高速回轉甩料盤及固定在甩料盤周圍的粗糙壁板組成的離心脫殼機。甩料盤使核桃莢果產生一個較大的離心力撞擊壁面，只要撞擊力足夠大，莢果外殼就會產生較大的變形，進而形成裂縫。當莢果離開壁面時，由于外殼具有不同的彈性變形而產生不同的運動速度，莢果所受到的彈性力較小，運動速度也不如外殼，阻止了外殼迅速向外移動而使其在裂縫處裂開，從而實現(xiàn)籽粒的脫殼。撞擊脫殼法適合于仁殼間結合力小，仁殼間隙較大且外殼較脆的莢果。影響離心式脫殼機脫殼質量的因素有，籽粒的水分含量、甩料盤的轉速、甩料盤的結構特點等。
碾搓法脫殼 核桃莢果在固定磨片和運動著的磨片間受到強烈的碾搓作用，使莢果的外殼被撕裂而實現(xiàn)脫殼。其典型的設備為由一個固定圓盤和一個轉動圓盤組成的圓盤剝殼機。莢果經進料口進入定磨片和動磨片的間隙中，動磨片轉動的離心力使籽粒沿徑向向外運動，也使莢果與定磨片問產生方向相反的摩擦力；同時，磨片上的牙齒不斷對外殼進行切裂，在摩擦力與剪切力的共同作用下使外殼產生裂紋直至破裂，并與殼仁脫離，達到脫殼的目的。該種方法影響因素有，莢果的水分含量、圓盤的直經、轉速高低、磨片之間工作間隙的大小、磨片上槽紋的形狀和莢果的均勻度等。
剪切法脫殼 核桃莢果在固定刀架和轉鼓間受到相對運動著的刀板的剪切力的作用，外殼被切裂并打開，實現(xiàn)外殼與果仁的分離。其典型設備為由刀板轉鼓和刀板座為主要工作部件的刀板剝殼機。在刀板轉鼓和刀板座上均裝有刀板，刀板座呈凹形，帶有調節(jié)機構，可根據(jù)核桃莢果的大小調節(jié)刀板座與刀板轉鼓之間的間隙。當?shù)栋遛D鼓旋轉時，與刀板之間產生剪切作用，使物料外殼破裂和脫落。主要適用于棉籽，特別是帶絨棉籽的剝殼，剝殼效果較好。由于其工作面較小，故易發(fā)生漏籽現(xiàn)象，重剝率較高。該種方法影響因素有，原料水分含量、轉鼓轉速的高低、刀板之間的間隙大小等。
擠壓法脫殼 擠壓法脫殼是靠一對直徑相同轉動方向相反，轉速相等的圓柱輥，調整到適當間隙，使核桃莢果通過間隙時受到輥的擠壓而破殼。莢果能否順利地進入兩擠壓輥的間隙，取決于擠壓輥及與莢果接觸的情況。要使莢果在兩擠壓輥間被擠壓破殼，莢果首先必須被夾住，然后被卷入兩輥間隙。兩擠壓輥間的間隙大小是影響籽粒破損率和脫殼率高低的重要因素。
搓撕法脫殼 搓撕法脫殼是利用相對轉動的橡膠輥筒對籽粒進行搓撕作用而進行脫殼的。兩只膠輥水平放置，分別以不同轉速相對轉動，輥面之間存在一定的線速差，橡膠輥具有一定的彈性．其摩擦系數(shù)較大。核桃莢果進入膠輥工作區(qū)時，與兩輥面相接觸，如果此時莢果符合被輥子嚙人的條件，即嚙人角小于摩擦角，就能順利進入兩輥問．此時莢果在被拉人輥間的同時，受到兩個不同方向的摩擦力的撕搓作用；另外，莢果又受到兩輥面的法向擠壓力的作用，當莢果到達輥子中心連線附近時法向擠壓力最大，莢果受壓產生彈性—— 塑性變形，此時莢果的外殼也將在擠壓作用下破裂，在上述相反方向撕搓力的作用下完成脫殼過程。影響脫殼性能的因素有，線速差、膠壓輥的硬度、軋入角、軋輥半徑、軋輥間間隙等。
1．3．2 新型脫殼技術
壓力膨脹法 原理是先使一定壓力的氣體進入核桃殼內，維持一段時間，以使核桃莢果內外達到氣壓平衡，然后瞬間卸壓，內外壓力平衡打破，殼體內氣體在高壓作用下產生巨大的爆破力而沖破殼體，從而達到脫殼的目的。主要影響因素有，充氣壓力、穩(wěn)定壓力維持時間、籽粒的含水率等。
真空法 將核桃莢果放在真空爆殼機中，在真空條件下，將具有相當水分的莢果加熱到一定溫度，在真空泵的抽吸下，莢果吸熱使其外殼的水分不斷蒸發(fā)而被移除，其韌性與強度降低，脆性大大增加；真空作用又使殼外壓力降低，殼內部相對處于較高壓力狀態(tài)。殼內的壓力達到一定數(shù)值時，就會使外殼爆裂。
激光法 用激光逐個切割堅果外殼。試驗顯示，用這種方法幾乎能夠達到100 9／6的整仁率，但因其費用昂貴、效率低下等原因，很難得到推廣。
1．3．3 核桃脫殼機械的工藝研究
在脫殼技術方面，除了在原理和設備上進行研究外，人們還在工藝上進行了研究以提高籽粒的脫殼率及脫殼質量。
分級處理 物料的粒度范圍大，必須先按大小分級，再進行脫殼，才能提高脫殼率，減少破損率。
水分含量 核桃莢果的含水率對脫殼效果有很大的影響，含水率大，則外殼的韌性增加；含水率小，則果仁的粉末度大。因此應使核桃莢果盡量保持最適當?shù)暮?，以保證外殼和果仁具有最大彈性變形和塑性變形的差異，即外殼含水率低到使其具有最大的脆性，脫殼時能被充分破裂，同時又要保持仁的可塑性，不能因水分太少而使果仁在外力作用下粉末度太大，可減少果仁破損率。
1．3．4 核桃脫殼機械存在的問題
目前我國在核桃脫殼技術研究方面一直沒有大的突破，資金投入也不足，脫殼部件的研制仍在2O世紀90年代初的技術水平上徘徊，所以在脫殼性能上并沒有很大的提高。由于機械脫殼時對核桃仁的損傷率偏高，用于種子和較長期貯存的核桃仁至今仍是手工剝殼。脫殼機械在技術性能和作業(yè)環(huán)節(jié)上存在以下問題：① 脫殼率低，脫殼后的果仁破損率高，損失大。② 機具性能不穩(wěn)定，適應性差。③ 通用性差，利用率低。④ 作業(yè)成本偏高，多數(shù)是單機制造，制造的工藝水平較低，同時能耗較高。⑤ 有些產品僅進行了樣機試制或少量試生產，未進行大量生產性考核和示范應用，作業(yè)性能及商品性等方面還存在不少問題。
1．4 核桃脫殼機械研究重點
我國加入WTO以來，國內外關于核桃脫殼機械的開發(fā)與推廣應用日益增多，針對現(xiàn)有核桃脫殼機械存在的優(yōu)點與不足，在未來的發(fā)展過程中，對核桃脫殼機械在生產應用中的經驗進行總結，不斷完善其功能，使其呈現(xiàn)良好的發(fā)展勢頭。
1．4．1 提高核桃脫殼機械的通用性和適應性
提高核桃脫殼機械的通用性和適應性仍是當前的主要研究方向之一目前，許多核桃脫殼機械只是針對某一核桃品種和所在地區(qū)的生長環(huán)境來設計，其通用性、兼容性和適應性較差。提高核桃脫殼機械的通用性和兼容性，使研制的核桃脫殼機械通過更換主要部件能夠同時對其他帶殼物料進行脫殼加工。研制通過變換主要工作部件即能滿足不同堅果脫殼作業(yè)需要的脫殼機具，并提高制造工藝水平，降低制造成本，以適應不同加工企業(yè)的需要。核桃脫殼機械能否適應這種發(fā)展趨勢，將直接影響到核桃脫殼機械能否更好的推廣應用與健康發(fā)展。
1．4．2 提高機械脫殼率。降低破損率
對核桃脫殼機械的關鍵技術與工作部件進行重點攻關，改革傳統(tǒng)結構，研究新的脫殼機理，優(yōu)化結構設計；同時在整體配置上進一步改進和完善，提高脫殼率，降低籽仁破損率。目前國內外的核桃脫殼機械均存在脫殼率和破損率之間的矛盾，處理好這一關鍵技術將關系到核桃脫殼機械的發(fā)展前景。
1．4．3 向自動控制和自動化方向發(fā)展
向自動控制和自動化方向發(fā)展大多數(shù)機具目前仍依賴人工喂料或定位，影響了作業(yè)速度和作業(yè)質量。因此應通過機電一體化手段，開發(fā)設計自動喂料、自動定位脫殼裝置，保證均勻喂料與有效定位，實現(xiàn)機組自動化操作，進一步提高作業(yè)精確性和作業(yè)速度，提高產品質量與生產率，滿足部分大、中型加工企業(yè)的需要，以開拓國內和國外市場。
新技術原理、新結構材料、新工藝將不斷應用于核桃機械的研制開發(fā)中，隨著液壓技術、電子技術、控制技術以及化工、冶金工業(yè)的發(fā)展，許多復雜的機械機構、動力傳遞、笨重的材料和落后的工藝將逐漸被取代。減輕重量，減少阻力，簡化操作，減少輔助工作時間，延長使用壽命，降低勞動使用費用等將作為主要設計目標應用于脫殼機械的設計制造。隨著國內外高新技術的進一步發(fā)展，如何將這些高新技術更好的應用到實際生產中，也是目前核桃脫殼機械需要盡快解決的問題。
1．5 核桃脫殼機械應用前景展望
核桃生產機械化是農業(yè)現(xiàn)代化的重要組成部分，是農業(yè)和農村經濟持續(xù)快速發(fā)展的重要保證，近年來，核桃機械裝備總量不斷穩(wěn)步增長，作業(yè)水平進一步提高，社會化服務規(guī)模不斷擴大，雖然目前核桃脫殼機械化水平較高，但是多應用于經濟發(fā)達地區(qū)與示范推廣區(qū)，并且小型機械多、大型機械少，低檔機械多、高性能機械少。在一些地區(qū)，用作種子和特殊用途的核桃仁仍采用傳統(tǒng)的手工剝殼，勞動生產率低，區(qū)域性發(fā)展不平衡。進入21世紀，我國核桃生產機械化開始了新的發(fā)展階段，農業(yè)結構調整發(fā)生了新的變化，也對核桃機械的發(fā)展產生了積極而深遠的影響，不僅拉動了新的有效需求，而且構筑了適合核桃生產機械化發(fā)展的新舞臺，為核桃生產機械化真正成為農村經濟發(fā)展的推動器提供了廣闊的市場發(fā)展條件。在一些地區(qū)推進核桃生產機械化的過程中，相繼出臺了鼓勵和扶持農民購買核桃機械、開展核桃機械作業(yè)服務的優(yōu)惠政策和措施，調動了農民購買核桃機械的積極性，形成了新的市場需求。隨著核桃種植業(yè)的不斷發(fā)展，國內外對核桃深加工產品的需求不斷增大，提高核桃脫殼機械化作業(yè)水平成為必然。核桃脫殼機在提高勞動生產率，減輕勞動強度方面起到了積極的作用，促進了核桃加工業(yè)的科技進步，為核桃脫殼機械的發(fā)展提供了空間。
第二章 刮板式核桃去殼機的結構及工作原理
2．1 刮板式核桃去殼機的結構
根據(jù)刮板式核桃去殼機的剝殼原理可知道，核桃是從上至下依次經過集料斗、剝殼箱、柵格、下箱出口、分選口，核桃仁收集斗這些部件的，因此設計剝殼機的整體結構的依據(jù)就出來了。
設計過程是從上往下，從核桃的裝集開始，最上面是集料斗，集料斗下方是剝殼箱，集料斗可與剝殼箱設計為一個整體。在剝殼箱內，核桃必須經過刮板的撞擊和擠壓作用才能進行剝殼，因此，將刮板設計置在剝殼箱內。核桃經過刮板的撞擊和擠壓進行剝殼后，要經過位于剝殼箱底部的柵格，于是可以把柵格設計成一個半圓柵籠，將其固定在剝殼箱的下半箱內。核桃穿過柵格后經過剝殼箱底部的出口往下落，在下落過程中，設計一個風機的吹入口，其作用是將經過剝殼的核桃殼與核桃仁進行分離，重量稍重的不被風吹走，而重量較輕的核桃殼將被風機吹來的氣流帶入到核桃殼收集通道，通道的底部設計成一定角度。經過分離的核桃仁往下落，落入核桃仁收集通道，將此通道與核桃殼收集通道的底面設計成一個整體，這樣的設計可以讓被風吹走的核桃仁通過自身的重量往下回滾到花仁收集通道。
為保證整機的各部分的安裝，需設計一個機架，機架起到其它幾個部分的支承、定位、連接作用，并將電機安裝在機架里面，剝殼機安裝在機架的上方。其結構簡圖如圖2-1所示。
圖2-1剝殼機安裝結構簡圖
2．2 工作原理
刮板式核桃去殼機以前也稱為刀籠剝殼機，是借助轉動軸上的刮板與籠柵的擠壓和打擊作用，將核桃果外殼破碎的一種機械設備，其特點是結構簡單、操作方便。其結構如圖2-2刮板式核桃去殼機所示。它主要由進料機構、剝殼機構和支承機構等部分組成。
圖2-2刮板式核桃去殼機
核桃果進入存料斗后，經下部的入料窄口形成薄層流落下來進入剝殼箱內，與高速旋轉的刮板相互碰撞，在刮板的錘擊下，核桃殼發(fā)生破裂，從而進行第一次剝殼。部分核桃果在下落過程中沒有與刮板發(fā)生碰撞，有些發(fā)生碰撞了而核桃殼卻未撞裂，這部分核桃落入到由圓鋼棒排列成的柵格上，由于柵格頂部與刮板的旋轉外徑間的間距不足以容納一個核桃果，因此核桃果將在落入柵格的同時被刮板再次錘擊和擠壓，從而使這些核桃果的果殼也被壓碎。剝殼后的仁與殼通過柵格間的間隙落下，在下落的同時，受到風機吹來的經調節(jié)好的氣流作用，果殼因重量輕而被氣流送入集殼通道，而核桃仁因重量大，繼續(xù)往下落，從而達到了殼仁分離的目的。
第三章 刮板式核桃去殼機主要部件的結構設計
刮板式核桃去殼機能否正常運轉，看的是其主要部件的設計，如果設計不合理，機器就不能正常運轉或者說不能運轉，那么生產出來的這臺機器就是一堆費品。設計合理，機器就能正常的運轉對并對核桃果進行剝殼。因此，刮板式核桃去殼機的主要部件的設計在整個設計過程中顯得尤為重要，合理的設計將提供給使用者更多的方便和實惠。
3．1設計前各項參數(shù)的確定
3．1．1 刮板的半徑及轉速初定
刮板的旋轉必須確保能將部分核桃殼撞碎，當核桃果與鋼質物體相對速度達到5時，可使核桃殼破碎而不會破壞到核桃仁，可根據(jù)此依據(jù)設計刮板的轉速與半徑。
如圖3-1所示，核桃下落位置在之間，設計時采用最小碰撞半徑為計算半徑
取半徑R=250mm，則n=382.2r/min
結論：R=250mm，
n=382.2r/min
圖3-1
3．1．2 刮板所需功率計算
根據(jù)公式可計算出刮板所需的功率
刮板對核桃做功
：刮板改變核桃的動能
：刮板改變核桃的勢能
根據(jù)所給產量要求 1500kg/h,即0.417kg/s,此為核桃仁的產量，折合核桃果產量為0.417/純仁率,根據(jù)國家標準，湖南所處地理位置可取核桃的純仁率為69%,折合核桃果產量為0.604kg/s,此即每秒進入剝殼箱內被破碎的核桃果的重量。核桃接觸刮板時初速度設為1m/s，方向向下，脫離刮板時速度為15m/s,方向向左，脫離刮板時相對初位置高度為500mm
t=1s
m=0.604kg/s
=1m/s
=15m/s
R=0.5m
=(0.302+67.95+2.96)W=71.212w
加上刮板與核桃在柵格中擠壓所需要的能量，P也不會超過500w。為計算電動機的所需工率Pd，先要確定從電動機到工作機之間的總效率。設、分別為滾動軸承和V帶傳動的效率，于是有
=-0.8668
電動機所需功率不會超過700W，由于給定電動機的功率為1.5kW，遠大于此計算值，故所給電動機的功率完全符合要求。
3．1．3 傳動方案擬定
由于刮板式核桃去殼機的工作軸旋轉速度較高，達到n2=382.2r/min可有兩種選擇，第一種是采用一級V帶傳動，第二種是采用兩級混合傳動，而很明顯的，若采用兩級傳動方案，將會致使機器的結構復雜，而且成本升高，所以選用一級V帶傳動。
3．1．4 電動機的選擇
根據(jù)所給的功率及同步轉速，可選用的電機型號有兩種
Y90L-4型 和 Y100L-6型
根據(jù)電動機的滿載轉速和刮板轉速可算出總傳動比，現(xiàn)將此兩種電動機的數(shù)據(jù)和傳動比列于表3-1
表 3-1電動機的數(shù)據(jù)和傳動比
方案號
電機型號
額定功率kw
同步轉速r/min
滿載轉速r/min
總傳動比 i
1
Y100L-6
1．5
1000
940
2．459
2
Y90L-4
1．5
1500
1400
3．663
由上表可知：方案1總傳動比雖小，轉速低，但價格高，作為家用機械的電機不是太合算，故選擇方案2，即電機型號為Y90L-4。
查表得此種電動機的中心高H=90mm，外伸軸徑為24mm，軸的外伸長度為50mm。
3．1．5 傳動裝置的運動和參數(shù)計算
軸的轉速
軸的輸入功率
=1.35kw
軸的轉矩
3．2 V帶傳動
首先列出設計的基本條件
電機型號：Y90L-4
額定功率：1.5kw
轉速：=1400r/min
傳動比：=3.663
假設每天運轉時間t<10h
1.確定計算功率
查表得工作情況系數(shù) =1.1
==1.1×1.5=1.65(kw)
2．選擇V帶帶型
根據(jù)、查得最適合的帶型為A型
3．確定帶輪基準直徑
由主動輪基準直徑系中選取，從動輪基準直徑為
驗算帶的速度
v=<=
因此所選帶的速度合適
4．確定中心距a和帶的基準長度
根據(jù)初步確定中心距，計算帶的基準長度
=1972.36mm
由V帶的基準長度系中選取基準長度
計算實際中心距a
5．驗算主動輪上的包角
主動輪包角合適
6．計算V帶的根數(shù)z
由,,=3.663查表得
，，，
代入數(shù)值，經計算
Z=1.984
取z=2
7.計算預緊力
8．計算作用在軸上的壓軸力
代入數(shù)值計算得
=482.7N
9.V帶輪的結構尺寸計算及選用
帶輪材料選用HT200
根據(jù)基準直徑的大小選用不同的帶輪類型，小徑帶輪采用實心式，大徑帶輪采用輪輻式，主要結構尺寸如表3-2
表 3-2結構尺寸
單位：mm
尺寸類型
小帶輪
大帶輪
75
280
基準寬度
11.0
11.0
基準線上槽深
2.75
2.75
基準線下槽深
8.7
8.7
槽間距e
15±0.3
15±0.3
第一槽對稱面至端面距離f
輪緣厚d
12
12
帶輪寬B
35
35
外徑
80.5
285.5
輪槽角
極限偏差
孔徑
26
16
輪轂長
50
35
48
32
輪輻厚
8
20
16
230.5
具體結構設計見零件圖
3.3 軸
軸的轉速
軸的輸入功率
=1.35kw
軸的轉矩
1 初步確定軸的最小直徑
先按經驗公式算郵軸的最小直徑，選取軸的材料為45鋼，調質處理。查表選取，于是得
2擬定軸上零件的裝配方案
通過對各種方案的比較，現(xiàn)選用圖3-2所示裝配方案
圖3-2裝配方案圖
3 根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度
（1）為滿足V帶輪的軸向定位，1-2軸右端制一軸肩，故取2-3段直徑=22mm，左端用軸端擋圈定位，取直徑D=22mm。V帶輪與軸配合的轂孔長試為35mm，為保證軸端擋圈只壓在半聯(lián)軸器上而不壓在軸端面上，故1-2段長度取為
（2）初步選擇滾動軸承 因軸承只承受徑向力，故先用深溝球軸承。參照工作要求并根據(jù)，初步選取深溝球軸承6205,其基本參數(shù)如表3-3
表 3-3參數(shù)表
6204
基本尺寸
安裝尺寸
極限轉速
D
B
脂潤滑
油潤滑
25
52
15
1
31
46
1
12000
16000
（3）安裝刮板架段軸直徑。刮板架段安裝寬度取，
（4） 軸承端蓋總厚度20mm，取端蓋外端與V帶輪右端面間的距離，故取
（5）取刮板距箱體內壁，取，。
至此，已初步確定了軸的各段直徑和長度。
（6）軸上零件的周向固定
V帶輪與軸的周向定位采用平鍵聯(lián)接，按其直徑查手冊得平鍵截面如下
表 3-4平鍵截面
長度取22mm
V帶輪與軸的配合為H7/n6，滾動軸承與軸的周向定位是借過渡配合來保證的，此處選軸的直徑尺寸公差為k6。
（7）確定軸上圓角和倒角尺寸
取軸端倒角2×45°，各軸肩處圓角半徑見零件圖
3.4 刮板結構
刮板結構是整個機器的關鍵部分，它的作用就是對核桃果進行剝殼。此結構采用四鋼板十字交叉固定在旋轉筒架上，其結構如圖3-3旋轉筒架圖所示
圖3-3旋轉筒架圖
因為采用的是打擊和擠壓兩種方式配合進行剝殼，所以對刮板的強度有一定要求，采用材料是45號鋼，而且刮板的表面必須進行處理，表面滲碳1-1.5mm，熱處理硬度HRC56-62。刮板選用四塊8mm厚鋼板，長′寬=500mm′129mm，刮板外緣距旋轉中心距離250mm。固定刮板的筒架結構，其內徑為26mm，外徑120mm，刮板固定支架長度為140mm，截面尺寸40mm′20mm，每塊刮板由兩根固定支架固定，兩者間采用M10螺栓聯(lián)接。
3.5 半柵籠
半柵籠在機器中的作用是讓已經被剝殼的核桃與未被剝殼的核桃進行分離，其分離的原理就是“小個通過，大個不過”。半柵籠的每一個柵格都只能容許一個核桃仁大小的物體通過，被剝殼的核桃由于核桃殼的破裂，被變成破碎的核桃殼和整粒的核桃仁，核桃仁的大小剛好可以穿過柵格，而核桃果因為太大，無法通過柵格，將被阻擋在剝殼箱內，繼續(xù)進行剝殼直到其外殼破碎為止。其結構如圖3-4半柵籠所示。
圖3-4半柵籠
柵條是利用兩塊墻板對兩端進行固定的，墻板材料為HT200，柵條材料為20號鋼。柵條采用φ10圓截面長條，長度為538mm，因其特殊的作用，還需對其進行表面處理，要求滲碳1-1.5mm，熱處理硬度HRC56-62。柵條的兩頭裝砌在墻板的圓形槽內，組成半圓柵籠，柵條間距為10mm，這樣可使剝出的核桃仁能通過柵格，而未剝殼的剛不能通過。
裝砌完成后要太上鎖緊條，防止柵條松動。半柵籠內徑為φ516mm。
3.6 箱體
箱體的作用是提供給刮板一個封閉的剝殼環(huán)境，并對相關結構起到支承和定位作用。
為了便于軸系部件的安裝和拆卸，將箱體做成剖分式，箱由箱座和箱蓋組成，，取軸的中心線所在平面為剖分面。箱座和箱蓋采用普通螺栓聯(lián)接，用圓錐銷定位。箱體的材料選用HT200，鑄造成型。具體結構設計見零件圖。
3.7 殼仁分離裝置
殼仁分離裝置分為兩個部分，一個是氣流通道，它的一端接風機，另一端安裝在箱體的下方，還有就是殼與仁的收集板，它同樣也安裝在箱體下方。核桃經過箱體內的剝殼過程后，將由此裝置對其進行殼仁分離，分離的基本原理是利用核桃殼與核桃仁的重量及受力面積的不同，用氣流對其進行分離。重量稍重的不被氣流吹走，直接下落到核桃仁收集通道，而重量較輕的核桃殼將被風機吹來的氣流帶入到核桃殼收集通道。具體結構見裝配圖。
3.8機架
整個機架采用L63*63*6角鋼焊接而成，起到其它幾個部分的支承、定位、連接作用，并將電機安裝在機架里面。剝殼機安裝在機架上面，聯(lián)接采用普通螺栓聯(lián)接。具體結構見裝配圖。
3.9附件
刮板式核桃去殼的附件包括裝料斗，軸承蓋，風量調節(jié)裝置。
第四章 如何正確使用核桃脫殼機
1．對脫殼機的要求。①脫殼干凈、生產效率高，對有清選裝置的脫殼機，還要求有較高的清潔度。②損失率低、破碎率小。③結構簡單，使用可靠，調整方便，有一定的通用性，能脫多種作物。
2．對核桃穴皮果雪的要求。核桃干濕適宜，太干則破碎率高，過濕則影響工作效率。農村儲存的核桃穴皮果雪一般較干燥，為使其干濕適宜可采用下列方法：①冬季脫殼。脫殼前用10公斤左右的溫水均勻地噴灑在50公斤的核桃上，用塑料薄膜覆蓋10小時左右，然后再晾曬1小時左右即可開始脫殼，其他季節(jié)用塑料薄膜覆蓋的時間為6小時左右。②可將較干的核桃穴皮果雪浸在大水池內，浸后立即撈出用塑料薄膜覆蓋1天左右，再晾曬，待干濕適宜后開始脫殼。③對電壓的要求及工作場所的選擇：單相電動機要正常工作，電壓需達到其額定電壓。在農村農戶較為分散，加之所用線路又不標準，致使離變壓器較遠的農戶電壓不足，因此，工作場所應選擇離變壓器較近的地方。
操作方法與注意事項
1．使用前，應先檢查各緊固件是否擰緊，旋轉部位是否靈活，各軸承內是否有潤滑油，脫殼機應放置在較平的地面上。然后檢查電源，開關必須處于斷開位置。
2．電動機啟動后，轉子的轉向應與機具上所指方向一致。先空轉幾分鐘，觀察有無異常響聲，運轉正常時方可均勻地喂入核桃。
3．核桃果喂入時，要均勻、適量，不可含有鐵屑、石塊等雜物，以防打碎核桃米及造成機械事故。當核桃米覆蓋滿篩子面時，方可打開出米口開關。
4．核桃應干濕適宜，要根據(jù)核桃的大小選用適當?shù)暮Y網(wǎng)。
5．核桃米內核桃殼增多時，可將電動機向下移動，以便張緊風扇皮帶，加大吹風量。
6．操作時，人不要站在皮帶傳動一側，以免傷人。
7．存放機器時，應清除機器外表的塵土、污垢和內部殘存的雜物。用柴油清洗各部位軸承后涂上黃油。機器要覆蓋好，置于干燥庫房內，避免日曬雨淋。
8．應保證傳動部位和軸承室內有充足的潤滑油，并定期予以清理和更換。
第五章 總結
本文是圍繞農用機械產品——核桃去殼機的設計，實現(xiàn)了核桃剝殼的機械化，應用本機器后，可使廣大農民群眾大大節(jié)省勞動量，提高生產效率和生產質量。該機的關鍵部分是刮板結構與半柵籠結構，因為核桃剝殼的整個過程都是由這兩部分完成的，剝出來的核桃能不能符合要求，完全是看刮板與半柵籠的性能能不能達到要求。本文也介紹了目前各種核桃剝殼原理及裝備，并對核桃剝殼機械的發(fā)展現(xiàn)狀以及發(fā)展前景作出了簡明的概括和分析。
本次設計是對我的四年的大學生活做出的總結,同時為將來工作進行了一次適應性訓練，從中鍛煉自己解分析問題、解決問題的能力，為今后自己的研究生生活打下一個良好的基礎。
從這次設計也可以看出一些問題:
1.心態(tài):應該保持認真的態(tài)度,堅持冷靜獨立的解決問題
2.基本:認真學好基本知識,扎實自己的基本知識,使面對問題時不會遇到很多挫折,從而打擊自己的信心,結果使自己很浮躁,越來越不想搞這設計,故應該好好學習基本知識,一步一步的來,不要急功近利!
3.樹立自己的良好形象,樂觀的面對生活,堅持自己的想法和意識
總的說來,雖然在這次設計中自己學到了很多的東西,取得一定的成績,但同時也存在一定的不足和缺陷,我想這都是這次設計的價值所在,以后的日子以后自己應該更加努力認真,以冷靜沉著的心態(tài)去辦好每一件事情!
參考文獻
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致謝
本文是在老師的精心指導和關懷下完成的，老師淵博的學識、嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度、精益求精的工作作風、高度的責任心對我產生了深深的震撼。在老師的培養(yǎng)和教育不僅使我順利完成了論文，而且將繼續(xù)激勵我在今后的人生旅途上不斷進取。
最后，謹向所有給我關心、理解、支持和幫助的人們表示最誠摯的謝意！
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英文技術資料及中文翻譯
中文翻譯
機械設計及最優(yōu)設計
機械設計是一門通過設計新產品或者改進老產品，滿足人類需求的應用技術科學。它涉及工程技術各個領域，主要研究產品的尺寸、形狀和詳細結構的基本構思，還要研究產品在制造、銷售和使用等方面的問題。
進行各種機械設計工作的人員通常被稱為設計人員或者設計工程師。機械設計是一門創(chuàng)造性的工作。設計工程師不僅在工作上面有創(chuàng)新性，還必須在機械制圖、運動學、運力學、工程材料、材料力學和機械制造工藝等方面有深厚的基礎知識。
如前面所述，機械設計的目的是生產滿足人類的需求的產品。發(fā)明、發(fā)現(xiàn)和科學知識本身并不一定能給人類帶來好處，只有當它們被用在產品上才能產生效益。因而，應該認識到在一個特定產品進行設計之前，必須先確定人們是否需要這種產品。
應當把機械設計看成是設計人員運用創(chuàng)造性的才能進行產品設計、系統(tǒng)分析和制訂產品的制造工藝的一個良機。掌握工程基礎知識要比熟記一些數(shù)據(jù)和公式更為重要。僅僅使用數(shù)據(jù)和公式是不足在一個好的設計中做出所需的全部決定的。另一方面，應該認真精確地進行所有的運算。例如，即使將一個小數(shù)點的位置放錯，也會是正確的設計變成錯誤的。
一個好的設計人員應該勇于提出新的想法，而且愿意承擔一定的風險；但新的方法不使用時，就恢復采用原來的方法。因此，設計人員必須要有耐心，因為所花費的時間和努力并不能保證帶來成功。一個全新的設計，要摒棄許多許多陳舊的的，為人們所熟知的方法。由于許多人易于墨守陳規(guī)，這樣做并不是件容易的事情。一位設計過程師應該不斷地探索改進現(xiàn)有產品的方法，在此過程中應該認真選擇原有的、經過驗證的設計原理，將其與未經過驗證的新觀念結合起來。
新設計本身會有許多缺陷和未能預料的問題發(fā)生，只有當這些缺陷和問題被解決之后，才能體現(xiàn)出新產品的優(yōu)越性。因此，一個性能優(yōu)越的產品誕生的同時，也伴隨著較高的風險。應該強調的是，如果設計本身不要求采用全新的方法，就沒必要僅僅為了變革的目的而采用新的方法。
在設計的在設計的初始階段，應該允許設計人員充分發(fā)揮創(chuàng)造性，不受各種約束。即使產生了許多不切實際的想法，也會在設計的早期，即繪制圖紙之前被改正掉。只有這樣，才不致于堵塞創(chuàng)新的思路。通常，要提出幾套設計方案，然后加以比較。很有可能在最后選定的方案中，采用了某些未被接受的方案中的一些想法。
心理學家經常談論如何使人們適應他們所操作的機器。設計人員的基本職責是努力使機器來適應人們。這并不是一項容易的工作，因為實際上并不存在著一個對所有人來說都是最優(yōu)的操作范圍和操作過程。
另一個重要問題，設計工程師必須能夠同其他有關人員進行交流和磋商。在開始階段，設計人員必須就初步設計同管理人員進行交流和磋商，并得到批準。這一般是通過口頭討論，草圖和文字材料進行的。為了進行有效的交流 ，需要解決下列問題：
（1） 所設計的這個產品是否真正為人們所需要？
（2） 此產品與其他公司的現(xiàn)有同類產品相比有無競爭能力？
（3） 生產這種產品是否經濟？
（4） 產品的維修是否方便？
（5） 產品有無銷路？是否可以盈利？
只有時間能對上述問題給出正確答案。但是， 產品的設計、制造和銷售只能在對上述問題的初步肯定答案的基礎上進行。設計工程師還應該通過零件圖和裝配圖，與制造部門一起對最終設計方案進行磋商。
通常 ，在制造過程中會出現(xiàn)某個問題?？赡軙髮δ硞€零件尺寸或公差作一些更改，使零件的生產變得容易。但是，工程上的更改必須要經過設計人員批準，以保證不會損傷產品的功能。有時，在產品的裝配時或者裝箱外運前的試驗中才發(fā)現(xiàn)設計中的某種缺陷。這些事例恰好說明了設計是一個動態(tài)過程?？偸谴嬖谥玫姆椒▉硗瓿稍O計工作，設計人員應該不斷努力，尋找這些更好的方法。
近些年來，工程材料的選擇已經顯得重要。此外，選擇過程應該是一個對材料的連續(xù)不斷的重新評價過程。新材料不斷出現(xiàn)，而一些原有的材料的能夠獲得的數(shù)量可能會減少。環(huán)境污染、材料的回收利用、工人的健康及安全等方面經常會對材料選擇附加新的限制條件。為了減輕重量或者節(jié)約能源，可能會要求使用不同的材料。來自國內和國際競爭、對產品維修保養(yǎng)方便性要求的提高和顧客的反饋等方面的壓力，都會促使人們對材料進行重新評價。由于材料選用不當造成的產品責任訴訟，已經產生了深刻的影響。此外，材料與材料加工之間的相互依賴關系已經被人們認識得更清楚。因此，為了能在合理的成本和確保質量的前提下獲得滿意的結果，設計工程師的制造工程師都必須認真仔細地選擇、確定和使用材料。
制造任何產品的第一步工作都是設計。設計通?？梢苑譃閹讉€明確的階段：（a）初步設計；（b）功能設計；（c）生產設計。在初步設計階段，設計者著重考慮產品應該具有的功能。通常要設想和考慮幾個方案，然后決定這種思想是否可行；如果可行，則應該對其中一個或幾個方案作進一步的改進。在此階段，關于材料選擇唯一要考慮的問題是：是否有性能符合要求的材料可供選擇；如果沒有的話，是否有較大的把握在成本和時間都允許的限度內研制出一種新材料。
在功能設計和工程設計階段，要做出一個切實可行的設計。在這個階段要繪制出相當完整的圖紙，選擇并確定各種零件的材料。通常要制造出樣機或者實物模型，并對其進行試驗，評價產品的功能、可靠性、外觀和維修保養(yǎng)性等。雖然這種試驗可能會表明，在產品進入到生產階段之前，應該更換某些材料，但是，絕對不能將這一點作為不認真選擇材料的借口。應該結合產品的功能，認真仔細地考慮產品的外觀、成本和可靠性。一個很有成就的公司在制造所有的樣機時，所選用的材料應該和其生產中使用的材料相同，并盡可能使用同樣的制造技術。這樣對公司是很有好處的。功能完備的樣機如果不能根據(jù)預期的銷售量經濟地制造出來，或者是樣機與正式生產的裝置在質量和可靠性方面有很大不同，則這種樣機就沒有多大的價值。設計工程師最好能在這一階段完全完成材料的分析、選擇和確定工作，而不是將其留到生產設計階段去做。因為，在生產設計階段材料的更換是由其他人進行的，這些人對產品的所有功能的了解不如設計工程師。
在生產設計階段中，與材料有關的主要問題是應該把材料完全確定下來，使它們與現(xiàn)有的設備相適應，能夠利用現(xiàn)有設備經濟地進行加工，而且材料的數(shù)量能夠比較容易保證供應。
在制造過程中，不可避免地會出現(xiàn)對使用中的材料做一些更改的情況。經驗表明，可采用某些便宜材料作為替代品。然而，在大多數(shù)情況下，在進行生產以后改換材料要比在開始生產前改換材料所花費的代價要高。在設計階段做好材料選擇工作，可以避免多數(shù)這樣的情況。在生產制造開始后出現(xiàn)了可供使用的新材料是更換材料的最常見的原因。當然，這些新材料可能降低成本、改進產品的性能。但是，必須對新材料進行認真的評價，以確保其所有性能都滿足要求。應當記住，新材料的性能和可靠性很少像現(xiàn)有材料那樣為人們所了解。大部分的產品失效和產品責任事故案件是由于在選用新材料作為替代材料之前，沒有真正了解它們的長期使用性能而引起的。
產品的責任訴訟迫使設計人員和公司在選擇材料時，采用最好的程序。在材料過程中，五個最常見的問題為：（a）不了解或者不會使用關于材料應用方面的最新最好的信息資料；(b)未能預見和考慮擦黑年品可能的合理用途（如有可能，設計人員還應進一步預測和考慮由于產品使用方法不當造成的后果。在近年來的許多產品責任訴訟案件中，由于錯誤地使用產品而受到傷害的原告控告生產廠家，并且贏得判決）；(c)所使用的材料的數(shù)據(jù)不全或是有些數(shù)據(jù)不確定，尤其是當其長期性能數(shù)據(jù)是如此的時候；(d)質量控制方法不適當和未經驗證；(e)由一些完全不稱職的人員選擇材料。
通過對上述五個問題的分析，可以得出這些問題是沒有充分理由存在的結論。對這些問題的研究分析可以為避免這些問題的出現(xiàn)指明方向。盡管采用最好的材料選擇方法也不能避免發(fā)生產品責任訴訟，設計人員和工業(yè)界按照適當?shù)某绦蜻M行材料選擇，可以大大減少訴訟的數(shù)量。
從以上的討論可以看出，選擇材料的人們應該對材料的性質，特點和加工方法有一個全面而基本的了解。
當加工鋁時，我們主要關心的是：鋁粘住加工切削邊緣的傾向；保證有好的碎片排屑形成切削邊緣；和保證工具有足夠的中心強度來承受切削力而不被破壞。
技術發(fā)展，比如：Makino MAG系列，已經使工具商重新考慮任何工藝水平的機器技術。用正確的加工和編程思路是很重要的。
材料，涂料和幾何形狀是與減小我們所關注問題相關系的工具設計的三個因素。如果這些因素不能一起很好的配合，成功的調整磨削是不可能的。為了成功進行高速鋁加工，理解這三個因素是很必要的。
使組合邊緣最小化
當加工鋁時，一個失敗的切削工具模式是，被加工的材料粘住工具切削邊緣。這種情況會很快削弱工具的切削能力。由粘著的鋁形成的組合邊緣會導致工具變鈍，以至不能切削材料。工具材料選擇和工具涂料選擇是被工具設計者用來減小組合邊緣出現(xiàn)的主要工藝。
亞微米微粒碳化物材料要求很高的鈷濃度來獲得良好的微粒結構和材料強度屬性。隨著溫度的升高，鈷與鋁發(fā)生反應，鈷使鋁與暴露的工具材料碳化物相粘合。一旦鋁開始粘住工具，鋁會在快速的在工具上形成組合邊緣，使工具不可用。
在切削的進程中，減小鋁粘合著的工具的暴露碳化物的秘訣就是找到正確的碳化物的平衡來提供足夠的材料強度。在加工鋁時，為了減小粘附，使用能提供足夠硬度的紋理粗糙的碳化物來獲得平衡，來使變鈍變慢。
工具涂料
當嘗試減小組合邊緣時，第二個應該考慮的工具設計因素是工具涂料。工具涂料的選擇包括：TiN, TiAIN, AITiN，鉻氮化物，鋯氮化物，鉆石和鉆石般的涂料（DLC）。擁有這么多的選擇，航空航天磨削商店需要知道在鋁的高速加工應用中哪一種工作最有效。TiN, TiCN, TiAIN, 和 AITiN工具的PVD涂裝應用進程使這些選項不合適鋁的應用。PVD涂裝進程建立了兩個使鋁粘住工具的模式---表面的粗糙程度和鋁與工具涂料之間的化學反應。PVD進程形成了一個表面，這表面是比底層材料更粗糙的。由這個進程形成的表面“凹凸”使工具中的鋁在凹處快速集結。由于涂料有金屬晶體和鐵晶體特征，PVD涂料是可以和鋁發(fā)生化學反應的。一種TiAIN涂料通常是包含鋁的，這鋁很容易和相同材料的切削表面粘合。表面粗糙度和化學反應特性將會導致工具和工作片體粘在一起，以致形成組合表面。
OSG Tap and Die主導的試驗中，人們發(fā)現(xiàn)在高速加工鋁時，一個沒有涂染過紋理粗糙的碳化物的工具的表面優(yōu)于用TiN, Ticn, TiAIN, 或者ALTiN涂染過的工具。這個試驗不意味著所有工具涂料將減小工具的表現(xiàn)。鉆石和DLC涂料可生成一個非常光滑的化學惰性的表面。在切削鋁材料時，這些涂料很認為是能非常有效的提高工具的壽命。
鉆石涂料被認為是表現(xiàn)最佳的涂料，但這種涂料要一個很可觀的成本。對于表現(xiàn)價值，DLC涂料提供最佳成本，增加大約20%-25%的總工具成本，而壽命相對于未涂染過紋理粗糙的碳化物的工具來是，是增長得很明顯的。
幾何形狀
高速鋁加工工具設計的拇指定律就是使微粒排屑空間最大化。這是因為鋁是一種非常柔軟的材料。Federate通常是可以增長的，它生成更多更大的微粒。
Makino MAG-Series航空航天磨削機器，比如MAG4,要求額外關注工具幾何休和工具強度。擁有強大的80-hp的心軸的 MAG-Series機器將折斷工具如果他們不是用足夠的中心強度設計的。
總的來說，鋒利的切削邊緣一直都可以用來避免鋁的延伸。一個鋒利的切削邊緣將形成高剪切和高表面清潔，形成一個更好的表面和使表面振動最小化。結果是用優(yōu)良的紋理碳化物材料比紋理粗糙的碳化物材料更有可能獲得一個鋒利的切削邊緣。但由于鋁能粘住紋理好的材料，長久保持這各邊緣是不太可能的。
粗略的折衷方案
紋理粗糙的材料是最好的折衷。那是一種很強大的材料，它能擁有一個可觀的切削邊緣。試驗結果表明；在獲得長的工具壽命的同時擁有好的表面的可以的。通過工具來進行油霧冷卻是可以改進切削邊緣的保持的。霧化逐漸使工具冷卻，消除溫度急增的問題。
螺旋角度是一個額外的工具幾何考慮因素。傳統(tǒng)上來說，當加工鋁時，帶有高螺旋角度的工具已經被運用。高螺旋角度可以使微粒更快地從部分脫離，但卻增加力和熱，這是由切削運動導致的。一個高螺旋角被用在工具上，并且很大數(shù)量的凹槽可以使微粒排泄。
當以非常高的速度加工鋁時，由增加的力形成的熱量可能會引起微粒與工具焊接在一起。此外，一個有很高螺旋角的切削表面將比低角度的更快產生微粒。僅僅利用兩個凹槽工具設計使低螺旋角和足夠微粒排泄區(qū)域成為可能。由OSG主導的延伸性試驗中，當發(fā)展新工具流水線時，這被證明是最成功的方法。
英文技術資料
Mechanical Design and Optimum Design
Mechanical design is the application of science and technology to devise new or improved products for the purpose of satisfying human needs. It is a vast field of engineering technology which not only concerns itself with the original conception of the product in terms of its size, shape and construction details, but also consideration the various factors involved in the manufacture and use of the product.
People who perform the various function of mechanical design are typically called designers, or design engineers. Mechanical design is basically a creative activity. However, in addition to being innovative, a design engineer must also have a solid background in the areas of mechanical drawing, kinematics, dynamics, material engineering, strength of materials and manufacturing processes.
As stated previously, the purpose of mechanical design is to product which will serve a need for man. Invention, discoveries and scientific knowledge by themselves do not necessarily benefit people; only if they are incorporated into a designed product will a benefit be derived. It should be recognized, therefore, that a human need must be identified before a particular product is designed.
Mechanical design should be considered to be an opportunity to use innovation talents to envision a design of a product, to analyze the system and then make sound judgments on how the product is to be manufacture. It is important to understand the fundamentals of engineering rather than memorize mere facts and equations. There are no facts or equations which alone can be used to provide all the correct decisions required to produce a good design. On the other hand, any calculations made must be done with the utmost care and precision. For example, if a decimal point is misplaced, an otherwise acceptable design may not function.
Good designs require trying new ideas and being willing to take a certain amount of risk, knowing that if the new idea does not work the existing method can be reinstated. Thus a designer must have patience, since there is no assurance of success for the time and effort expended. Creating a completely new design generally requires that many old and well-established methods be thrust aside. This is not easy since many people cling to familiar ideas, techniques and attitudes. A design engineer should constantly search for ways to improve an existing product and must decide what old, proven concepts should be used and what new, untried ideas should be incorporated.
New designs generally have “bugs” or unforeseen problem which must be worked out before the superior characteristics of the new designs can be enjoyed. Thus there is a chance for a superior product, but only at higher risk. It should be emphasized that, if a design dose not warrant radical new methods, such methods should not be applied merely for the sake of change.
During the beginning stage of design, creativity should be allowed to flourish to without a great number of constraints. Even thought many impractical ideas may arise, it is usually easy to eliminate them in the early stages of design before firm details are required by manufacturing. In this way, innovative ideas are not inhibited. Quite often, more than one design is developed, up to point where they can be compared against each other. It is entirely possible that the design which is ultimately accepted will use ideas existing in one of the rejected design that did not show as much overall promise.
Psychologists frequently talk about trying to fit people to the machines they operate. It is essentially the responsibility of the design engineer to fit machines to people. This is not an easy task, since there is really no person for which certain operating dimension and procedures are optimum.
Another important point which should be recognized is that a design engineer must be able to communicate ideas to other people if they are to be incorporated. Communicating the design to others is the final, vital step in the design process. Undoubtedly many great designs, inventions, and creative works have been lost to mankind simply because the originator were unable or unwilling to explain their accomplishments to others. Presentation is a selling job. The engineer, when presenting a new solution to administrative, management, or supervisory persons, is attempting to sell or to prove to them that this solution is a better one. Unless this can be done successfully, the time and effort spent on obtaining the solution have been largely wasted.
Basically, there are only three means of communicate available to us. There are the written, the oral, and the graphical form. Therefore the successful engineer will be technically competent and versatile in all three forms of communication. A technically competent person who lacks ability in any one of these forms is severely handicapped. If ability in all three forms is lacking, no one will ever know how competent that person is!
The competent engineer should not be afraid of the possible of not succeeding in a presentation. In fact, occasional failure should be expected because failure or criticism seems to a company every really creative idea. There is a great deal to be learned from a failure, and the greatest gains are obtained by those willing to risk defeat. In the final analysis, the real failure would lie in deciding not to make the presentation at all. To communicate effectively, the fowling questions must be answered:
Dose the design really sever a human need?
Will it be competitive with existing products of rival companies?
Is it economical to produce?
Can it be readily maintained?
Will it sell and make a profit?
Only time will provide the true answers to the preceding question, but the product should be design, manufactured and marketed only with initial affirmative answer. The design engineer also must communicate the finalized design to manufacturing through the use of detail and assembly drawings.
Quite often, a problem will occur during the manufacturing cycle. It may be that a change is required in the dimensioning or tolerance of a part so that it can be more readily produced. This fall in the category of engineering changes which must be approved by the design engineer so that the product function will not be adversely affected. In other case, a deficiency in the design may appear during assembly or testing just prior to shipping. These realities simply bear out the fact that design is a living process. There is always a better way to do it and the designer should constantly strive towards findings that better way.
The primary tooling concerns when machining aluminum are: minimizing the tendency of aluminum to stick to the tool cutting edges; ensuring there is good chip evacuation form the cutting edge; and ensuring the core strength of the tools is sufficient to withstand the cutting forces without breaking.
Technological developments such as the Makino MAG-Series machines have made tooling vendors rethink the any state-of-the-art machine technology. It is vital to apply the right tooling and programming concepts.
Materials coatings and geometry are the three elements in tool design that interrelate to minimize these concerns. If these three elements do not work together, successful high-speed milling is not possible. It is imperative to understand all three of these elements in order to be successful in the high-speed machining of aluminum.
Minimize Built-Up Eagled. The surface peaks and valleys” created by this process causes aluminum to rapidly collect in the valleys on the tool. In addition, the PVD coating is chemically reactive to the aluminum due to its metallic crystal and ionic crystal features. A TiAIN coating actually contains aluminum, which easily bonds with a cutting surface of the same material. The surface roughness and chemical reactivity attributes will cause the tool and work piece to stick together, thus creating the built-up edge.
In testing performed by OSG Tap and Die, it was discovered that when machining aluminum at very high speeds, the performance of an uncoated coarse-grained carbide tool was superior to that of one coated with TiN, Ticn, TiAIN, or ALTiN. This testing does not mean that all tool coatings will reduce the tool performance. The diamond and DLC coatings result in a very smooth chemically inert surface. These coatings have been found to significantly improve tool life when cutting aluminum materials.
The diamond coatings were found to be the best performing coatings, but there is a considerable cost related to this type of coating. The DLC coatings provide the best cost for performance value, adding about 20%-25%to the total tool cost. But, this coating extends the tool life significantly as compared to an uncoated coarse-grained carbide tool.
Geometry
The rule of thumb for high-speed aluminum machining tooling designs is to maximize space for chip evacuation. This is because aluminum is a very soft material, and the federate is usually increased which creates more and bigger chips.
The Makino MAG-Series aerospace milling machines, such as the MAG4, require an additional consideration for tool geometry-tool strength. The MAG-Series machines with their powerful 80-hp spindles will snap the tools if they are not designed with sufficient core strength.
In general, sharp cutting edges should always be used to avoid aluminum elongation. A sharp cutting edge will create high shearing and also high surface clearance, creating a better surface finish and finish and minimizing chatter or surface vibration. The issue is that it is possible to achieve a sharper cutting edge with the fine-grained carbide material than the coarse grained material. But due to aluminum adherence to the fine-grained material, it is not possible to maintain that edge for very long.
Coarse compromise
The coarse grained material appears to be the best compromise. It is a strong material that can have a reasonable cutting edge. Test results show it is able to achieve a very long tool life with good surface finish. The maintenance of the cutting edge is improved using an oil mist coolant through the tool. Misting gradually cools down the tools, eliminating thermal shock problems.
The helix angle is an additional tool geometry consideration. Traditionally when machining aluminum a fool with a high helix angle has been used. A high helix angle lifts the chip away from the pa
When machining aluminum, one of the major failure modes of cutting tools the material being machined adheres to the tool cutting edge. This condition rapidly degrades the cutting ability of the tool. The built-up edge that is generated by the adhering aluminum dulls the tool so it can no longer cut through the material. Tool material selection and tool coating selection are the two primary techniques used by tool designers to reduce occurrence of the built-up edge.
The sub-micron grain carbide material requires a high cobalt concentration to achieve the fine grain structure and the material’s strength properties. Cobalt reacts with aluminum at elevated temperatures, which causes the aluminum to chemically bond to the exposed cobalt of the tool material. Once the aluminum starts to adhere to the tool, it quickly forms a built-up edge on the tool rendering it ineffective.
The secret is to find the right balance of cobalt to provide adequate material strength, while minimizing the exposed cobalt in the tools for aluminum adherence during the cutting process. This balance is achieved using coarse-grained carbide that provides a tool of sufficient hardness so as to not dull quickly when machining aluminum while minimizing adherence.
Tool coatings
The second tool design element that must be considered when trying to minimize the built-up edge is the tool coating. Tool coating choices include TiN, TiAIN, AITiN, chrome nitrides, zirconium nitrides, diamond, and diamond-like coatings(DLC). With so many choices, aerospace milling shops need to know which one works best in an aluminum high-speed machining application.
The Physical Vapor Deposition (PVD) coating application process on TiN, TiCN, TiAIN, and AITiN tools makes them unsuitable for an aluminum application. The PVD coating process creates two modes for aluminum to bond to the tools ：the surface roughness and the chemical reactivity between the aluminum and the tool coating.
The PVD process results in surface that is rougher that the substrate material to which it is app rt more quickly, but increases the friction and heat generated as result of the cutting action. A high helix angle is typically used on a tool with a higher number of flutes to quickly evacuate the chip from the part.
When machining aluminum at very high speeds the heat created by the increased friction may cause the chips to weld to the tool. In addition, a cutting surface with a high helix angle will chip more rapidly that a tool with a low helix angle. A tool design that utilizes only two flutes enables both a low helix angle and sufficient chip evacuation area. This is the approach that has proven to be the most successful in extensive testing performed by OSG when developing the new tooling line, the MAX AL.
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