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轴承内外圈加工专用机床车架与主轴箱设计

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轴承内外圈加工专用机床车架与主轴箱设计

摘要本文研究的题目是轴承内外圈加工专用机床车架和主轴箱设计。该课题来源于某机床制造企业的轴承内外圈加工专用机床生产线改造项目,对于一台机床而言,机架犹如“骨骼”一样支撑着整台机床,而主轴箱则犹如“心脏”一样为整台机床提供不竭动力。本着主轴箱功能单一、输入功率利用高、车架结构简单、布局合理的原则,对主轴箱和车架进行了相关尺寸设计并运用UG软件对零部件进行三维建模、虚拟装配和运动仿真。主轴箱设计部分完成对主轴部件的尺寸设计与强度校核、皮带轮的选用、轴承的选用与寿命计算、键销的选型与强度较核以及主轴箱内的其他零件设计。车架设计部分由于是非标部件,故采用类比同类机床的设计经验,结合结构简单,布局合理的原则对车架进行尺寸设计,最后介绍车架的焊接技术。在完成尺寸设计后,根据尺寸并运用UG软件完成相关零部件的建模,将所有零部件进行虚拟装配,最后利用UG的仿真模块对主轴箱进行运动仿真,分析仿真结果,得出结论,进而完成整篇论文书写。关键词主轴箱;车架;三维建模;虚拟装配;运动仿真ABSTRACTTHETITLEOFTHISARTICLEISDESIGNINGTHEFRAMEANDTHEHEADSTOCKOFTHESPECIALMACHINETOOLFORMACHININGBEARINGINNERANDOUTERRINGTHESTUDYISBASEDONAPROJECTFORTRANSFORMINGTHEPRODUCTIONLINEOFTHESPECIALMACHINETOOLFORMACHININGBEARINGINNERANDOUTERRINGOFAMANUFACTORYTHEFRAMEISJUSTAS“SKELETON”TOSUPPORTTHEWHOLELATHE,ANDTHEHEADSTOCKJUSTAS“HEART”TOOFFERANINEXHAUSTIBLEDRIVINGFORCEFORALATHETOACHIEVETHEGOALOFTHESINGLEFUNCTIONANDTOIMPROVEHIGHUTILIZATIONFORINPUTPOWER,IDESIGNEDTHEHEADSTOCKTHEFRAMEHASSIMPLESTRUCTURE,ANDREASONABLELAYOUTIWOULDDESIGNTHERELATEDMEASUREMENTOFHEADSTOCKANDFRAMEBYUSINGUGSOFTWARETHENIWOULDUSEUGTODO3DMODELING,VIRTUALASSEMBLYANDMOTIONSIMULATIONTHEPARTOFDESIGNINGTHEHEADSTOCKWOULDCOMPLETETHEDESIGNOFTHEMEASUREMENTANDSTRENGTHCHECK,SELECTIONOFPULLEY,THESELECTIONANDTHELIFECALCULATIONOFTHEBEARING,KEYPINSELECTIONANDSTRENGTHCHECK,ANDOTHERPARTSINTHEHEADSTOCKTHEFRAMEISNONSTANDARDPARTACCORDINGTOTHEEXPERIENCEOFTHESIMILARMACHINETOOL,ANDCOMBINEDWITHSIMPLESTRUCTUREANDRATIONALLAYOUTOFTHEPRINCIPLE,IDESIGNEDTHEFRAMEATLAST,IINTRODUCETHEFRAMEWELDINGTECHNOLOGYACCORDINGTOTHESIZE,IUSEDUGSOFTWARETOCOMPLETETHERELATEDPARTSMODELING,VIRTUALASSEMBLYTHENIDIDTHESIMULATIONMOTION,ANALYSETHERESULTSFORTHECONCLUSION,ANDCOMPLETETHEWHOLEWRITINGKEYWORDSHEADSTOCK;FRAME;3DMODELING;VIRTUALASSEMBLY;MOTIONSIMULATIONV目录摘要IABSTRACTII目录V1绪论111车架与主轴箱设计的背景与目的112轴承内外圈车削加工国内发展历史及现状113车架和主轴箱设计的意义114研究内容、预期目标及研究方法22总体方案设计321车架的类型322主轴的类型33主轴箱设计531主轴箱的概述532主轴的概述5321主轴的用途和分类5322主轴的材料533主轴主要参数设计5331概述5332主轴平均直径D的确定6333主轴内孔直径D的确定7334主轴悬伸量A的确定8335主轴支承跨距L的确定834电动机的选择835主轴的传动设计8351转动方式概述8352皮带轮设计836键的选择与校核11361概述11362键的强度计算11363键的尺寸设计1337轴向定位1338主轴的轴承选择和配置13381概述13382轴承的选择13383轴承安装方式14384轴承的预紧14385圆锥滚子轴承校核1439轴的校核16310轴上其他零件的设计与选择203101滚动轴承的密封装置203102主轴箱前前端盖203103主轴箱前后端盖203104主轴箱后前端盖213105主轴后轴承套213106主轴并帽22311主轴箱箱体设计223111材料的选择223112制造方法223113铸造金属箱体的要点22312本章小结234车架结构设计2441概述2442车架设计的要求2443车架常用材料2444车架的截面形状、肋的布置和壁板上的孔24441车架的截面形状24442肋的布置24443车架壁板上的孔24444车架连接结构设计25445焊接技术25446车架的时效处理25447车架的尺寸结构设计2645本章小结265基于UG的车架和主轴箱三维建模与虚拟装配2751UG软件介绍2752主要零部件的三维建模27521车架建模28522主轴箱建模2953车架和主轴箱的虚拟装配30531基于UGNX6的装配设计简介30532主轴箱与车架的虚拟装配3154本章小结336基于UG的运动仿真3461运动仿真的工作界面34611UG的接口问题34612打开运动仿真主界面34VII613运动仿真工作界面介绍3562主轴箱的运动仿真36621连杆特性的建立36622运动副特性的建立37623分析验证3863本章小结387结论与展望3971结论3972不足之处与展望39致谢40参考文献41轴承内外圈加工专用机床车架与主轴箱设计11绪论11车架与主轴箱设计的背景与目的课题来源于某机床制造企业为提高加工过程的机械化和自动化水平,提高效率,降低工人的劳动强度,降低企业成本的需求。轴承内外圈车加工机床是针对企业发展需要,针对轴承内外圈车加工而设计的专用机床,此床应用功能简单,性价比高,适用于生产线加工。本次设计是为了满足应用功能简单,性价比高的要求进行设计的。对于一个机床来说,车架就是机床的“骨骼”,支撑起整台机床,而主轴箱则是机床的“心脏”给机床不竭的动力。车架与主轴箱是一台机床必不可少的两个主要部分。车架在满足整台机床的支撑作用的前提下,还要满足人机工程的相关要求。主轴箱则在满足动力输送的前提下,还要满足结构简单,功能简单,效率高的要求。12轴承内外圈车削加工国内发展历史及现状在上古时代的古埃及,曾经使用圆柱形滚木运输巨大石块建筑金字塔及纪念碑。中世纪时,著名数学家莱布尼茨写出了关于滚动和滑动摩擦的第一本著名理论著作。18世纪已经使用铸铁或青铜,到19世纪已经大童使用球、滚子和滚动轴承。1820年开始应用小型的推力球座圈,1880年登记了自行车滚动轴承的专利。1883年在欧洲建立了第一个球轴承工厂,同时在美国也建立了第一个球轴承工厂。现在,国际上已经有成千上万家大、中、小型和微型轴承公司。我国轴承工业加工已经有70多年的历史,目前已具有相当的规模和发展基础,解放以来,经过五十多年的发展,我国各类轴承的生产量已从1949年的138万套增加到2005年的60亿套,累计生产轴承的品种规格已从100多个增加到66000多个。从轴承生产总量和生产体系来看,我国已成为仅次于日本、美国和法国的世界轴承生产大国。轴承内外圈的车削加工一般指车削外圆、内孔、端面、滚道、挡边、斜坡、圆角、止动槽、油沟、油槽等。过去采用的设备水平普遍较低,多采用普通机床C615,C618,C630,六角机床C3180,C3163,C365L,立式机床C512A,C516A和C534等。随着机床、刀具、数字控制系统等现代加工技术的发展,传统车削加工的应用领域已经得到了极大的发展,设备发展到专用单功能机床、多刀仿形机床、半自动机床、多轴自动机床、数控机床、自动化车削短线等,提高了自动化程度和生产效率,使加工质量稳定可靠1。近几年轴承内外圈加工专用机床在国内外都有很多研究,应用的领域也越来越多,轴承机械,产品主要用于汽车行业、军工行业和其他工业行业的轴承生产制造,实现了单机自动化、多机线自动化的生产制造。其中轴承行业,占据顶端市场份额的90%以上,速度、准确度和耐用性是轴承内外圈加工专用机床加工出来的产品的重要保障。13车架和主轴箱设计的意义为了顺应当今社会发展的需要,单机自动化、多机线自动化的生产制造已经成为社会生产的主流。如何普及自动化,提高生产效率是现在面临的首要问题。车架和主轴箱作为机床的两个重要部件,也要顺应这个主流。与此同时,整台机床的性价比要高也是当代机床发展的必然趋势。无锡太湖学院学士学位论文14研究内容、预期目标及研究方法本课题来源于某机床制造企业生产线改造项目。本论文的主要内容包括(1)根据企业实际生产设备和技术要求,提出轴承内外圈加工专用机床车架和主轴箱的结构方案,并对各个零部件进行设计。(2)对轴承内外圈加工专用机床尺寸设计,并利用UG软件进行三维建模。(3)对轴承内外圈加工专用机床进行虚拟装配。(4)将虚拟样机导入UG软件运动仿真界面,并在UG中对机构进行运动仿真分析,检验所选取方案及其模型的合理性,并对机构进行优化设计。(5)轴承内外圈加工专用机床车架和主轴箱设计要顺应自动化生产线更新的需要,本文将采取类比的研究方法对相关部件进行设计。轴承内外圈加工专用机床车架与主轴箱设计32总体方案设计21车架的类型车架是机器中典型的非标准的零件,是底座、机体、床身、车架、桥架(起重机)、壳体、箱体以及基础平台等零件的统称,起到支撑、容纳其他零部件和保证其相对位置的作用。车架按外形结构不同如图21,可分为梁柱式、框架式、板块式和箱壳式等。按材料不同可分为金属车架和非金属车架,金属车架的常用制造方法有铸造和焊接两种,分别称为铸造车架和焊接车架;常用的非金属车架有塑料车架、花岗岩车架和混凝土车架等2。1,3,5梁(柱)式车架;2箱壳式车架;4平板式车架;6框架式车架图21车架的分类考虑到实际设计要求,和经济性要求,综上所述,本文将采用箱壳式运用焊接方法制造的金属车架。22主轴的类型用于机床的轴型有很多,常见的应用于轴承内外圈车加工专用机床的最为常见的两种轴型为直轴和心轴两种2。直轴的特点结构简单,制造方便,最为常用。按外形又分为光轴A和阶梯轴B,其中阶梯轴最为常用。如图22。无锡太湖学院学士学位论文图22直轴空心轴的特点空心处可装设其他零件。在同样重量下,较之实心轴有较大强度、刚度。加工比较困难。如图23。图23空心轴考虑到本文主轴箱的经济要求和传动效率高的原则,综上所述,本文采用空心轴。轴承内外圈加工专用机床车架与主轴箱设计53主轴箱设计31主轴箱的概述主轴箱是机床的重要部件,是用于布置机床工作主轴及其传动零件和相应的附加机构的部件。32主轴的概述321主轴的用途和分类主轴部件是机床实现旋转运动的重要执行件,主轴部件由主轴、主轴支承和安装在主轴上的传动件、密封件等组成3。由于机床的功能不同,导致主轴部件的结构也不同,但各种主轴部件都有共同特点在使用上都要求性能相一致的回转精度、抗振性、刚度、耐磨性等,并且要求温升低、热变形小。在结构上要求完善解决工件或刀具的定位装夹、轴承间隙的调整以及润滑、主轴及轴承的定位、密封等问题。当然,由于机床的任务、类型和要求不同,导致主轴工作条件的差异。因此,各类不同机床主轴部件需要解决的问题应各有所侧重。322主轴的材料主轴的材料品种很多,设计时主要根据对轴的强度、刚度、耐磨性以及加工、热处理和经济性等要求进行选择。主轴的常用材料是经过轧制或锻造的优质中碳钢和合金钢,其中应用最广泛的是经调质处理的45钢。合金钢对应力集中比较敏感,因而对合金钢轴表面加工质量要求也比较高,否则不能充分发挥其高强度的优点。根据同类机床的设计经验,本文采用40CR作为主轴的材料。33主轴主要参数设计331概述主轴的主要参数是指4主轴平均直径D(或主轴前轴颈直径1D);主轴内孔直径D;主轴悬伸量A和主轴支承跨距L,如图31。这些参数直接影响到主轴的工作性能。但为简化问题,主要是从静刚度条件出发来确定这些参数。无锡太湖学院学士学位论文图31主轴主要参数示意图332主轴平均直径D的确定主轴的平均直径对主轴部件有较大的刚度影响。加大直径D,可减少由于主轴本身弯曲变形引起的主轴轴端位移和轴承弹性变形引起的轴端位移,提高主轴部件的刚度。但加大直径受到轴承ND值的限制,同时造成相配零件尺寸加大、结构庞大、制造困难和重量增加等,因此在满足刚度的要求下应该去取小值。设计时主要用类比的分析方法来确定主轴前轴颈直径1D(或平均直径D)。按机床主电动机功率N来确定主轴前轴颈直径1D,如图32所示统计曲线。图32机床1DN统计曲线高速机床主轴和径向截面要求小的主轴,可按区域Ⅱ来确定2D的值。根据电机功率和相关要求与经验结合曲线图,得1D70MM。根据同类机床的经验此主轴可分为四段如图33,因定位轴肩的高度H一般为H(007~01)D,D为与零件相配处的轴的直径5。故5D700170284MM。图33四段轴图轴承内外圈加工专用机床车架与主轴箱设计7对于其他轴肩高度属于非定位轴肩,是为了加工和装配方便而设置的,其高度没有严格的规定,一般取为1~2MM。故2D70268MM;3D68266MM;4D66264MM。333主轴内孔直径D的确定主轴内孔直径与机床的类型有关,主要用来通过棒料,通过拉杆、镗杆或顶出顶尖等。确定孔径D的原则是,为减轻主轴重量,在满足对空心主轴孔径要求和最小壁厚要求以及不削弱主轴刚度的要求下,应尽量取大值。主轴本身的刚度K正比于抗弯断面惯性矩I,即41)(实空实空DDIIKK(31)根据(31)式,可绘出主轴孔径D对刚度的影响曲线如图34。图34孔径D对刚度的影响曲线由图可知,当50DD时内孔D对主轴刚度几乎无影响,可忽略不计,所以常取孔径D的极限值MAXD为MAXD<07D此时空K>075实K,即刚度削弱小于25。若孔径再大,主轴刚度就会急剧下降。普通机床11DDDD或055~06式中D1前轴颈内孔直径。由已知条件1D70MM,所以1D1D(055~06)70(055~06)MM385~42MM。根据同类机床经验得1D40MM。因为此机床正常加工无需内孔,但出于减轻轴的重量考虑,同时类比同类机床得无锡太湖学院学士学位论文2D30MM。334主轴悬伸量A的确定主轴悬伸量A是指主轴前端面到前支承径向反力作用中点(一般即为前径向支承中点)的距离5。它主要取决于主轴端部结构型式和尺寸(大多有轴端标准)、前支承的轴承配置和密封装置等,有的还与机床其他参数有关,如工作台的行程等,因此主要有结构设计决定。悬伸量A值对主轴部件的刚度、抗振性影响很大。因此,确定悬伸量A的原则,是在满足结构要求的前提下尽可能取小值,同时应在设计时采取措施缩减A值。与同类机床相类比初步确定0≤A≤50(MM)。335主轴支承跨距L的确定支承跨距L是指主轴相邻两支承的支承反力作用点之间的距离。合理确定支承跨距,是获得主轴部件最大静刚度的重要条件之一。根据同类机床的主轴跨距,此机床的合理跨距L300MM。34电动机的选择该机床只要是用于加工深沟球轴承系列的内外圈的专用机床7。轴承内外圈的材料GCR15刀具材料YT158最大车削直径52MM轴承内外圈的加工生产类型大批量生产根据实际需求和以往经验,我将选择变频调速电机。变频调速电机我选择了4级电机,基频工作点设计在50HZ频率050HZ(转速01480R/MIN)范围内电机作恒转矩运动。本文电动机的输出功率为3KW,转速为1000R/MIN。35主轴的传动设计351转动方式概述主轴旋转运动转动方式的选择,决定于主轴转速的高低,所传递扭矩的大小,对运转平稳性的要求及结构紧凑、装卸维修方便等。机床主轴的常用传动方式有齿轮传动、带传动、电动机直接传动、空气涡轮传动、涡轮蜗杆传动和链传动等。本文根据同类机床传动设计经验,初步选择使用带传动。查机床设计手册表614得出将带轮装于前、后支承间,主轴受力情况较好,适用于精度较高的高速小型机床。352皮带轮设计本节设计步骤和相关图表均参考文献2,袖珍机械设计师手册。3521概述带传动是最常用的一种机械传动,其特点是结构简单、传动平稳、能缓冲吸振、能实现两轴距离较远的传动。带传动的类型很多,主要有以摩擦传动为传动方式的V带传动、平带传动和圆带传动轴承内外圈加工专用机床车架与主轴箱设计9以及以啮合传动为传动方式的同步带传动和特种同步带传动。本文根据同类机床设计经验选用普通V带传动。普通V带是用多种材料制成的无接头环形带。带轮的材料则经常采用HT150或HT200。本文选用HT200。3522V带传动设计计算V带传动设计的主要依据是保证带在工作中不打滑,并具有一定的疲劳强度和使用寿命。本文电动机输出功率P3KW,电机转速MIN/10002RN,主轴转速MIN/16001RN。1计算功率PKPAC(32)根据参考文献2查表156,得KA14。由公式(32)得25341CPKW。2选择带型根据CP和1N,查参考文献2中图151得出本文应选用A型。3小带轮的基准直径为了提高V带的寿命,宜选取较大直径,基于这个原则,查参考文献2中表157和图151,取1181DDMM。4大带轮的基准直径8188118100016002212DDDNNDMM,查参考文献2中表157,取1802DDMM。5带速899100060160011810006011NDVDM/S6初定中心距21021270DDDDDDADD)18011870MM18011820AMM2086MM0A596MM根据结构要求选定2500AMM。7初算胶带基准长度MM972250411818018011822502422202122100ADDDDALDDDDD由参考文献2中表153选取基准长度1000DLMM。8实际中心距无锡太湖学院学士学位论文264MMMM29721000250200DDLLAA安装时调整范围249MMMM100001502640150MINDLAA294MMMM1000030264030MAXDLAA9小带轮包角12054166541663572641181801803571801121ADDDD故合适。10单根V带传递的额定功率根据1181DDMM和16001NMM,由参考文献2中表159C查得A型带5711PKW。11单根V带1I的额定功率增量由参考文献2中表159C查得1701PKW12V带的根数根。取根根347389096601705712511ZKKPPPZLC13单根V带的预拉力20152500QVKVZPFC33由公式(33),并根据参考文献2中表1511查得Q01KG/M。原式149NN289910196605238992550014作用在轴上的力N888254166SIN3149221SIN02ZFQ15带轮的结构和尺寸如图35。轴承内外圈加工专用机床车架与主轴箱设计11图35皮带轮的尺寸图36键的选择与校核361概述键是一种标准零件,通常用来实现轴与轮毂之间的周围固定以传递转矩,有的还能实现轴上零件的轴向固定或轴向滑动的导向。键的连接主要类型有平键连接、半圆键连接、楔键连接和切向键连接。本文采用平键(A型)连接。其主要特点键的两侧面是工作面,工作时,靠键同键槽侧面的挤压来传递转矩。键的上表面和轮毂的槽底面间则留有间隙。平键连接具有结构简单、装拆方便、对中性较好等优点,因而得到广泛应用。键的材料采用抗拉强度不小于600MPA的钢,通常为45钢6。故本文键的材料选择45钢。362键的强度计算平键连接传递转矩时,连接中各零件的受力如图36所示。

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