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 Abstract The title of this article is designing the frame and the headstock of the special machine tool for machining bearing inner and outer ring. The study is based on a project for transforming the production line of the special machine tool for machining bearing inner and outer ring of a manufactory. The frame is just as “skeleton” to support the whole lathe, and the headstock just as “heart” to offer an inexhaustible driving force for a lathe. To achieve the goal of the single function and to improve high utilization for input power, I designed the headstock . The frame has simple structure, and reasonable layout. I would design the related measurement of headstock and frame by using UG software. Then I would use UG to do 3D modeling, virtual assembly and motion simulation. The part of designing the headstock would complete the design of the measurement and strength check, selection of pulley, the selection and the life calculation of the bearing, key pin selection and strength check, and other parts in the headstock. The frame is non-standard part. According to the experience of the similar machine tool, and combined with simple structure and rational layout of the principle , I designed the frame. At last, I introduce the frame welding technology. According to the size, I used UG software to complete the related parts modeling, virtual assembly. Then I did the simulation motion, analyse the results for the conclusion, and complete the whole writing. Keywords: headstock； frame； 3D modeling； virtual assembly； motion simulation V 目 录 摘 要 . I ABSTRACT . II 目 录 . V 1 绪论 . 1 1.1 车架与主轴箱设计的背景与目的 . 1 1.2 轴承内外圈车削加工国内发展历史及现状 . 1 1.3 车架和主轴箱设计的意义 . 1 1.4 研究内容、预期目标及研究方法 . 2 2 总体方案设计 . 3 2.1 车架的类型 . 3 2.2 主轴的类型 . 3 3 主轴箱设计 . 5 3.1 主轴箱的概述 . 5 3.2 主轴的概述 . 5 3.2.1 主轴的用途和分类 . 5 3.2.2 主轴的材料 . 5 3.3 主轴主要参数设计 . 5 3.3.1 概述 . 5 3.3.2 主轴平均直径 D 的确定 . 6 3.3.3 主轴内孔直径 D 的确定 . 7 3.3.4 主轴悬伸量 A 的确定 . 8 3.3.5 主轴支承跨距 L 的确定 . 8 3.4 电动机的选择 . 8 3.5 主轴的传动设计 . 8 3.5.1 转动方式概述 . 8 3.5.2 皮带轮设计 . 8 3.6 键的选择与校核 . 11 3.6.1 概述 . 11 3.6.2 键的强度计算 . 11 3.6.3 键的尺寸设计 . 13 3.7 轴向定位 . 13 3.8 主轴的轴承选择和配置 . 13 3.8.1 概述 . 13 3.8.2 轴承的选择 . 13 3.8.3 轴承安装方式 . 14 3.8.4 轴承的预紧 . 14 3.8.5 圆锥滚子轴承校核 . 14 3.9 轴的校核 . 16 3.10 轴上其他零件的设计与选择 . 20 3.10.1 滚动轴承的密封装置 . 20 3.10.2 主轴箱前前端盖 . 20 3.10.3 主轴箱前后端盖 . 20 3.10.4 主轴箱后前端盖 . 21 3.10.5 主轴后轴承套 . 21 3.10.6 主轴并帽 . 22 3.11 主轴箱箱体设计 . 22 3.11.1 材料的选择 . 22 3.11.2 制造方法 . 22 3.11.3 铸造金属箱体的要点 . 22 3.12 本章小结 . 23 4 车架结构设计 . 24 4.1 概述 . 24 4.2 车架设计的要求 . 24 4.3 车架常用材料 . 24 4.4 车架的截面形状、肋的布置和壁板 上的孔 . 24 4.4.1 车架的截面形状 . 24 4.4.2 肋的布置 . 24 4.4.3 车架壁板上的孔 . 24 4.4.4 车架连接结构设计 . 25 4.4.5 焊接技术 . 25 4.4.6 车架的时效处理 . 25 4.4.7 车架的尺寸结构设计 . 26 4.5 本章小结 . 26 5 基于 UG 的车架和主轴箱三维建模与虚拟装配 . 27 5.1 UG 软件介绍 . 27 5.2 主要零部件的三维建模 . 27 5.2.1 车架建模 . 28 5.2.2 主轴箱建模 . 29 5.3 车架和主轴箱的虚拟装配 . 30 5.3.1 基于 UG NX 6 的装配设计简介 . 30 5.3.2 主轴箱与车架的虚拟装配 . 31 5.4 本章小结 . 33 6 基于 UG 的运动仿真 . 34 6.1 运动 仿真的工作界面 . 34 6.1.1 UG 的接口问题 . 34 6.1.2 打开运动仿真主界面 . 34 VII 6.1.3 运动仿真工作界面介绍 . 35 6.2 主轴箱的运动仿真 . 36 6.2.1 连杆特性的建立 . 36 6.2.2 运动副特性的建立 . 37 6.2.3 分析验证 . 38 6.3 本章小结 . 38 7 结论与展望 . 39 7.1 结论 . 39 7.2 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 1 1 绪论 1.1 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。 1.2 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 13.8 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。 1.3 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 1.4 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 3 2 总体方案设计 2.1 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 2.1，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 2.1 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。 2.2 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 2.2。 无锡太湖学院 学士学位论文 图 2.2 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 2.3。 图 2.3 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 5 3 主轴箱设计 3.1 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。 3.2 主轴的概述 3.2.1 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 。 3.2.2 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。 3.3 主轴主要参数设计 3.3.1 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 3.1。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 3.1 主轴主要参数示意图 3.3.2 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 3.2 所示统计曲线。 图 3.2 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 1D =70mm。 根据同类机床的经验此主轴可分为四段 如图 3.3，因定位轴肩的高度 h 一般为 h =（ 0.07 0.1） d ， d 为与零件相 配处的轴的直径 5。 故5D=70+0.1 70 2=84mm。 图 3.3 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 2D =70-2=68mm； 3D =68-2=66mm； 4D =66-2=64mm。 3.3.3 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 4-1 ）（实空实空 DdIIKK （ 3.1） 根 据 （ 3.1） 式，可绘出主轴孔径 d 对刚度的影响曲线 如 图 3.4。 图 3.4 孔径 d 对刚度的影响曲线 由图可知，当 5.0Dd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 0.7D 此时空K 0.75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=0.55 0.6 式中 d1 前轴颈内孔直径。 由已知条件 1D =70mm，所以 1d = 1D （ 0.55 0.6） =70 （ 0.55 0.6） mm=38.5 42mm。 根据同类机床经验得 1d =40mm。 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 2d =30mm。 3.3.4 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） 。 3.3.5 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 l =300mm。 3.4 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 0-50Hz（转速 0-1480r/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。 3.5 主轴的传动设计 3.5.1 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 6.1-4 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。 3.5.2 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 。 3.5.2.1 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。 3.5.2.2 V 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 P=3kW，电机转速 min/10002 rn ，主轴转速 min/16001 rn 。 (1) 计算功率 PKPAc （ 3.2） 根据 参考文献 2查表 15-6， 得 KA=1.4。 由公式 （ 3.2） 得 2.534.1 cPkW。 (2) 选择带型 根 据cP和 1n ， 查 参考文献 2中 图 15-1 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 15-7 和图 15.1，取 1181 ddmm。 (4) 大带轮的基准直径 8.1881181 0 0 01 6 0 02212 dd dnndmm， 查 参考文献 2中 表 15-7，取 1802 ddmm。 (5) 带速 89.91 0 0 060 1 6 0 01181 0 0 060 11 ndv d m/s (6) 初定中心距 21021 2(7.0 dddd ddadd ） 1801187.0 mm 18011820 a mm 208.6mm 0a596mm 根据结构要求选定 2500 amm。 (7) 初算胶带基准长度 m