毕业设计说明书+++装配机构及测量装置的详细设计.doc

南华大学机械工程学院毕业设计（论文）摘要： 本设计是综合深沟球轴承装配的各个步骤，根据现代机械自动化控制原理而设计的。是一台针对深沟球轴承的综合装配机械，能够实现深沟球轴承从外环、内环、钢珠的单体到轴承装配体的步骤。解决了由于手工装配带来的诸如清洁度、装配精度和锈蚀等许多问题。本机械大量的运用了plc控制液压气压元件实现运动，机构较为复杂。本设计是只针对机械结构部分的设计，主要由以下几部分组成：1.入钢珠装置；2分钢珠装置；3入保持器及保持器组合装置；4铆接装置；5铆接检测装置；6轴承传送装置。关键词： 入钢珠 分钢珠 保持器 检测装置 传送装置abstract: this design is compeleted by synthesizing each process of assembling the deep groove ball bearing and by following the modern mechanical automation control theory.it is one integrated assembling machine specially for deep groove ball bearing, and it can carry out all the process of the deep groove ball bearing, from the monomer like the outer ring, the inner rim and the steel ball to the assembled bearing.it solves many problems, such as the cleanliness, the assembly precision and the corrosion which is caused by manual setting.this machine utilizes massive plc controlled hydraulic and barometric pressure parts to achieve movement,thus the framework is much more complex.this design is only for the mechanical part and is mainly composed by the following several parts: 1.the steel ball entering installment;2.the steel ball separating equipment;3.the retainer entering and retainer aggregate unit; 4.the riveting device; 5.the riveting detector set; 6.the bearing transport unit.key words: steel ball entering; steel ball separating; retainer; detector set; transport unit目 录引言11、总体方案设计21.1 深沟球轴承的装配方法 21.1.1 深沟球轴承简介21.1.2 深沟球轴承的装配方法31.1.3 深沟球轴承的装配工艺过程51.1.4 装配前轴承内外圈的等级划分 71.2 深沟球轴承装配机的总体设计91.2.1 深沟球轴承装配机的设计思路91.2.2 全自动深沟球轴承装配机结构设计整体装配图 102、装配机构及测量装置的详细设计 102.1 入钢珠机构的设计102.2 分钢珠机构的设计及其检测122.3 入保持器机构的设计142.3.1 入保持器a片 142.3.2 入保持器b片 162.4 组合保持器机构的设计172.5 铆接 182.5.1 铆合工作原理 182.5.2 铆接力的计算 212.5.3 铆接成形力的计算 222.5.4 液压缸的选择 232.5.5 铆钉铆接成形过程中对板的分布压力的计算 242.5.6 铆接压力最大时铆钉的应力、应变分析 242.5.7 铆钉机松开后铆钉的应力应变分析 252.5.8 铆接的重要性与结构工艺性分析 272.6 翻转机构的设计 322.7 铆接检测结构的设计 332.8 轴承传送装置的设计33 2.8.1 传送装置的整体设计332.8.2 传动凸轮的设计342.8.3 各个抓手头的介绍39参考文献 41 谢辞 42附页 43第 iv 页引 言 轴承是高精密的产品，可以说是工业之母，只有高品质的轴承，才能使机器正常的转动并充分发挥其性能，轴承在机械业界所负的使命如此重大，高精密全自动轴承装配机显得更加重要。目前在我国的轴承生产企业中，多数的轴承装配还停留在手工作业阶段，整个工序都是人在起主导作用，无论是内外环的分选、保持器的压铆，还是润滑油脂的注入或密封板的压入都是手工操作的。但是随着各行业用户的技术要求不断地提高，他们对轴承的清洁度、噪音、游隙、转矩、残磁值、抗锈蚀能力等要求越来越高。因此，轴承装配过程的手工装配就显现出了极大的弱点。所以，装配作业的机械化、自动化被重视起来。研制出符合我国国情的轴承装配机成为一项重要课题。在整个装配过程中，手工装配清洁度的问题难以解决，再次是由于人工作业，人为因素太多，所以轴承的质量很难让人满意。目前，国外的轴承装配基本都是机械化作业，减少用人量，以降低成本。 滚动轴承的技术水平和质量直接影响到主机的工作性能和质量。在轴承工业的发展中，制造技术的变革十分重要。滚动轴承作为一种多工序、连续大批量生产的标准产品，其制造方式又有其特殊性。从滚动轴承各零件加工设备、工艺方面看当前国内轴承制造技术的现状及其发展趋势。在当今社会，各生产企业间的竞争愈演愈烈。为了使企业立于不败之地，提高产品质量，在扩大市场份额的同时，一直努力地追求着产品利润。产品质量和成本一直是企业所要解决的核心问题。在此过程中，装配是其中的重要一环。在现代制造业中，装配工作时间占制造时间的 4060，装配工作量约占整个产品制造工作量的 2070，实际生产中广泛存在着各种复杂的装配任务。装配生产自动线上，当前多采用传统机械构件控制的自动机，这类机器结构复杂，制造困难、机械效率低、柔性差，不适用于现代的多品种、小批量生产。plc控制技术在机械产品中的应用，使传统机械产生了巨大的变革并焕发出新的活力。1 总体方案的设计1.1 轴承的装配方法1.1.1 深沟球轴承简介 深沟球轴承是滚动轴承中最为普通的一种类型。在实际生产中使用也最为广泛，能承受径向载荷、双向轴向载荷或他们组合成的合成负荷。由于用途和工作条件不同，其结构变化较多，但基本结构都是由内环、外环、钢珠和保持器四个零件组成。如图1.1所示：图1.1 深沟球轴承基本结构 （1）内环（又称内套或内圈） 通常固定在轴颈上，内环与轴一起旋转。内环外表面上有供钢球滚动的沟槽，称为内沟或内滚道。（2）外环（又称外套或外圈） 通常固定在轴承座或机器的壳体上，起支承滚动体的作用。外环内表面上也有供钢球或滚子滚动的沟槽，称为内沟或内滚道。 （3）钢球 每套轴承都配有一组或几组滚动体，装在内环和外环之间，起滚动各传递力的作用。钢珠是承受负荷的零件，其大小和数量决定了深沟球轴承承受载荷的能力和高速运转的能力。（4）保持器（又称保持架或隔离器）。将轴承中的钢珠均匀地相互隔开，使每个滚动体在内环和外环之间正常地滚动。此外，保持架具有引导钢珠运动，改善轴承内部润滑条件，以及防止钢珠脱落等作用。除了上述四个零件外，各种不同结构的深沟球轴承还有与其相配的其他零件。例如，防尘盖、密封板、挡圈及固定套等。1.1.2轴承的表示方法 轴承根据用途和性质的不同分为多种形式如深沟球轴承、推力球轴承、圆柱滚子轴承、圆锥滚子轴承等等。轴承代号由基本代号、前置代号和后置代号构成。基本代号表示轴承的基本类型、结构和尺寸，是轴承代号的基础；前置、后置代号是当轴承的结构形状、尺寸、公差、技术要求有改变时，在其基本代号左右添加的补充代号，轴承代号的排列规则如表1.1所示:表1.1 轴承代号排列规则基本代号的代表意义，如6203轴承： 1.类型代号：6，代表深沟球轴承。 2.尺寸系列代号：轴承尺寸系列代号由轴承的宽（高）度系列代号和直径系列代号组成。宽（高）度系列代号在左，直径系列代号在右，两位数字组合成尺寸系列代号。通常0宽度系列代号可省略。 直径系列代号：2，直径系列指对应同一轴承内径的外径尺寸系列，即指相同内径的轴承有各种不同的外径。 3.内径代号：内径是轴承的重要安装尺寸，在实际设计使用轴承时，必须考虑的就是轴承的内外径。由于实际情况的需要，轴承的种类繁多。所以，要设计一定的标准来表示轴承的内径。内径代号的意义如表1.2所示：表1.2本设计以比较简单的无密封板的d级（5级公差）深沟球轴承6203为例，仅由内环、外环、钢珠和保持器组成。查表得深沟球轴承6203的内外环尺寸如表1.3，表1.4所示表1.3外环尺寸表外径径向倒角轴向倒角内径沟底经沟曲率宽度钢珠数型号daxd1d2cbn6203400.801.1033.2035.9547.572127表1.4内环尺寸表内径径向倒角轴向倒角外径沟底经沟曲率宽度钢珠数型号daxd1d2cbn6203170.801.1024.4021.6567.287127轴承材料选用gcr15，即高碳铬轴承钢。高碳铬轴承钢采用先进的冶炼技术和工艺得到极高的纯洁度，经适当的热处理获得均匀分布的球状珠光体组织，切削性能良好，具有优良的淬透性和淬硬性，热处理后的显微组织和硬度比较均匀稳定，具有较高的接触疲劳强度和良好的耐磨性，经适当的热处理还可获得很好的尺寸稳定性，并具有一定的抗腐蚀性能，钢材价格也比较便宜。到目前为止，高碳铬轴承钢仍是世界各国普遍用于制造轴承零件的理想材料，其相关性能如下所示： 1.1.3 深沟球轴承的装配工艺过程 深沟球轴承的装配过程就是将已知加工好的轴承零件， 按照轴承成品的技术要求装配成套， 以达到使用要求的生产过程。 由于轴承零件的加工进度不同，先加工好的轴承零件先涂油防锈入库，待全部轴承零件加工结束后，再将零件送入装配车间进行装配。 对于深沟球轴承来说， 由于其结构的特殊性和装配技术要求（如径向游隙）的严格性，虽然其产量高，批量大，但目前绝大多数厂家的装配车间仍处于半手工、半机械操作，以6203轴承为例，其装配工艺过程如下： 1. 退磁清洗（残磁小于0.6mt，手感、目观无污物，严防磕碰伤）； 2. 外观检测（无粗磨纹、车削纹、磨伤、黑斑、锈蚀等；打字清晰）； 3. 检查内外径尺寸： 轴承外径基本尺寸；轴承内径基本尺寸；轴承单一平面平均外径尺寸；轴承单一平面平均内径尺寸；轴承外环外径圆度误差；轴承内环内径圆度误差；轴承外环平均外径圆柱度误差；轴承内环平均内径圆柱度误差；4. 沟道分选(以档进行分选，分选外圈时应将测脚收回) ；5. 配套（根据径向游隙偏差进行配套，径向游隙偏差值取中间值）； 6. 填球（根据合套仪显示的数值装配钢球，球径为7.14375mm，球数为 7）； 7. 清洗（严防磕碰伤） 8. 分球装架(保持架必须先在超声波清晰机中清洗，然后二次漂洗干净后，才能安装)； 9. 铆合（铆合后，铆钉头应垂直、饱满，不允许出现“双眼皮”等现象，保持架不得碰套、夹球，轴承转动应轻快灵活无阻滞现象）； 10. 成品清洗（残磁小于0.6mt，手感、目观无污物，严防磕碰伤）； 11. 抽检 ；12. 检查灵活性及外观（轴承转动应灵活、轻快、平稳，无急停、阻滞现象，打印标志清晰，表面无锈蚀；不得缺球，缺钉，铆球头应圆滑、饱满）； 13. 清洗（成品清洗，防止磕碰伤）；14. 测振（加速度振动值不超过42，无异音）； 15. 注脂压盖（密封圈清洗干净后，才能注脂压双面密封圈匀脂）； 16. 测振； 17. 防锈（用油雾喷涂防锈）； 18. 包装（用塑料筒包装，每筒10套）； 19. 装箱； 20. 成品入库（经仓库人员核对装箱型号、数量后、封箱入库）。1.1.4 装配前轴承内、外圈的等级划分 由gb/t307.1，精度要求较高的轴承如 d级轴承（5级公差）表 1.5 5级内圈（公差值单位：微米）直径系列全部正常修正2超过到上偏差下偏差上偏差下偏差10180-5437740-120-2505表1.6 5级外环（公差值单位：微米）直径系列全部正常修正2超过到上偏差下偏差上偏差下偏差30500-7548870-1205其中， 轴承的内环端面对滚道的跳动，mm轴承的内环端面对内孔的跳动，mm内环内圈的径向跳动，mm内环的宽度偏差，mm内环宽度的变动量，mm轴承的外环端面对滚道的跳动，mm外端面母线对基准端面倾斜的变动量，mm外环外圈的径向跳动，mm外环的宽度偏差，mm外环宽度的变动量，mm轴承的装配是保证轴承精密度的重要环节，合理的装配方法可以降低轴承因装配对轴承内外环真圆度的影响，降低对内外沟表面和对内外环表面造成的伤害，尤其对于对音响要求比较高的轴承可以防止出现过大的噪音而造成的不良。装配深沟球轴承的顺序为：内外环组合入钢珠入保持器a片（带有铆钉）入保持器b片（带有铆接孔）组合保持器铆接铆接检测。流程图如图1.2所示：图1.2 轴承安装流程图深沟球轴承的装配必须满足：1. 钢珠数量符合设计要求。 2. 钢珠必须等分。 3. 保持器必须是只有一个组合，即一个a片一个b片的组合，不能出现入如一个a片多个b片的情况。 4. 铆接密合度、囊袋间隙（钢珠在囊袋内的轴向最大活动量）、造头高（铆接冲压后形成的凸起的高度）、造头径（铆接冲压后形成的凸起的高度）要符合要求。如表1.2 5. 不能出现落铆现象等。表1.7检测项目造头高造头径囊袋间隙铆接密合度标准0.8mm1.62mm0.0090.012mm锡箔纸检测1.2 深沟球轴承装配机的总体设计1.2.1深沟球轴承装配机的设计思路 根据深沟球轴承的生产流程，深沟球轴承装配的前一步工序是内外环的选配。由于内外环都存在制造公差，所以为了达到足够的精密度，使轴承具有合理的径向游隙（所谓滚动轴承的游隙，是将一个套圈固定，另一个沿径向的最大活动量），所以要根据内外环的制造公差进行选配。深沟球轴承装配机的就是要对选配好的内外环进行装配。第一步时要入钢珠，对于6203钢珠为7个，即把全部的钢珠注入到内外环之间。利用传感器进行控制以便保证钢珠数；下一步就要把钢珠等分开来，同时检测每个等分位置上是否有钢珠；接下来是入保持器a片，根据上一步等分钢珠的位置使保持器准确的落到钢珠上，并保证保持器的每个囊袋的位置正好有一颗钢珠；入保持器b片同样要使每个囊袋有一个钢珠；保持器的组合要使保持器a片的铆钉准确的组合到保持器b片中的铆钉孔中，并施加一定的压力，使保持器a、b片组合到一起，不至于很容易的脱落；铆接是在组合好的铆接状态下利用冲压模具对铆钉进行冲压，以达到要求的造头高、造头径以及保持器之间的铆接密合度。由于要保证传送过程中保持器a片和保持器b片不至于很容易的脱落，所以要使保持器a片在上方，保持器b片在下方。要检测铆接状态就要进行翻转，通过翻转机构翻转以后，利用铆接检测装置进行检测。检测的主要内容为造头的高度以及铆接的是否有落铆现象（由于保持器制造原因或者铆接时的故障导致的铆钉脱离保持器）。合格的产品进入下一流程。设计中由于涉及很多方面的运动，为了更好的进行控制，需要大量的应用液压气压装置。轴承装配的各工作站之间的传送，利用搬运抓手。搬运装置利用传动凸轮进行横向和纵向运动的控制，能协调一致的完成轴承的传送。1.2.2 全自动深沟球轴承装配机结构设计整体装配图图1.3 全自动深沟球轴承装配机整体装配图2 装配机构及检测装置的结构设计2.1入钢珠机构的设计 入钢珠是指把规定数量的钢珠注入内外环之间，并使钢珠能完整的在内外环的沟径中运动。钢珠容器在入钢珠装置的后面，通过弹簧管道连接入钢珠机构的钢珠入口。入钢珠装置整体图如图2.1所示。入钢珠首先要保证钢珠的数量，在盛有钢珠的容器下面装有传感器，能准确的计算控制通过钢珠轨道的钢珠数量。轴承夹钢珠托片 图 2.2 入钢珠轨道钢珠轨道口钢珠压头钢珠注入口图 2.1入钢珠机构 图 2.3 入钢珠轨道由于普通间隙6203轴承的径向游隙也很小，只有0.009mm0.019mm所以钢珠要装配到内外环之间就要使钢珠的中心水平面和内外环沟径的最深处的水平位置在同一平面上，所以装配必须在如图2.2中所示的一个钢珠托片上进行。同时入钢珠完成以后必须对最后一个钢珠施以压力才能使其顺利进入轨道，如图2.3所示的钢珠压头利用气压缸提供动力，实现对钢珠施加压力。由于传送轴承的轨道是平的，所以要使治具接触到钢珠，下面必须有一个对治具的升降装置。传送轨道上要有一个对外环的夹紧装置。如图2.2所示，设计了轨道轴承夹。如图2.3所示为入钢珠的钢珠轨道头，当传感器感应到配套的内外环的存在，顶部气压缸控制入钢珠轨道头沿着轨道下移直到接触到轴承内外环。接着，7颗钢珠沿着轨道注入到内外环之间。然后由中间气压缸对最后一颗钢珠施加压力，同时侧面气压缸也施加力，共同实现把全部钢珠注入到内外环之间的工作。2.2 分钢珠机构设计 分钢珠环节是指把钢珠平均分配到固定的位置，并在每个位置上分别检测是否有钢珠，以保证上一环节入钢珠的数量。分钢珠装置与检测装置如图2.4和图2.5所示：图2.5分钢珠拨叉导向杆图2.5分钢珠拨叉 图2.5 分钢珠拨叉图2.4分钢珠装置 图2.6分钢珠测头 分割拨叉之间相隔的角度相同，但是长短各不相同，每两个相邻的钢珠拨叉长度差大于钢珠的直径。向下运动时能使钢珠准确的分配到各自的位置，并保持相同的距离。由于轴承的径向游隙比较小，只有0.009mm0.019mm，所以钢珠在轨道内的活动有一定的摩擦阻力，分割拔插分配好的钢珠能停留在固定的位置。便于下一环节的入保持器。为此，必须保证分钢珠的拨叉不能旋转，所以设计了如图2.4所示的方形的导向机构。为保证分割钢珠时轴承不能在轨道中移动仍然要在轨道下方安装一个可以上下运动的拨块，使轴承在分割时固定，在分割完成时可以沿着轨道运动，由一个安装在机械底座上的气压缸提供动力。 同时，在分钢珠时每两个拨叉之间的底部都有检测装置，当分割头向下运动时，分割到每个位置的钢珠会接触到检测测头，从而由应变片感应到钢珠的存在；如果拨叉之间没有钢珠，测头连接的感应片会自动报警，以此实现钢珠的检测，防止不良品的流出。分钢珠测头如图2.6所示。在分钢珠位置的轨道上也需要对轴承的夹紧装置同分钢珠时的夹紧装置。分钢珠分割拨叉的锁紧机构如图2.8所示，利用锥型结构进行自动锁紧。拨叉安装头锁紧外套锥形锁紧套 图2.7 分钢珠拨叉 图2.8分钢珠锁紧机构轴承夹分割拨叉孔图2.9分钢珠轨道2.3 入保持器结构的设计 入保持器是指把保持器a片（带有铆钉）和保持器b片（带有铆钉孔）安装到内外环之间，并保证保持器的囊袋正好落入钢珠的位置，铆钉和铆钉孔对正。所以，入保持器分为入保持器a片和入保持器b片。保持器a、b片如图2.10和图2.12所示：a片 b片图2.10 保持器a、b片 2.3.1入保持器a片 a片挂杆分保持器装置图2.11 入保持器a片装置 为提高效率保持器都用心轴串联起来，保持器a片的铆钉会自动找正落在下面一片保持器上的铆钉的反面与钢珠囊袋之间的空隙之间。由于分钢珠机构已经基本固定了钢珠的位置。所以，如保持器a片首先要做的就是要把保持器对正到钢珠的正上方。同时，还要保证保持器要一片一片的安装。所以设计了如图所示的机构来保证。 滑块控制轨道板 滑块运动示意图 滑块图2.12 分保持器装置 利用气压缸提供动力，推动带有圆弧形轨道的圆盘旋转，从而带动如图2.12所示的滑块在轨道中移动。滑块共分为六块，按排列顺序可以分为1、2、3、4、5、6。非工作状态下滑块1、3、5托住悬挂的所有保持器，滑块2、4、6不与保持器接触。在工作状态下，滑块1、3、5在圆盘旋转时向外运动，使保持器落下，落到轨道中的轴承上；滑块2、4、6在圆盘旋转时向内运动，使其非常尖的头插入到最底下一片保持器和与其相邻的一片保持器之间，起到拖住上面所有保持器的作用。当最下面一片保持器落下后，圆盘反转，使滑块回到原来位置，此时滑块1、3、5托住所有的保持器。这样，完成保持器a片的安装。由于保持器是固定悬挂的，轴承安装传送装置要有一定的活动空间，所以保持器与内外环间有一定的距离。但太远的距离不能将保持器a片准确的安装到想要的位置，固要有一个升降装置使分好钢珠的轴承接近保持器。如图2.13所示是托住分好钢珠的轴承的拖头，拖头能正确的保持钢珠的位置，使a片能准确的落到钢珠上。拖头下面利用安装在机械底座上的气压缸提供动力。 图2.13 a片保持器托头图 2.14 轴承夹控制气压缸另外，为了更好的确定轨道中轴承的位置，轨道中仍然使用了轨道轴承夹。在拖头将轴承托起前，必须要使轨道轴承夹脱离轴承。以此，在轨道后面安装了一个气压缸，如上图2.14所示，专门控制轨道轴承夹。轨道中由轴承到达位置时，气压缸收缩带动轨道轴承夹脱离轴承，a片安装好后回到原来位置。2.3.2入保持器b片入保持器b片与入保持器a片基本相同，不同的是b片要从轨道中轴承的下面安装，所以设计了如图所示的保持器b片的传送安装装置首先b片落到如图所示的托头上，然后横向的气压缸提供沿轨道运动的动力，使b片运到轨道的正下方。接着纵向的气压缸将b片送到轨道上的轴承位置。b片托头a片挂杆横向运动气压缸纵向运动气压缸图2.15 保持器b片运送装置要保证b片能在轨道上而不落下来，要设计挡板，如图2.15所示。当运送装置将b片保持器运送到轨道正下方后，挡板打开，使b片保持器托头托送的b片保持器能顺利的到达轨道上的轴承下面。然后挡板关闭，托头返回，而保持器是圆形的所以被挡板挡住，留在轨道上。完成保持器b片的安装。b片挡板轨道轴承夹挡板控制气压缸图2.16 保持器b片轨道在b片安装的位置的轨道上，同样有轨道轴承夹。不仅固定了轴承沿轨道的位置，还在托头把b片保持器上来时限制了轴承的上下运动。保证保持器b片的顺利安装。2.4 保持器组合机构的设计 保持器的组合是指在a、b片保持器都安装到轴承以后，使a片保持器的铆钉与b片的铆钉孔相组合，如图2.17。所示为下一步保持器的铆接做准备。图2.17 组合后的a、b片 由于钢珠的位置确定了a片保持器的位置，a片保持器安装后又限制了钢珠的运动，b片保持器安装后又被钢珠的位置所限制，所以保持器a、b片的位置基本固定。组合部分要做的就是要施加一定的压力使两片保持器组合到一起。 保持器a片上的铆钉，有一定的锥度。一方面在组合时更容易使铆钉对准b片保持器的铆钉孔；另一方面，在铆钉对准铆钉孔后对两片保持器施加压力能使两片保持器组合到一起，不至于很容易的脱落。组合装置整体结构如图2.18所示，组合头按照保持器的形状进行的设计。组合头上安装一个气动振动器，通过振动，能使保持器a、b片更好的进行组合安装，另外设计一个缓冲弹簧能有效的防止由于气压缸的力太大对保持器或者钢珠轨道的伤害，还能给振动提供空间。气动振动器缓冲弹簧组合头图2.18 组合装置以及组合振动头2.5 铆接装置的设计2.5.1 铆合工作原理 铆合工艺要点铆钉通常是将两片保持器联接在一起，铆合可分冷铆和热铆。冷铆时铆钉不加热。热铆时铆钉加热至红热塑性状态，多用于大型零件的铆接。一般杆径在10mm以下进行冷铆合。其工艺要点如下：铆钉的选择。应根据被铆工件的工作选择铆钉。例如，离合器摩擦片的铆合属冷铆，摩擦片不许铆钉头外露，因此，它一般都用紫铜或铝合金制的平头埋头空心铆钉。再如东方红型拖拉机车架的铆合属热铆，应选择抗剪和抗拉性能较高，且抗挤能力强的铆钉，最好是或 号冷拔钢，不能采用中碳钢。铆钉直径按热铆要求应比孔小。为使铆接后铆钉杆部金属既能充分填满铆钉孔，形成的铆钉头丰满又无过多飞边，铆钉的长度一般只要铆钉杆高出铆接件长度也称铆接余量即可。如图2.19所示，铆钉杆的长度 等于零件总厚度加铆钉头余量 。对超过者，取热铆进应加大，埋头铆头的余量取 。铆合件的准备工作。铆合件的准备主要指铆钉孔的制备。铆合件贴合面必须平整，并按所需要的重合位置一起钻孔，以保证铆钉孔的重合。在铆合已有铆钉孔的旧零件时，应检查原铆钉孔的磨损变形情况，孔有椭圆时，应进行铰修，并换用直径加大的铆钉。图2.19 铆钉尺寸的确定铆钉长度l等于零件总长度s加铆钉头余量z。铆钉头余量z可以按一下经验公式确定：;对超过者，取热铆应加大，埋头铆头的余量取本设计采用的是冷冲压铆接，取，所以正确铆接。铆接必须保证铆接件每个铆钉孔很好地重合。例如车架铆接时， 必须用“ 定心冲销”对铆接件的铆钉孔进行定心冲孔，使铆钉孔重合，并提高孔的光洁度和强度。托架与大梁连接时，先用定心冲销装入对角两铆钉孔和定位销中，然后用定心冲销冲挤其余四个铆钉孔，使两铆接件孔同心。再用两个导向螺栓装在另两个对角铆钉孔上，紧固两铆接件。最后将铆钉孔上的定心冲销打出，即可进行铆接。铆接时应注意铆钉的可靠。铆钉加热时铆钉杆应加热至白热，而铆钉头加热至红热时即可，然后用手锤先将铆钉杆镦粗，再用镦头器镦出铆钉头。图2.20 保持器铆接下模深沟球轴承浪形保持架装配铆合模具结构如图2.20所示，其中，最关键的部分是上下两个凹模，凹模的主要相关尺寸要同保持架结构尺寸一致，其外形尺寸又必须同套圈的有关尺寸不发生矛盾 铆合时先将轴承放在铆合模具的下模承上，然后置于压力机工作台中央的铆合上模下降，施加压力，压力机冲头下行压合模具，完成铆合工作。铆压成形采用的是铆接工艺，铆头(下模)在轴承组件上铆压时，铆钉受到来自上部的压力产生塑性变形，直至内外环牢固地连在一起。在成形过程中，轮毂变形分为三个阶段:第一阶段，铆头下降，与轮毂轴接触，变形开始。第二阶段，变形进一步扩展，轮毂轴沿径向扩展，与内圈倒角接触。最后是第三阶段，铆接过程完成。在第一阶段，几乎所有的铆头压力都用于轮毂轴的最初成形，内圈载荷很小且恒定。进入第二阶段，铆头压力传递到内圈，内圈载荷迅速增大。在第三阶段，由于铆头压力使内圈载荷逐渐增大直至饱和，铆压结束后，甚至铆头已抬起，内圈载荷仍未消除，仍保留某些载荷。可以认为残余载荷形成了卡紧力。2.5.2 铆接力的计算 根据机械设计手册联结与紧固篇 gb/t 867-1986 查得 半圆头铆钉的尺寸机构如图2.21所示：图2.21 铆钉尺寸保持器的材料选用sus304，即0cr18ni9 其机械性能如下304的力学性能各个钢厂的板料具体会有所不同但是按照标准gb/t20878和日本jis标准，他们的值在下面的范围之内 ：屈服强度大于205mpa ； 抗拉强度大于520mpa ；延伸率大于40% ；硬度值hv小于200； hrb小于90 ；hbw小于187 ；热膨胀系数17.3 ；热传导度16.32 ；弹性模量193 。2.5.3 铆接成形力的计算铆钉直径 ,钉孔直径为,采用精装配 ,冷铆。铆钉材料的屈服极限 = 205mpa。根据铆钉直径 ,可算出 , 。保持器的每一片的厚度为 1.25 mm。铆接时 ,近似地把铆钉成型过程看成是圆盘类零件的模锻过程。 图2.22 铆钉受铆接压力最大时状态及 铆钉中一点的应力、应变状态1.成型铆窝头 2铆钉 3.保持器 4.铆机预置头所以，锻造力为： 式中: 为屈服应力 ，mpa ; b 为锻造时飞边宽度(这里可看成是铆钉冒的宽度) ，；h 为飞边高度 ，； 为飞边投影面积 ，; 为锻件本体投影面积(钉孔面积) ，; d 为锻件直径(铆钉直径) ，。作用于板上的圆环面上的力为作用于铆钉上的力为显然 2.5.4 液压缸的选择由以上计算得单个铆钉的铆接力为1124n。本设计针对的是6203的滚珠轴承，共有7颗钢珠，自然会有7颗铆钉。所以总的铆接力为表2.1 按负载选择工作压力负载/ kn50工作压力/mpa0.811.522.5334455表2.2 按工作压力选取d/d工作压力/mpa5.05.07.07.0d/d0.50.550.620.700.7表2.3 选取液压缸的尺寸 由以上三个表可得，液压缸的公称压力取2.5mpa，液压缸的内外径比取0.50.55，内径取100mm，液压杆外径取50mm，液压缸行程取200mm。2.5.5 铆钉铆接成形过程中对板的分布压力的计算作用于板上圆环面上的分布力为：设铆钉轴线为 z 轴,应力为 ,过 z 轴设 x、 y轴,应力分别为 和。由式当 时,可得 (压应力)设(图形为圆形) ,由塑性屈服条件 ,则有式中: 和为径向应力;为轴向应力。于是,铆接压力最大时,钉孔圆柱面上的分布压力为：2.5.6 铆接压力最大时铆钉的应力、应变分析图2.23中，铆机预置头不动,由于在成形铆窝头压下过程中，刚开始成形铆窝头与铆钉是圆周线接触，继续压缩则变为圆环面接触。当圆环面扩大到一定程度后，钉杆开始整体镦粗，胀大孔。在铆钉帽完全成形之前，板孔基本上已被胀大。所以，在计算板孔的被胀大量时，可以不考虑铆钉帽沿对板上圆环面的压力，而将板孔的被胀大看作为孔边受均匀压力 的无限域开圆孔。因此,可用下面公式计算钉孔壁上一点的径向位移。图2.23 继续压缩变为圆环面接触式中, p为作用在铆钉孔圆柱面上的径向分布压力, r为铆钉孔的半径, e 为板材料的弹性模量, v 为板材料的横向变形系数。取 , , e =193gpa , v = 0.3 , 可计算出铆钉孔壁上一点的径向位移 = 0.00062mm, 即铆钉孔半径的增量。于是, 钉孔在最大压力时的直径增量为d = 2 = 0.00122mm。设铆钉除开铆头帽的体积，即钉杆的体积刚好等于孔的体积(可以经过试铆确定) ，再由铆钉的体积不变得关系式(= 2.5mm为两块板的厚度之和) ，即可求出钉孔附近板的压缩量= 0.003903mm。这时，铆钉直径为 = 1.2 + 0.00122 = 1.20122mm，铆钉杆长为= 1 0.00393 = 0.99607mm 。由于从材料上和结构上看, 板的刚度都大于铆钉, 所以板只考虑发生弹性变形。图2.24 铆钉受铆接压力最大时状态及钉杆中一点的应力应变状态2.5.7 铆钉机松开后铆钉的应力应变分析当铆接外力 p去掉后，板孔挤压铆钉，使之先发生塑性回复，铆钉变长、 变细，等达到满足条件 时，铆钉再发生弹性变形。图 2.25 铆钉铆好后受力状态及钉杆中一点的应力应变状态图2.25为铆钉机松开后 ,由于板对铆钉的轴向拉力和径向压力而发生弹塑性变形后的终了状态。铆钉机松开后 ,板恢复原厚度,孔缩小到原大小;铆钉由于板恢复原厚度而被拉伸 ,直径也被压缩到孔的原直径大小。这样 ,铆接好后 ,铆钉和板之间存在轴向和径向的分布力 ,对整个结构来说 ,它们属于内力 ,故称之为“装配应力”。由于板孔恢复原尺寸而使铆钉发生的应变为纵向横向设由于板孔恢复原尺寸而使铆钉发生的塑性应变为:纵向应变 ,则横向应变于是,由于板孔恢复尺寸而使铆钉发生的弹性应变为根据图 3 所示应力、应变状态,由胡克定理(铆钉的横向变形系数取0.28) ,可得:由于板孔的压缩,铆钉由塑性回复过渡到发生弹性变形,有:由式联立可以解得: 143mpa ,= 72mpa。于是,铆钉帽对板上圆环面的分布压力为铆钉加在钉孔圆柱面上的径向分布压力为 铆钉冒对板上圆环面的分布压力为:装配应力求得的铆钉对板的装配应力分布如图 4 所示。由于板孔不可能完全恢复原尺寸大小 ,故求得的装配应力(分布压力)应略小于计算值。所以，以上可以看出（1）铆钉铆接时,所需的铆接压力主要取决于铆钉的直径大小和铆钉材料的屈服极限 ,可以根据铆钉的直径和材料选择铆钉机的型号。（2）铆接铆钉分布压力集度的大小与铆钉直径大小关系不大,主要与铆钉的材料有关。但铆钉对铆接板紧固力的大小不但取决于铆钉的材料,而且主要取决于铆钉的直径大小。铆接板如果需要较大的紧固力,可以选择直径较大的铆钉或选用强度相对较高材料的铆钉。 2.5.8 铆接的重要性与结构工艺性分析轴承通常由四部分主要部件构成, 即内套、 外套、 滚动体、 保持架。保持架的作用是在轴承运转时保持滚动体在正确位置, 轴承保持架一旦损坏通常会引起轴承发生整体失效。有时会因保持架的破断将滚动体挤伤, 甚至会将轴承抱死引发事故。 可见保持架在轴承中的作用是不可忽视的。 而作为连结保持架的铆钉, 则是保持架可靠运转的保障, 如果发生断裂将会引起保持架的损坏。为了提高轴承的使用寿命, 轴承保持架表面氮化处理。 满足用户要求, 终加工后的轴承在保持架表面进行氮化处理, 化合物层深度为 510 m,表面显微硬度 hv500- 570。 “ 结构工艺性 ” 概念包含着产品及其部件结构的特征，这些特征影响着自动装配工艺过程。这些特征主要有以下几个方面：结构的复杂性及其构造 ,零件的数量、结构、在装配单元中的配置、联接特点及其精度。产品的某些改变可使其工艺性得到改善，便于有效地进行自动化装配。“ 自动装配结构工艺性 ” 概念包含对产品或所有部件提出的要求以及对零件结构特征提出的要求。零件的特征决定了其自动定向、供料及安装到基准零件上的适应性。自动装配条件下结构工艺性是总的结构工艺性问题的一部分。在提出自动化装配过程问题之前工艺性的研究通常是单方面的，如零件结构工艺性只是适应于其制造的不同方法 ,而与此有关的工艺性成果往往归结于简化零件结构。这种简化可以降低零件制造成本 ,但实际上并不反映手工装配的劳动量。装配过程自动化对装配产品的零件结构提出一定的要求 ,这些要求可以表示为有必要采用附加 (装配 )工艺基准，或者可能使个别零件结构复杂但在装配联接时却大为简单，现代先进的制造零件方法可以得到复杂的结构而无特殊困难;其结果是相应的自动化装配过程工序的总数可以减少，而在自动装配过程中所使用的设备也可减少功能结构的数量。因此，在进行深沟球轴承轴承自动装配机设计之前，对深沟球轴承在自动装配条件下的结构工艺性进行分析具有十分重要的意义。这不仅可以确定自动化装配过程的有效程度，也可以确定自动化的合理性及可能性。进行结构工艺性分析 ,必须先明确产品及零件的工艺性标志。表示结构工艺性特征的标志可以分为两个基本组。第一组是表示产品或装配单元的零件结构工艺性特征 ,包括零件的数量、结构 ,在装配单元中的配置、联接特点及精度;第二组是表示产品或装配单元整体的特征，这样，深沟球轴承在自动装配条件下的结构工艺性分析就转化为分析其特征标志能否满足自动装配过程的特殊要求。概括地讲，有如下几个方面。1)结构含有零件的数量应尽可能少。开式深沟球轴承由四个部分组成:外圈、 内圈、 钢球和保持架。加上联接两个保持架的铆钉共五种零件。对于单个轴承 ,外圈、 内圈都是一个 ,钢球从几个到十几个因轴承型号不同而异 ,保持架分上、 下保持架共两个 ,铆钉和钢球数量相同。加起来 ,每个轴承的零件总数都在十几个到几十个之间。为使零件数量尽可能的少 ,可以将轴承自动装配过程分解为两个装配过程:对中合套和保持架的装配。在对中、合套过程中，将钢球 (不管其数量是多少 )视为一个装配单元进行处理，这样 ,该过程就可以看作由三个零件组成;在保持架的装配过程中 ,合套后的轴承是一个装配单元,铆钉和上保持架也可视为一个装配单元 (这种装配单元在许多厂家已在大量制造 ) ,称为带爪浪形保持器 ,加上下保持架(也称为无爪浪形保持器 ) ,保持架的装配过程也可看作由三个零件组成。这样，整个装配过程实现了零件数量尽可能少的要求。2)从外形角度考察 ,要求零件的形状尽可能简单 ,达到标准化、规格化、 通用化及典型化;具有基准表面 ,使装配、改变位置、运输过程中能可靠地定向；使联接形式最为理想，这种联接是实现最简单工作运动的联接 (例如压配、 局部塑性变形、 接触焊等 )。对于这三条要求 ,深沟球轴承的外圈、内圈和钢球的工艺性标志都可以满足。它们形状规则 ,有基准表面 ,都实现了大批量、系列化生产，而且相互之间的联接通过简单的压配即可实现。但保持架的自动装配过程较难满足上述要求 ,即保持架的外形不规则 ,难于定向、 供料 ,需要设计一套专用供料装置 ,才能保证自动装配的可行性;带爪浪形保持器的形状保持能力不十分可靠 ,自动装配过程要防止铆钉的脱落 ,并在装配前后进行自动检测 ,作相应处理;合套后的轴承装配单元相对定向能力较差 ,钢球随机地布置在内、 外圈之间的沟道中 ,需要分球装置保证它们之间的相对位置均匀稳定。因此 ,这三个问题能否得到合理可靠的解决将会直接影响到自动装配的成败。3)从精度角度考察 ,要求零件的尺寸公差及表面几何特征应保证按完全互换的方法进行装配。用精度来衡量深沟球轴承的自动化装配有两个问题:游隙的控制 ,深沟球轴承的装配精度在合套之前的加工工序中就已确定 ,但游隙的大小取决于选配合套过程，因此，合套时内、外圈及钢球的检测分选就十分重要;保持架联接时铆钉的准确定位 ,如不能准确定位 ,将导致废品的出现 ,严重的将引起自动装配线停机。因此 ,在压配前后必须进行检测和相应的处理。定量评价通过上述分析可知 ,在轴承自动装配线的设计过程中 ,须着重解决如下几个问题: 1)钢球的上料；2)内、外圈的检测； 3)保持架的上料； 4 )合套后的轴承中钢球的定位； 5 )保持架的联接。这些问题能否得到有效的解决，是与组成轴承的各个零件的结构工艺性直接相关 ,因此 ,有必要作进一步的定量分析，确定按什么样的标志评价深沟球轴承现有的结构工艺性 ,并给出相应的解决办法。为此目的，首先按单个标志评价工艺性 ,用 aij表示。指数 i表示标志的顺序号,而 j表示零件或装配单元的顺序号。按单独标志评价由 0到 1每隔 0.1来确定 ,也就是 0; 0.1; 0.2; 0.3; ; 0.9; 1.0。在零件完全适合标志的场合 ,评价为 1.0,而按该标志完全不适宜自动化装配的场合 ,评价为 0。工艺性标志值与自动化装配方法直接相关。本文所针对的自动化装配方法见图2.26。图2.26 深沟球轴承自动化装配机功能结构因为按单个标值评价的范围相当窄 ( 01) ,引进每个标志值的系数 。实质上,这些系数表示了对综合评价每个标志的重要性。综合评价有多种方法,本文采用平均调和的方法。这时组成产品的第 j个零件或装配单元的工艺性指标要考虑所有标志值系数及工艺性评价,即:此外,对零件来说标志值总系数 为:表2.4 深沟球轴承的工艺性评价式中, m为计算工艺性标志的总数,按这些工艺性标志进行评价。作为参考值可以得到产品 (装配单元 )所有零件的工艺总指标 为:式中, n为产品 (装配单元 )中零件数量。为得到产品或装配单元结构工艺性综合评价,须确定标志值总系数 q,即单个零件标志值系数的和再加上产品 (装配单元 )工艺性标志值系数,即:式中, 为产品 (装配单元 )标志值系数: k为产品 (装配单元 )标志的数量。产品 (装配单元 )工艺性指标 t为:依据上述各式,对图2.26装配过程进行计算,计算结果见表2.4。看到,图2.26两个装配单元的工艺性指标 t均大于标准值 0.85,因此,可以认为自动装配能实现,并且不需要在实验工作上的附加花费。综上所述,深沟球轴承能否实现自动装配取决于两个因素:其自身结构工艺性和自动装配技术的发展。把这两个因素综合起来进行衡量,对中、 合套可以很容易地实现自动装配;保持架的装配也能实现自动装配,但要解决好分球和保持架的上料这两个技术难点。2.6 翻转机构的设计 翻转机构是指在轴承铆接结束时，由于铆接头在轴承的下面，进行铆接检查，就要将铆接好的轴承翻转。翻转机构比较简单，采用伺服电机和感应灯控制，实现的运动就是在有轴承到达翻转站时，感应灯感应到后电机通电转动；翻转180度后，电机自动停止，下一个轴承到达时，电机反转180度后，电机停止。并循环此运动。翻转机构实现的要点是在轴承到达翻转站后，由一个安装在翻转头上的轴承夹限制了轴承沿轨道的运动，由轴承夹和安装在轨道上的一个塑料顶头限制了轴承垂直于轨道方向的运动。所以轴承只能在翻转机构轴心方向转动。2.7铆接检查结构的设计铆接检查主要是指检查由于铆接过程中遇到的落铆现象。铆接检查侧头在每个铆钉的位置都有触头，每个触头都连接着感应片，正常情况下每个铆接造头都可以接触到检测触头。假如有落铆现象，在此位置就不会触到触头，系统会自动报警。从而检测出不合格品。此外，铆接检查上面还有千分表，能检测到铆接造头的高度，铆接造头太高或太低都不符合要求。千分表可以设定一定的范围，超出系统规定的范围，系统同样会报警。对于铆接不合格品，要将装配的所有零件拆除，内外环重新超光研磨以后再重新进入装配流程。铆接检查是装配重要的一环，如果保持器有落铆现象，很容易就造成了不合格品的流出，造成难以估计的事故。铆接检查机构和组合结构相似，只是铆接检查机构多了检查触头。其总体结构和触头如图2.27所示：图2.27 铆接检查机构及其检查侧头2.8 轴承传送装置的设计 2.8.1传送装置的整体设计 轴承传送装置是实现轴承装配的各个步骤之间的传送，要求定位准确。各个装配步骤的运动都要按照传送过程来安排。所以传送过程显得更加重要。根据实际情况，本设计采用了机械传动的方式。整个传送装置如图2.28所示：图2.28 轴承传送装置整体图传送装置的原理如图所示，电动机经过减速器减速，然后由一对啮合的齿轮将运动传送到传动轴上，传动轴上的凸轮带动拨杆实现轴承搬运装置在轨道上的横向和纵向运动。从而实现传送要求。2.8.2 传动凸轮的设计图2.29 轴承搬运装置图2.30 搬运抓手及其运动示意图传动凸轮是根据抓手运动的规律来设计的，要保证搬运抓手能完整准确的完成对轴承的传送工作。根据工作需要设定传送循环一次的时间为4s。对于横向运动凸轮，从运动起点开始，前0.3s对拨杆不施加力，此时的运动为托板气压缸收缩，各个抓手头抓住轴承准备传送。凸轮转过的角度为。接着1.2s内为轴承传送运动，所以凸轮转过的角度为。接下来的0.3s为气压缸的伸长运动，使抓头升起，离开轴承，凸轮转过的角度为。抓手后退时间为0.6s，此时凸轮对拨杆不施加力，转过的角度为。抓手横向返回时间为1.0s，此时凸轮施加力，转过的角度为。最后0.6s为抓手纵向返回起点，凸轮无作用力，转过角度为。所以，横向凸轮设计如图所示，横向传送角度为，横向返回角度为。对于纵向运动凸轮，必须和横向运动凸轮相协调配合。当横向运动进行时，纵向运动停止，纵向运动进行时，横向运动停止。另外在气压缸收缩抓手抓住轴承和气压缸伸长松开轴承时，横向运动和纵向运动都停止。所以，纵向凸轮从起点开始静止的角度为 。然后向外运动的凸轮角度为，横向返回时静止的时间为，接着为向内运动。这样完成纵向运动的控制。 横向运动凸轮 纵向运动凸轮2.31 传动凸轮轴轴承每两个工作站的距离为150mm，纵向运动的距离为120mm，拨杆运动示意图如图所示，拨杆工作长度为500mm，轴心距离拨杆底端200mm。横向凸轮的有效运动距离为纵向驱动凸轮的有效运动距离为横向运动示意图 纵向运动示意图2.32 拨杆运动示意图传动轴如图所示，传动轴每转一周实现一次轴承传送。根据实际个步骤的装配情况，每次传送循环间隔为4s，即传动轴的速度为可以看出，实际要求的转速比较慢，所以选用转速比较小的电动机。根据机械手册选用型号为 的电动机，参数如下：表2.5