轿车轮毂轴承单元铆合装配专用设备的液压系统设计

轿车轮毂轴承单元铆合装配专用设备的 液压系统设计 摘要： 汽车轮毂轴承单元的铆合装配具有显著的优点，但目前国内仍然没有用于汽车轮毂轴承单元的铆合装配的专用设备，本设计填补了这一空白。本文从汽车轮毂轴承单元的发展开始，逐步介绍了轮毂轴承单元的产品特点，摆辗技术的国内外概况，摆辗加工基本原理和特点；介绍了对总体方案的分析与设计以及机床床身基础件的装配图设计、液压元件在这一设备中所起到的重要作用，将着重介绍油路的设计分析，液压元器件的设计计算。 关键词： 汽车、轮毂轴承单元、旋压、液压系统、设计 2 of to of no of to of of a at of on of on of in is of 3 目录 一 绪 论 （ 5） （ 5） （ 5） （ 7） (8) （ 10） 承铆合技术和设备在国内外发展概况 (10） 车轮毂轴承的形状和工艺分析 (11） 车轮毂轴承的形状 (11） 艺分析 (11） 车轮毂轴承单元的 3 (11） 承单元轴铆合装配的认识 (12） (12） 毂轴承单元轴铆合装配旋压过程的分析 （ 13） 二 摆动辗压基本原理及工艺特点 (14) 动辗压的工作原理 （ 14） 动辗压的特点 （ 16） 辗的力能参数 计算 （ 16） （ 16） 辗的接触面投影面积 （ 17） 三 轮毂轴承铆合装配专用设备总体方案 （ 20） 合机的主要技术指标 （ 20） 体方案的论证设计 （ 20） 动功能分析 （ 21） 床总体结构布局设计 （ 22） 床整机装配示意图 （ 23） 四 液压系统设计计算 （ 24） 计要求 （ 24） 4 况分析确定主要参数 （ 24） 荷的组成和计算 （ 24） 选系 统工作压力 （ 25） 算液压油缸的主要结构尺寸 （ 25） 油缸主要结构尺寸设计 （ 25） 料油缸主要结构尺寸设计 （ 29） 算各液压缸所需要的流量 （ 29） 油缸流量计算 （ 29） 料油缸流量计算 （ 30） 本方案确定，液压系统图 （ 30） 压元件的选择与专用元件设计 （ 31） 压泵的选择 （ 31） 管尺寸的确定 （ 32） （ 33） 五 液压系统的性能验算 （ 33） 统压力损失计算 （ 33） 统发热温升计算 （ 34） 热功率计算 （ 34） 热功率计算 （ 35） 六 液压油站设计 （ 35） 床液压站的结构型式 （ 35） 压油箱的结构设计 （ 36） 成油路的选择 （ 39） 压站的结构设计 （ 40） 压泵的安装方式 （ 40） 组联接 （ 40） 七 总结 （ 41） 八 致谢 （ 42） 九 参考文献 （ 42） 5 一 绪 论 题的来源及意义 车轮毂轴承的发展概况 及性能比较 汽车轮毂轴承 单元是汽车的重要安全零件，其 作用主要是承受汽车的重量并为轮毂的传动提供精确的向导。轮毂轴承既承受径向载荷又承受轴向载荷 ，因此 对汽车轮毂轴承的性能要求是结构紧凑、重量轻和可靠性高。 汽车轮毂轴承的结构紧凑可以减少零件的加工时间，但是零件的加工会变得复杂，同时轮毂轴承的结构紧凑可以提高轴承的装配时间和提高装配精度。重量变轻了，可以减 小零件的加工质量和汽车的重量使得燃油量减少，经济 效益提高，环保方面也符合现代的社会要求。可靠性的提高还会使得轮毂轴承的安全性提高，零件传递力矩的效率也会提高。在社会的不断发展和对轮毂轴承的要求中，轮毂轴承有了很大程度的变化和发展。 自从 1938 年 司开发出轮毂轴承单元以来，国外生产的轮毂轴承单元已经开发到第六代的新型轮毂轴承单元，其中第一、二、三代的轮毂轴承已经大量应用到市场当中，其余的新型轮毂轴承应用范围还比较小。 a 第一代轮毂轴承 b 第二代轮毂轴承 c 第三代轮毂轴承 图 1轮毂轴承单元示意图 第一代 轮毂轴承组件 （如图 是由 1938 开始生产，这是用于轿车车轮的双列角接触球轴承 。 第一代轮毂轴承单元以双列角接触球轴承为基础。其设计针对轿车车轮的特殊运行特征进行优化，尤其是对拐弯过程中施加在轴承上的力矩载荷提供支持。轴承的主要部件，即一个外圈和两个内圈中配备轴承球组，并设定正确的间隙。轴承的接触角根据车轮载荷状态的特征进行优化。第一代轮毂轴承单元采用终身润滑和密封。选用的滑脂可保证最长的工作寿命和最小的假硬化风险。 6 第二代轮毂轴承单元 （如图 是 在第一代 装置的设计和经验基础 上 改进而成。其外圈含有一个 整 体式凸缘，以取代分离轮毂的功能。带凸缘的外圈设计成轻质结构部件。外圈的滚道经过感应淬硬处理，以提高轴承性能。轴承的凸缘质地坚硬，上有螺纹孔或短柱及一个插孔，以用于安装制动器和车轮并对中。其他设计细节与第一代轮毂轴承单元相似。第二代轮毂轴承单元通常带旋转的外圈，用于非主动前轮或后轮。可在装置中配置一个 可提供适用于主动车轮的替代轴承。在这种应用配置中，外圈用螺钉固定到悬挂系统架上，而内圈旋转。 第三代轮毂轴承组件 （如图 由 1979 年 开始生产，这是专为轿车生产的轻型车轮轴承组件，在两个环上均配有法兰 。 第三代轮毂轴承单元系以双列角接触球轴承为基础设计，是一种全面合成的车轮轴承系统。其内圈和外圈都有法兰或凸缘。轴承的动态载荷承载能力得到充分加强，这是因为轴承中有一道容纳内向球组的独立内圈。这道内圈通过干涉配合法来安装，整个装置必须轴向夹紧。外圈的凸缘用螺钉固定到悬挂系统架上。旋转的内圈配有坚硬的凸缘、插孔及其他螺纹孔或螺柱，用于安装到制动器和车轮上。在主动车轮应用中，扭矩通过一个渐开线花键传递到内圈。凸缘、插孔和花键的尺寸则按用户要求制造 。型轮毂轴承单元采用终身润滑和密封，对主动和非主动车轮均适用。 1993， 装有传感器的第三代轮毂轴承组件首次用于防抱死刹车系统。 第四代轮毂轴承单元 图 ：第四代是把等速万向节与轴承做成整体化，这种形式废除轮毂花键轴，更加小型化，安装更加合理。未来的汽车轮毂轴承，总的发展趋势是微型化、多功能化、集成化和智能化。 a b c 1正在设计开发的新一代轿车轮毂轴承示意图 随着现代社会的需求，除了第一到第四代轮毂轴承单 元以外还出现了第五代（ 制动转子一体化 ， 1997）；第六代（ 制动盘安装组合 ） 。轮毂轴承单元的发展是汽车的快速发展的重要组成部分。 前 代汽车轮毂轴承单元的装配形式 轮毂轴承单元是一个 由多个零件 合成的组件，经过预先调节并一次性终身润滑。润滑后要进行装配以使轮毂轴承获得最佳的预紧量和防止轮毂轴承的松脱。 目前，国内外大多数的汽车企业大多都应用第三代的轮毂轴承单元，轮毂轴承单元的装配一直是一个值得深入着重深入研究的一个问 题。一个轮毂单元的装配好坏，装配形式直接影响到该单元的使用寿命，更直接关系到汽车的安全性，可靠性。 当代国内外轮毂轴承的装配形式只有有两种：一种是锁紧螺母连接，另一种是轴断铆合紧固连接。（如图 1） 图 1端铆合装配可采用旋压成形（又称为摆辗）工艺（如图 1示）进行，其特点是：传统的模压使整个工件压缩，产生塑性变形，当运用于轴承上时，在加工过程中变形往往超出中心区域，在这种巨大压力作用下，球与滚道受到挤压，在加工过程中轴承很可能 损坏；而旋压成形只在局部产生变形，所需的压力很小，通过控制加载的压力，就可实现轴承的装配。 8 图 1轴铆合旋压成形工艺示意图 轴铆合装配通过轴端的旋压成形，使带凸缘的内圈产生塑性变形，从而与小内圈压紧。这种方式的优点在于：因去掉螺母，从而有助于减小轮毂单元的重量和尺寸，降低成本，使紧固部分更加紧凑，提高燃油经济性，而且旋压过程中对轴向载荷（卡紧力）可实时精确控制，消除零件制造误差的影响，从而使预紧量的波动大大减少，保证每个轮毂单元都在装配后获得最佳预紧量，提高轴承 使用寿命，并使韦布尔分布曲线的斜率变大，产品可靠性得到显著提高；由于铆合联接是不可逆装配，不会因使用过程中的振动等因素发生变化，从而消除螺纹防松结构中可能的卸载隐患，大大提高可靠性，也就提高了产品的安全性。这种装配技术克服了现有的螺母卡紧式的缺点，具有诸多优势： 省材 用于非驱动轮的轴铆合式轮毂轴承单元可比传统的螺母卡紧式单元减轻重量 400 节能 轴铆合式装配节省单元的零件数量，简化工艺，能减少制造环节的能量消耗；使用轻量化的轴铆合式轮毂单元可减轻轿车车轮质量，降低燃油消耗率，节省燃油； 安全 不可逆的铆合装配，能避免螺纹防松结构所存在的安全隐患，提高汽车使用的安全性； 高效 制造一个螺母需用时 1分钟，车削凸缘轴上的螺纹需用时 30秒以上，再完成单元装配及轴向卡紧力的调整需用时 2分钟以上；而轴铆合式装配省去了螺母制造的螺纹车削，整个装配过程用时在 57秒以内，单是装配效率就可提高 20倍以上！ 环保 降低整车燃油消耗的同时，减少了汽车的排放，有利于环保； 近净成型 无切削加工方法，可实现净形加工。 由于轴铆合装配方式的先进性，其代表了轿车轮毂单元装配技术的发展方向，在 9 新一代轿车轮毂单元中必须采 用轴端铆合装配，因为包含外圈、滚动体、凸缘轴和小内圈的轴承组件是新一代轿车轮毂单元的基础，这些组件在装配成一个单元的过程中，采用铆合装配是保证其高性能的关键，因而掌握旋压铆合装配技术，具有十分重要的意义。 传统设计的轮毂单元在装配时两个内圈是用锁紧螺母牢固地连接在一起的，如图1a）所示。这种方式所存在的缺点是：需要在装配的时候通过控制螺母的预紧量来控制轮毂单元的轴向卡紧力，由于单元中的零件存在制造误差而使卡紧力的控制不精确，预压量的波动较大，从而导致轴承的负 游隙量偏离最优值而使轴承寿命下降，寿命离散度大大增加，使得其韦布尔分布中的斜率较大， 90%可靠性下降；在使用过程中，由于螺纹卡紧采用的螺纹防松结构可能因振动等因素而松动，从而导致预载荷卸载，严重时甚至失效，存在重大安全隐患。而新的结构是通过轴端的旋压成形，使带凸缘的内圈产生塑性变形，从而与小内圈压紧。这种方式使 车轮支架和车轮法兰不再是安装驱动轴之后才相互连接而是经卷边铆接成为具有正常功能的轮毂轴承单元，大大减轻了下一步的装配工作。采用轴铆合装配方式， 对非驱动轮而言（如图1b）所示），可直接去掉螺母； 对驱动轮而言（如图 1c）所示）， 因为不再需要较大的拧紧力矩，可以使用轻型螺母将驱动轴固定在车轮法兰中，驱动轴带齿的轴颈也可大大缩短， 从而有助于减小轮毂单元的重量和尺寸， 降低成本，使紧固部分更加紧凑，提高燃油经济性。而且旋压过程中对轴向载荷（卡紧力）可实时精确控制，消除 零件制造误差的影响， 从而使预紧量的波动大大减少，保证每一个轮毂单元都在装配后获得最佳预紧量，这意味着可以大大提高轴承使用寿命，并使韦布尔分布曲线的斜率变小， 90%可靠性得到显著提高；且由于铆合联接是不可逆装配，不会因使用过程中的振动等因素 发生变化，从而 消除螺纹防松结构中可能的卸载隐患，大大 提高可靠性，也就提高了产品的安全性。 10 （ a） （ b） （ c） 图 1一方面， 因为轮毂单元的最薄弱的环节不是锁紧位置，而是凸缘根部，而通过内圈在汽车行驶过程中所承受的轴向载荷不是很高， 通过对当前的轮毂单元的结构分析，我们认为其轴承组件部分还可进一步精减，只要将带凸缘的轴在端部直接旋压成滚道形状，就可省略小内圈，达到轴承组件零件数目的绝对最小化，进一步精减轮毂单元的结构 ，提高可靠性，降低生产成本。 课题的研究意义 与主要任务 轮毂轴承单元的铆合技术显然在当代和将来的汽车发展中都起到十分重大的作用，但是当代的中国的大部分工厂都没有相应的专用铆合设备或者是工厂因受到技术的封锁而不能 引进 国外的设备 和技术。国内的轮毂轴承的市场大部分都由国外的厂家占用。 本课题是为填补这一空白的轮毂轴承铆合专用设备的液压系统进行设计。轮毂轴承单元专用铆合设备的铆合过程的压力都由液压系统的主油缸提供，其工作远远压力高于其他的工作要求。工进是的速度要实现对不同的轮毂轴承单元可调整。快退时要有较快的速度进行 ，以省加工时间，使工作效率的到提高。送料缸除了要快速上、下料外，还要求工作时的速度要平稳。为满足以上的要求，本课题要对主油缸，送料缸和液压系统的各组成元件的连接和型号进行选择和设计。 承铆合技术和专用设备在 国内外发展概况 国外对轮毂单元轴铆合技术的研究，最初报道是由 司于 2001 年前后成功开发了端部旋压成形的铆装第三代轮毂轴承，此后 是，出于各自的发展战略和利益的竞争，轮 11 毂轴承的轴铆装工艺技术对中国是保密的 ，而轴承则只以成品的形式以较高的价格提供给中国的中高档汽车市场，就连掌握了其核心技术的外国公司在我国兴建的轿车轮毂轴承合资企业，所提供的技术也是传统的“ 螺帽卡紧式”装配技术。所以， 到目前为止，国内的轿车轮毂轴承生产企业尚未能掌握轴铆合装配技术，更缺乏对轿车轮毂单元实施铆合装配的关键设备， 从而成为限制我国新型轿车轮毂轴承产品竞争力的技术瓶颈。 中国的摆辗研究开始于 70 年代初期。我国的摆辗理论研究和工艺应用研究方面已达到世界先进水平。但由于缺乏资金，缺少机械设备专业制造厂的参与，由使用单位将国外主要用于冷摆辗的 摆辗机结构简化或者照搬而制造出摆辗机用于热摆辗，结果不合理，制造水平低等原因使得轴承易坏、导轨易损。刚度低，其结果造成产品精度低，设备维修频繁而不能正常生产。因此， 80 年代中期以来，中国摆辗设备的研制开发处于停止状态，而只是进口瑞士和波兰的摆辗机。我们应当吸收国外的经验，由机械设备专业制造厂制造 能克服上述缺点，促进这种先进的塑性加工工艺在我国的推广应用。 车轮毂轴承的形状和工艺分析 车轮毂轴承的形状 如图 1汽车轮毂轴承单元轴铆合装配工艺主要是将图 铆合成图 B 所示的的形状。此零件是筒形件，材料为 50 号钢适合于摆辗成形，而且只对轴端进行铆合加工因此可一次摆辗成形。 对此零件的摆辗加工是轴向铆装，适于采用立式加工避免受自身重力的影响。 A B 图 1 12 艺分析 (1)材料 旋压的零件为法兰盘外圈，法兰盘外圈的材料为 50#毛坯锻造后进行正火处理，硬度不大于 在常温下旋压，一次旋 成。 (2)几何要素 几何要素是机床设计的主要依据，机床形式、规格、精度等都要由它来决定。如图 1(3)零件极限尺寸统计与机床几何尺寸 在同一机床上加工零件的范围太 大，会使机床过于复杂，从而给设计、制造、使用带来不必要的麻烦。因此，应将零件的形状分类，尺寸分级，把机床系列化来解决这一矛盾。机床的几何尺寸一般是由零件极限尺寸决定的，旋压力的大小主要由零件的最大厚度来决定；铆头到工作台的距离主要由旋压件的最大长度确定。 车轮毂轴承单元的 3对加工对像的 深入了解是设计设备的第一步。为了对加工对象有一个非常清晰的认识与研究。我们利用 术， 采用国际先进的 3D 设计软件 行汽车轮毂轴承单元的 3对产品的装配关系结构进行必要的分析。 13 图 1图 1驱动轮） 3轴承单元用 ： 1的绘画 ,一共有 11个零件。在画零件实体过程中，我们设计小组发现实体模型与实物某些细节部分不相符，经过到工厂进行实物观察，作了修改。模型装配先加载内法兰盘 1，再装内圈 2、密封圈 3，接着装 ,保持架 4与滚珠 5的组合体，紧接着装法兰外圈 6；下道“工序”再装保持架 7 与滚珠 8的组合体，再次装另一个内圈 9，最后装感应圈 10 与感应圈外罩 11。装配过程中的定位都采用设计的定位基准。装配时发现最难的部分是保证滚珠的压力角。每个零件都是按工程图所给的尺寸画出来的，装配才发现有的零件之间产生干涉现象。从以上在实体建模与虚拟装配过程中发现的问题中看出， 以发现产品设计的不足，有利于指导产品设计，可以降低开发成本，缩短开发周期。 承单元 轴铆合装配的认识 承单元轴铆合装配的 过程 在韶关东南轴承有限公司参观中，了解到 以普通车床改装的简易旋压试验装置 。通过实地考察了解到轴承单元轴铆合装配的铆接过程，由于铆接力的作用，（图 14 所示）内半兰盘（图中 生了径向的塑性铆合变形，实际变形效果如图中 于摆动旋压具有力量大的特点，铆接非常快，整个纯铆接时间仅为 8秒多，而且铆接过程未产生任何切屑。因此，摆动旋压是一种高效、清洁和安全的加工技术。 图 1制成形的轮毂轴承 轮毂轴承单元轴铆合装配旋压过程的分析 传统的轴铆装工艺采用所谓的“回转式锻压” 或“摇摆模锻”。在这种方法中，冲头与轮毂轴的 圆柱形端头之间的相对旋转运动使轴端形成规定的形状。如铆装过程的示意图（图 1冲头中心轴 头围绕着 冲头压人轮毂轴时，轮毂轴逐渐被旋压成图示虚线形状 。 图 1接过程示意图 与整体表面压锻方法比较 。铆装工艺的优点在于减小了加工载荷 (冲头 压力 15 P)，这是因为减小了冲头与 工件之间的接触面积。虽然由于冲头呈 倾角加工载荷减小，但铆装过程中对组件施加的轴向和径向载荷会对轴承性能造成潜在的不利影响 ， 如滚动体和滚道变形或产生压痕。因此必须精确控制冲头的压力才能消除这些不利影响，精确控制冲头压力是稳定轴承性能的关键因 素 。在旋压过程中轮毂轴的变形可分为三个阶段 ： （ 1）第一阶段，冲头下降，与轮毂轴接触，变形开始； （ 2）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； （ 3）最后是第三阶段，铆装过程完成。 在第一阶段中，几乎所有的冲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，冲头压力传递到内圈，内圈载荷迅速增大。在第三阶段，冲头压力使内圈载荷逐渐增大直至饱合。铆装结束后，甚至冲头已抬起，内圈载荷仍未消除，仍保留某些载荷。 传统的模锻使整个工件压缩，产生塑性变形。因此，加工大尺寸工件时，需要很大的压力，而且当运用于轴承上时，变形往往超出中心区域。在这种巨大压力作用下，球与滚道受到挤压，在加工过程轴承很可能损坏，而铆接工艺只在局部产生变形并且只用很小的压力。通过控制加载的压力，这种加工用于轴承的装配十分适合。通过重载下的运转耐久性试验检验了铆压成形缘的 疲劳强度和内圈抗蠕变能力，进行静强度试验以考察铆压成形缘的静强度以及轴承的力矩载荷刚变试验，因为轴承的刚性会影响车辆转弯时的操纵稳定性 ，结果表明，轴铆合装配式轮毂轴承性能合格。 由于此工艺要求，所以本旋压机床必须具有以下特点： 1）动力头能产生足够的径向力、轴向力，电动机要有足够的功率。进给采用液压传动并能进行无级调速。 2）机床的床身、动力头、工作台等部份要有足够的刚度，以减少在加工中主轴与工作台的变形、偏摆。 3）主轴需采用重型滚动轴承承受较大的工作压力。对轴承需进行良好的冷却与润滑。 4）为保证产品质 量、提高效率、减轻体力劳动，应采用半自动或自动工作循环。 二 摆动辗压基本原理及工艺特点 动辗压的工作原理 摆动辗压又称旋转锻造 (是 20 世纪 60 年代发展起来的金属压力加工新工艺，也是锻件生产行业中的特种锻造成形工艺，可用于中小型锻件精化生 16 产。 摆动辗压和我们日常生活中常见的擀饺子皮道理相似。所谓摆动辗压，是利用一个带圆锥形的上模对毛坯局部加压，并绕中心连续滚动的加工方法摆动辗压工作原理如图 2 1 上模； 2 毛坯； 3 滑块： 4 油缸 图 2动辗压工作原理示意图 图 2锥形的上模其中心线 M 相交成了角，此角称摆角。当主轴旋转时， M 旋转，于是上模便产生了摆动。与此同时，滑块 3在油缸 4作用下上升对毛坯施压，这样上模母线就在毛坯上连续不断的滚动，最后达到整体成形的目的。 摆头运动轨迹不仅对金属流动和填充影响很大 , 而且对电机功率及设计刚度等均有影响 , 特别是对于形状不同的锻件成型影响更大 。 因此 , 摆头要设计出不同的轨迹以适应不同形状的锻件需要 , 目前常用的四种摆头轨迹为 : 圆轨迹、多叶玫瑰线轨迹、螺旋 线轨迹和直线轨迹 , 如图 2示 . 本文设计的冷摆碾机属于通用型 , 摆头轨迹可以用以上四种轨迹。 实现摆头的四种轨迹 , 可以有多种方法 , 最常用的是内、外偏心套法 , 如图 2 采用偏心套的方法 , 就是将摆头的一端置于内偏心套内 , 通过内偏心套和外偏心套不同的相对转动 ,合成出四种不同的摆头轨迹 。 内、外偏心套不同的相对转动主要是用它们的速比来表现的 , 即： 17 图 2头的四种轨迹 1)圆轨迹：当内、外偏心套的速比 1 时，摆头轨迹为圆轨迹； 2)直线轨迹：当内、外偏心套的速比 1 时，摆头轨迹为直线轨迹； 3)螺旋线轨迹：当内、外偏心套的速比 时，摆头轨迹为螺旋线轨迹； 4)多叶玫瑰线轨迹：当内、外偏心套的速比 时，摆头轨迹为多叶玫瑰线轨迹。 动辗压的特点 （ 1）省力。因摆辗是以连续局部变形代替常规锻造工艺的一次整体变形，因此可以大大降低变形力。实践证明，加工相同锻件，其辗压力仅是常规锻 造方法变形力的1/5 1/20； （ 2）产品质量高，节省原材料，可实现少无切削加工。如果模具制造尺寸精度很高，且进行过抛光，则辗压件垂直尺寸精度可达 面粗糙度可达 m。 （ 3） 摆动辗压适合加工薄而形状复杂的饼盘类锻件。加工薄饼类锻件，摆辗所需的变形力比常规锻造力小很多，而且工件愈薄，用摆辗法成形愈省力。 （ 4）劳动环境好，劳动强度低。摆辗时机器无噪声、震动小，易于实现机械化、自动化。 （ 5）设备投资少，制造周期短，见效快，占地面积小。 动辗压 的力能参数计算 摆辗过程中工件与铆头接触的端面为螺旋曲面，其螺距为每转进给量 S（ mm/s）。 18 因 ），可以把工件的这个端面近似为平面。在图示 2平面方程为（将螺旋曲面简化为螺旋面）： c o s s i nz x s 摆辗的摆动模锥面方程为 2 2 2()图 2辗的接触面积 联立上式，解得接触轮廓曲线方程 222 2 22c o s c o ss s g t g 0 c o s 1当 时 ， ( 7 c o s 7 0 . 9 9 2 5 51 0 c o s 1 0 0 . 9 8 5 )如 时 ，时 , 19 上式可简化为： 2 1s x s辗的接触面投影面积 (1) 圆盘件 其受力后的投影图如土 2滚压过程中，忽略工件和模具的弹性变形，也忽略工件在径向的塑性变形，则 图 2辗的接触投影分析图 接触面投影面积由 廓围成，忽略辗压引起的工件外轮廓变形，则工件轮廓方程 为： 2 2 2x y R 联立 2 1s x s（ 求得 2 1 s 2A sx 0定义： / 2 g 由几 何关系： 20 则： 1 1 1c o s c o s ( 1 ) c o s ( 1 )2cx t g 截面轮廓曲线 化为极坐标方程： 21 (2) 环形件 其投影分析图如图 2前面可以知： 图 21c o s (1 ) 1 联立 2 2 2x y r 2 1s x s求得 2 1A s r tg s (3)接触面积系数 接 触 面 积 与 坯 料 原 始 面 积 之 比 2/F 触 （ R ） 波兰马尔辛民克教授提出的公式： 0 . 4 5 / ( 2 t a n ) 21 胡克民公式： 32 241(1 )3( 0 )2 t a 其 中 当 是变值时， 也是变值 三 轮毂轴承铆合装配专用设备总体方案 辗机的主要技术指标 序 号 要求 数值 1. 1 1. 2 1. 3 1. 4 1. 5 1. 6 旋压铆合直径 最大铆接力 油泵最大输出压力 功耗 自动方式 轴承变形情度 内孔 16径 2850 . 2 2. 3 2. 4 2. 5 2. 6 2. 7 2. 8 2. 9 生产效率 旋压铆合最大行程 滚碾压头到工作台距离 工作台升降距离 主轴到床身立柱距离 滚压头伸出长度 工作台尺寸 机床外形尺寸 机床净重 450个 /小时 253025025000 10012000 200 720 720 2500 1000 2200 3. 1 3. 2 3. 3 3. 4 3. 5 安全可靠 容易传送轴承 外形 美观、噪音小 故障自检、易排除 损坏零件易更换 22 体方案的论证设计 由于汽车轮毂轴承单元为粗短零件且需要的铆接力较大，综合考虑卧式、立式的优缺点，选用立式机床。而立式机床又可分单立柱式和多立柱式，下图为立式方案的简图： 图 定方案：四柱立式结构 单柱式方案：一根立柱既要承受拉伸力，又要承受切应力，立柱弯曲变形情度较大。对于小功率的情况，变形情度可以控制在允许的范围之内，另外结构紧凑，节省空间，操作方便 ，开敞性好，工件装卸方便；但刚性不好，对中性差；并在加工过程中，由于工作台处于悬臂 ，而使工作台受力不均，产生震动和噪音，影响了零件的加工精度，难保零件的合格。 多立柱式方案：机床对中性好，刚度强，钢性特佳，结构永不变形，使用寿命长。适用于大平面、大出力之裁断作业。一种液压机工作台四柱支撑结构，在液压机下梁顶出缸接触面上至少设置有四组支撑柱，各组支撑柱分为上支撑柱和下支撑柱，上支撑柱与液压机移动工作台连接固定，下支撑柱连接固定在下梁与下梁顶出缸接触面上，在上支撑柱和下支撑柱之间设置有一定的间隙，与下梁顶出缸连接的液压垫上开有大于上支撑柱和下支撑柱直径的导向孔。其优点在于：可大大降低了液压机 移动工作台上面板的厚度，不仅节省材料、降低了制造成本，同时还能保证机器的强度和加工精度，因此该结构具有较为广阔的发展前景。综合考虑，选择四柱式液压机床结构。 23 机床方案设计包括运动功能分析，机床布局，机床总体结构设计，在设计过程中充分考虑到加工操作方便，加工质量好，制造成本合理。 动功能分析 本机床主运动为电动机主轴带动铆头旋转，进给运动设计为液压缸驱动工作台进行铆接，同时考虑到缩短铆接工作行程，设计工作台升降机构形式，调节工作台与动力的距离，减少铆接过程的空行程。使铆接过程更节省时间。整个过程 的运动置于动力头内。旋压机床需要两个运动即主轴旋转运动和主轴纵向往复运动来完成铆接。 床总体结构布局设计 机床的总体 布局设计需要根据工作的要求，充分考虑到操作方便，加工效率高，性能稳定、安全，加工质量好等因素；对于 立式铆接摆辗机包括主传动部分、进给传动部分、床身本体、电控与液压系统，液压站和电控箱，开关等。主传动系主要布置在动力头处，包括电动机、偏心机构。进给传动系统采用液压系统进行驱动。另外，主传动、进给传动要考虑各自的稳定性以及配合的，为节省空间，电控与检测系统包含于床身本体。对于液压站其 包括了 液压系统的供油装置、控制调节装置等，将其独立于机床之外，可以使安装维修方便，液压装置的振动、发热都与机床隔开。考虑到工人操作的方便和效率的提高，选用用脚踏开关作为操作的控制，结合安全操作，脚踏开关开关设置在底座的开槽内。 根据运动系统组合的不同，拟定以下布局方案。 图 摆辗机方案确定形式 动力头与液压缸部分分开，主轴只作旋转运动而不作上下往复运动，铆合时由液 24 压缸推动工作台实现向上进给运动。这种立案让动力头只负责旋转轨迹运动，而纵向往复运动则由工作台来完成。大大简化了动力头里面的机构，使得整 个机械机构更加简单，另外用液压系统实现工作台的纵向往复运动也是比较容易实现的。 与传统铆合机床相比，这种设计结构更加简单，把两个运动分开，省去了原来复杂的结构。由于铆头只要实现螺旋线摆动，结构简化了许多，对轴承和整体的精度和工艺要求也降低了许多，降低制造成本的同时也使机器维修起来更加方便。工作台把原先四柱或单柱支持改成液压升降机构实现上下位移，实现起来很简单，液压系统不复杂，更加有利于现代化生产。 四柱式液压机床结构的特点： 精密四柱导向承载机构有润滑加油系统，保证机床长期使用寿命； 更加独特的是，四柱尾部有 定位套，确保机床在承受侧向负荷时，工作可靠 ,四柱式结构简单、经济、实用。框架式结构刚性好、精度高、搞偏载能力强。 床 整机装配示意图 摆辗机主要包括床身立柱、导轨、工作台、手轮、工作台支承、床身底座 、液压元件以及各类附属元件 等 。 25 图 机床总体方案设计 图 1. 主 电机 3. 床身立柱 四 液压系统设计计算 从这里开始就开始进入到本文最着重介绍部分。液压系统的设计是整个机床设计的一部分，它的任务是根据机器的用途、特点和要求，利用液压传动的基本原理，拟定出合理的液压系统图，再经过必要的计算来确定液压系统的参数，然后按照这些参数来选用液压元件的规格和进行系统的结构设计。 计要求 主机应用两个液压油缸，分别是主油缸、送料油缸。对两个油缸来说都没有太大的特殊要求，工作环境相对平滑。各油缸都要求有防尘装置，对爆，寒，噪声等无特殊要求，效率要求在 80%以上，成本要求相对低廉。 况分析确定主要参数 荷的组成和计算 26 工作流程分析： 以下是各油缸的参数要求：根据铆装要求主油缸载荷为 150料油缸载荷计算如下： 送料轨道是铸铁对铸铁，且没有滚珠滚柱滑动， 铸铁一铸铁的动滑摩擦系数实验值 0 07 0 15， 运动速度 s，起动时有加速过程， 取最大值 摩擦系数 。送料缸所受载荷分别是导轨的摩擦力中所受到的加速惯性力速的时间约为 1s。即： FG 工件及压力传感器的重力，约为 G=500N 5 0 05 0 两个油缸所受的载荷都是轴向载荷。主油缸要求运动速度在 2mm/s 12mm/s，运动平稳，转向精度高，自动化程度高，而且要求速 度可随时精确调整。主油缸行程 作要求，空间局限以及节能环保等因素的要求严格安装油缸标准行程系列，选取 S=50照机械设计手册第四部分第 23送料缸上下料匀速，均要求为 200mm/s。对于送料缸的行程确定，取决于工作台的形状大小。为方便加工过程中的上下料，工件必须背送到离开铆头密封箱体以为的位置，设计过程中发现铆头轴线到箱体边缘的距离大概为 360虑到工件的尺寸，根据标准行程系列，选取送料油缸行程为 400 压力的选择 要根据载荷大小合设备类型而定。还要考虑执行元件的装配空间、经济条件及元件供应情况等的限制。在载荷一定的情况下，工作压力低，势比必要加大执行元件的结构尺寸，对我们这台设备来说，尺寸要受到限制，从材料消耗角度看也不经济；反之，压力选择太高，对泵、缸、阀等元件的材料、密封、制造精度也要求很高，必然要提高设备成本。就我们研究的这台设备而言，尺寸大小受到一定的限制，成本要求也有一定的局限。所以根据标准，按载荷选择工作压力。标准表如下： 表 4 按载荷选择工作压力 载荷 /0 27 工作压力 /0，取往复速度比 =2，即 2 根据上式可以求得 212221 )( 12121 )( 500004 根据标准系列选取 D=220应的油杆外径 1 1 . 4 6 12 2 0 1 2 3 . 4 81 . 4 6d D m m m m 根据标准值，选取油缸外径为 d=125 2）结构参数设计 缸筒壁厚的计算： 02 2 2 052 为薄壁筒壁厚 ,p 为工作压力； p 缸筒内液体的工作压力； 为缸筒材料的许用应力， ， b =600拉强度， n 为安全系数，当 10n=5。 根据机械设计手册可知，取工程液压缸外径 1D =273塞宽度： 活塞宽度 0 1 29 缸盖结构设计： 图 缸盖结构示意图 最小导向长度 H 5 0 2 2 0 1 1 2 . 5