钛浩机械关于高精度重型回转顶尖及其过盈装配工艺研究.docx

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文钛浩机械关于高精度重型回转顶尖及其过盈装配工艺研究哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要随着斜学技术的发展及高新技术在制造业中的大量应用，过盈联接在现 代工业生产中的应用范围越来越广泛，人们对过盈装配的研究也越来越深 入。本课题从工厂生产实际出发，为最终解决09、051大螺旋角、宽斜人字 齿轮精滚后齿长方向接触长度不足、接触区域不稳定的问题，保证能够加工 出高精度的齿轮，针对P60S滚齿机在滚齿加工中存在的固定顶尖易研死、 回转顶尖精度低，无法保证滚齿加工质量的实际情况，从分析滚齿加工过程 中误差产生的原因入手，把减少加工过程中顶尖的径向误差作为提高齿轮加 工精度的突破口。通过对影响顶尖径向跳动的因素进行深入细致的分析，有 针对性设计出高精度重型回转顶尖。在顶尖装配过程中，为确保过盈联接的 可靠性，本课题还对实现过盈联接的各种方法（特别是温差法）进行了认真 细致的研究，经过理论分析及实验对比，结合设计要求确定了科学的装配方 案，并按操作规程完成了高精度重型回转顶尖的装配。本设计在结构上采用了三点支承结构；在部件的选择上，选用了高精度 的尽列圆柱滚子轴承、双向推力角接触球轴承及高精度的顶尖体；运用双列 圆柱滚子轴承轴向移动预紧与在顶尖体与回转体之间设计出一定的过盈量相 结合的方法，减小回转顶尖的径向跳动量。通过实际检验，新设计的顶尖的各项性能指标均在设计要求的许可范围 内，完全达到了设计要求。关键词过盈装配；径向跳动；回转顶尖；高精度济宁钛浩机械有限公司是以机床附件生产与销售为一体的专业化公司。公司坐落于山东省济宁市孔子故里东侧，自公司成立以来，在逐步完善工厂管理的基础上，以质量第一、时间快速、服务周到、价格合理为原则、以市场为依托不断发展壮大。钛浩机械是以回转顶尖、高精刀柄、弹性夹头、非标件加工、机床主轴，刀杆，机床接杆为公司的主打产品。公司以服务客户为宗旨，不断进取，以专业、高效、务实的态度不断进步。钛浩机械，专业品质，质量保证！公司奉行以质量赢得用户，以服务占领市场，诚信为本，互利共赢的宗旨，依靠雄厚的技术力量，科学的管理制度，先进的加工检测设备，始终坚持以客户为中心，为用户提供符合国家标准、德国标准、美国标准、日本标准等不同标准的各类机床附件，以满足客户的不同需求。公司已通过ISO9001:2000国际质量管理体系认证。济宁钛浩机械有限公司的诚信、实力和产品质量已广泛获得业界的认可。欢迎各界朋友莅临参观、指导和业务洽谈！详情咨询1章绪论1.1顶尖综述顶尖作为机床的附件，在现代制造业中有着广泛的应用和重要的意义。在 机械加工中，为了取得各平面、弧面与轴心线具有较高乃至极高的对称质量， 一般取轴中心线为定位基准进行可靠的中心定位加工，因此具有中心定位作用 的顶尖就成为中心定位加工必不可少的工具。顶尖被广泛地用于卧式车床、外 圆磨床、曲轴磨床、螺纹磨床、工具磨床以及某些齿轮加工机床、铣床等的中 心定位加工中。按运动性质分，顶尖可分为：固定顶尖和回转顶尖。固定顶尖在大载荷、 高转速工作情况下，加工精度高但容易卡死；回转顶尖可在大载荷、高转速的 情况下工作，但其加工精度不高。按所起作用分，顶尖可分为普通顶尖和技术顶尖。普通顶尖只起到定位作 用，而技术顶尖既起到定位作用，也能传递扭矩。按结构和材料分，顶尖可分为常用顶尖、镶硬质合金顶尖、半缺顶尖、半 缺硬质合金顶尖、强应力定位万能顶尖和球顶尖。按精度分，顶尖可分为普通顶尖和精密顶尖。普通顶尖：圆锥表面径向 跳动不大于.15mm，锥面着色检查时，接触面不应少于70%。精密顶尖：圆 锥表面径向跳动不大于0.005rmn，锥面着色检查时，接触面不应小于90%，且 接近于大端1=现代工业的发展，对顶尖提出了更新、更高的要求。传统的固定顶尖因其 不能承受高转速、大负荷切削而大大地限制了现代刀具潜能的充分发挥，影响 了生产率的提高；同样，由于回转顶尖中的滚动轴承本身存在游隙、弹性变形 及径向跳动等因素，当顶尖受到外力作用时，在杠杆的放大作用下，被加工工 件的定位精度受到很大影响，所以回转顶尖只适用于粗加工、半精加工中。为 满足不同生产的需要，不同类型的顶尖被相继设计出来。我国顶尖的设计研究 在近几年取得很大进展，顶尖类型更加齐全，而且新型顶尖不断出现，主要 有：(1) 强力活顶尖一般顶尖因心轴内锥孔表面粗糙度值高或锥度配合不恰 当，容易引加工时振动，极大影响工件的加工精度、降低刀具使用寿命。强力 活顶尖通过将顶尖体套在心轴尾座外面，提高顶尖强度，克服了这一问题，使 加工精度和顶尖自身的寿命都有很大提高3。(2) 强应力定位万能顶尖强应力定位万能顶尖的主要特征是在固定顶尖 头部定位圆锥面上，用简单而科学的角度面组成四组下凹的槽子，使该定位圆 锥面成为周向等分、间断的、具有一定剩余面积的定位圆锥面。由于这一特殊 的结构，在使用中就减少了顶尖头部定位圆锥面的面积，实际上也就减少了定 位圆锥面的圆度误差，可大大提高顶尖精度(3) 伸缩式弹性顶尖用于零件外圆上有些特殊要求的沟、槽，并有轴向 尺寸要求的轴类磨加工。此外还有弹簧顶尖、复合顶尖5及可应用于数控机床的三维可调高精度顶 尖6等。总之，随着生产的发展和科技的进步，顶尖的结构和功能将伴随着生 产需求不断的改进和更新，新型的、新功用的顶尖将会不断地被设计出来，并 被应用到生产中去。1.2过盈联接的特点及应用过盈联接是利用零件间的配合过盈来实现的联接。这种联接结构简单，定 心精度好，可承受转矩、轴向力或两者复合的载荷，而且承载能力高，在冲 击、振动载荷下也能较可靠地工作，由于过盈配合没有键槽，因而可避免机件 强度的削弱。过盈联接主要应用于重型机械、起重机、船舶、机车及通用机械 中，且多使用中等和大尺寸78。按照结合面的不同t 一般分为圆柱面过盈联 接和圆锥面过盈联接。圆柱面过盈联接结构简单，加工方便，应用广泛，用于轴毂联接、轮圈与 轮心的滚动轴承与轴的联接、曲轴的联接等。其过盈量是由所选择的配合来确 定的，当过盈量及配合尺寸较小时，一般采用在常温下直接压入法装配。当过 盈量较大时，常用温差法装配，缺点是需要复杂的装配设备、装配费用较高， 拆卸不便，不宜多次拆装，因而其使用受到限制。特别是在重型机械需承受重 载荷时，结合直径和过盈量都较大，装配就更为困难。为了便于装配，包容件 的孔端和被包容件的顶端都要适当倒角(一般倒角5 10严。圆锥面过盈联接，是利用包容件与被包容件相对轴向位移压紧达到过盈配 合的联接。可利用螺纹联接件实现轴向相对位移和压紧，也可液压装入和拆 下.主要特点有：(1) 可实现较小直径的装配；(2) 在批量生产中，当轴向定位不高时，可实现配合零件的互换性；(3) 可通过控制轴向位移来精确地调整其过盈量；(4) 可实现多次拆装，不用压入设备，不损伤联接件的结合面；(5) 包容件和被包容件不需加热或冷却即可装配。圆锥面过盈联接时，压合距离短、装拆方便，但结合面加工不便。这种联 接多用于承载较大、且需多次装拆的场合，尤其适用于大型零件如乳钢机械、 螺旋浆尾轴等。过盈联接的缺点是结合面加工精度要求较髙，装配不便，虽然联接零件无 键槽削弱，但配合面边缘处应力集中较大。1.3过盈装配零件设计要求采用过盈配合的包容件与被包容件可以是功能各异的零件联接，一般被包 容件(轴件)上还有其它的配合件，因此零件的结构是各不相同的。为了确保过 盈联接能能够达到技术要求，在过盈配合零件设计时应注意以下几点：(1) 装配后最小实际过盈量能保证两零件相互间的位置正确。如在装配定 位销时，不需要有太大的紧度，只要求各零件相互位置正确。(2) 装配后最大实际过盈量要保证两零件不发生塑性变形和损伤。如减速 机齿轮轴、轴承的装配，因为其传递扭矩较大，要求过盈量也很大，用压力机 压入时，一旦配合不合理，轴承内环可能被压变形或被压碎1G1。(3) 过盈配合零件表面要有较高光洁度。因为微观上零件的表面呈高低不 平的齿状，在测量零件尺寸时，以表面突出的尖顶为准，一经装配，突出的尖 顶将被挤瘪，因此配合表面的单位压力下降。配合直径愈小，加工愈粗糙，过 盈配合的紧度愈差。因此对于重要过盈配合的零件，其表面要经过磨光处理。(4) 对于受到很大轴向力或扭矩的零件，在选用适合的过盈量同时最好采 用附加紧固装置，例如止动螺钉、平键等。此外，除了零件本身功能所要求的结构外，采用过盈配合，在零件结构上哈尔滨T.业火学T.学硕丄学位论文还应注意几个问题11 12:(1) 为改善加工和装配工艺，结合长度不昜过长。结合长度/般不应超 过结合直径的丨.6倍，即长径比G/df 1.6。如果结合长度过长，在加工 过程中，特别是结合直径较小时，结合件容易弯曲变形，产生装配误差，影响 装配质量。如果结合长度过长，可以采用阶梯式结合直径或改变中部直径变 一段为两段的方法。(2) 要尽可能减小顶端压力集中。在过盈联接中，被包容件长度往往大于 结合长度因此结合压力在结合面上并非均匀分布，而是在结合面的两端产生 较大的压力，端部的压力集中将严重地影响到轴的疲劳强度。为了减轻结合件 端部的压力集中和改善零件的应力状况，可在包容件或被包容件的结构上采取 如下措施：a. 增大被包容件上配合部分的直径，即使非配合直径小于配合直径。直径 变化处以较大的圆弧或双圆弧过渡。配合直径与非配合直径之比通常可 取心L05;b. 在被包容件上加工出卸荷槽，以提高轴的抗疲劳强度；c. 在包容件的端面加工出卸荷槽；d. 减小包容件端部的厚度；e. 在包容件上加工出卸荷槽并同时增大被包容件配合部分的直径。(3) 给出压入导向角。当采用压入法装配时为了便于装配和保证联接强 度，应在被包容件和包容件端部制成倒角，被包容件压人端的压入导向角一般不应大于10。(4) 当包容件的结合面为盲孔时，结构上要有排气孔，否则将无法实现过 盈配合。1.4国内外过盈装配研究现状及发展趋势过盈联接在机械制造特别是重型机械制造中具有十分显著的经济效益13。 尤其是对具有冲击负荷和变负荷的机械、要求承受特别重的负荷的机械，过盈 联接更具有独特的优点。但是，由于过盈联接的计算过于复杂，而且由于包含 着许多影响传递负荷的因素（如表面粗糙度、离心力、工作温度、材料、摩擦 系数等等），在计算上也存在许多误差，在相当一段时间内妨碍了过盈配合的广泛应用。为了代替过盈配合，各国的专家研制了不少其它联接方案，有的被 机械设备所采用（如胀套联接），有许多则往往是不经济的。这倒使人们对过 盈联接技术经济价值和推广应用价值的重要性有了更加深刻的认识14。20世纪90年代，为了加速推广过盈联接、简化计算、规范标准，许多工 业发达的国家在对过盈联接的计算进行了广泛的研究基础上，纷纷出台了新的. 过盈配合计算和选用标准，为便于国际间的广泛交流和采用国际标准打下基 础。我国于2000年出版了新的新公差与配合标准，对过盈配合的计算和 选用作了进一步的规范，过盈配合的计算和选用标准的制订和贯彻，进一步推 动了过盈配合的应用。西德不仅在标准制订方面，而且在过盈配合的应用方面 也处于领先的地位15 16。过盈配合不仅广泛应用在重型机械、起重运输机械、化工通用机械、机 车、船舶、军工、航天等行业，在精密机械中也得到广泛应用17, 18)。随着纳 米技术的发展，过盈联接正在朝着微小化方向发展，使得过盈配合的应用前景 更加广阔192()。现代生产中，应用过盈联接的范围Fi益扩大，为降低材料的 消耗，提高过盈联接的可靠性，各国加强了对广泛采用新材料、新工艺进行过 盈装配的研究22，并尽可能简化过盈联接的计算方法P，以促进本国制造 业的发展。人类社会的历史跨入21世纪，随着科学技术的发展及大量高新技术的广 泛应用，制造业在提高人们的生活质量、促进经济发展、加强国防建设、新装 备开发、高尖端技术研究领域中扮演越来越重要的角色p4，因而作为制造业重 要组成部分的过盈装配工艺也越来越受到各国、特别是发达国家的重视E25。随 着计算机技术、微电子技术、虚拟现实技术及纳米技术的发展，虚拟装配、微 装配、自动装配和柔性装配将成为过盈装配发展的必然趋势26, 27。1.5课题来源及主要内容本课题来源于哈尔滨汽轮机厂生产实践。该厂为保证P60S滚齿机能够加 工出高精度的齿轮，针对固定顶尖存在拉毛、研死，原回转顶尖径向跳动大、 无法保证滚齿加工精度的实际情况（尤其是齿向精度，对于09、051这些大螺 旋角、宽斜人字齿来说，齿向精度是决定齿长方向接触的主要参数），立足于 最终解决09、051齿轮精滚后齿长方向接触长度不足、接触区域不稳定这个主要问题，进行该项目研究。本文在前人工作的基础上，针对实际问题主要完成 以下工作：(1J通过对影响径跳误差因素的分析，有针对性地设计出符合要求的高精 度重型回转顶尖。(2) 计算保证顶尖正常工作所需的过盈量，选择适当的装配方法。(3) 进行过盈装配对比实验，通过实验数据和实物微观照片对比，比较热 胀法装配和庄入法装配的不同。(4) 完成高精度回转顶尖的装配，并对其精度进行检验。哈尔滨工业大学.T学硕十学位论文第2章高精度重型回转顶尖结构设计2.1顶尖径向精度分析及提高精度的措施2.1.1影响顶尖径向精度的原因分析普通回转顶尖通常由顶尖体、顶尖轴及轴承组成。影响顶尖径向精度的主 要原因有：(1) 顶尖体轴承孔同轴度、顶尖轴前后支承轴径同轴度对顶尖精度的影响如果顶尖体轴承孔不同轴，顶尖轴及轴承（为方便起见以后称其为回转体）安 装上以后，顶尖轴中心线与顶尖体中心线之间就会有夹角如果顶尖轴前后 支承轴径不同轴，当回转体安装到顶尖体上时，前后支承轴承内圈的中心线就 会与回转体的旋转中心产生夹角名。由于夹角3和0的作用，将会使顶尖在旋 转时产生角度摆动，进而影响顶尖的精度。(2) 轴承径向跳动对顶尖精度的影响轴承的径向跳动对顶尖端部中心的偏 移的影响如图2-1所示。图2-1轴承径向跳动对顶尖端部的影响Fig.2-1 Radial run-outs influence on top of the center图2-U所示为前端轴承径向跳动对顶尖端部位移的影响，图2-lb所示为 后端轴承径向跳动对顶尖端部位移的影响。图中，顶尖的悬伸量为a，前后端 支承的跨距为/, 4、分别代表前端轴承和后端轴承的径向跳动量，乃、少2yi =l + a r-5(2-1)分别由前、后端轴承径向跳动引起的顶尖端部的位移。从图中可以看到顶尖端 部位移与前端轴承径向跳动量的关系为：顶尖端部位移与后端轴承径向跳动量的关系为：(2-2)为同方向时有：a 设顶尖在轴承径向跳动作用下的位移为当(2-3)y = y +y2 = j +J2 =3x +7 当乃、乃为反方向时有：少=1 少1 凡 IHIH A +?2) I(2-4)从式（2-3)、（2-4)中可以看到，前端轴承的径向跳动对顶尖端部的位移 影响较大。(3)顶尖刚度对顶尖精度的顶尖精度的影响如果顶尖刚度不够，在外力作用下，顶尖就会弯曲使顶尖轴心线偏离旋转中心，产生旋转误差。2.1.2提高顶尖径向精度的措施(1) 减小顶尖体轴承孔同轴度、顶尖轴前后支承轴径同轴度对顶尖精度的影响首先提高顶尖体、顶尖轴的制造精度，选用精度较高的轴承，从根源上减 小因同轴度造成的顶尖端部的误差。第二是用定向装配法，使轴承的径向跳动 方向与不同轴度方向相反：用轴承外圈的径向跳动量校正因顶尖体轴承孔同轴 度引起的径向误差，用轴承内圈的径向跳动量校正因顶尖轴前后支承轴径同轴 度引起的误差，使得装配后顶尖轴轴心线偏离量最小。(2) 改善轴承支承结构，增加支承面积，减小轴承径向跳动对顶尖端部位移 的影响普通回转顶尖大多采用单列轴承支承结构，其支承形式可简化为两点 支承，轴承径向跳动量与顶尖端部位移关系如图2-1所示，如果采用双列轴承 支承结构，由于滚动体与滚道为双列线接触，且有足够支承宽度，因此在跨距 与轴径比小于3时，可视为三点支承，此时顶尖轴承径向跳动与顶尖端部位移关系如图2-2所不a从图2-2中可以看出，此时有：y = y +yi(2-5)图2-2双列支承时轴承径向跳动对顶尖端部位移的影响 Fig.2*2 Radial run-outs influence on top of the centerwith double-row roller bearings由式（2-5)可以得出结论，采用双列轴承支承结构时顶尖端部的位移可 以近似地等于前端轴承的径向跳动。(3) 对轴承进行预紧，减小轴承的径向跳动量轴承的径向跳动误差是由： 滚动体及轴承内、外圈的弹性变形，轴承的径向间隙，滚动体及轴承内、外圈 的径向跳动三部分组成，当预紧力适当时，可使前两项误差为零，从而使顶尖 的径向跳动误差就等于滚动体及轴承内、外圈的径向跳动。因此，对轴承进行 适当的预紧可达到减小轴承的径向跳动量、提高顶精度的目的。(4) 増加顶尖的刚度，减小因顶尖弯曲而引起的旋转偏心在条件允许的情 况下选择轴径较大的顶尖轴并确定最佳的支承跨距，提高顶尖的刚度。必要时 对顶尖体进行支承或将其下到机床心轴尾座中心孔内，减少顶尖体的悬伸量， 增强顶尖体的刚度。2.2顶尖头部受力分析及承载能力计算2.2.1滚齿加工切削力计算滚齿加工中切削用量有切削速度V、轴向进给量乂、滚齿深度等，切削 用量的选择应根据工艺系统的刚度、工件精度、光洁度、材料、模数等因素来 综合考虑。粗加工时，应选大的轴向进给量乂.和低的切削速度V，精加工 哈尔滨工业大学T_学硕士学位论文时，则应尽量选小的乂和高的切削速度V。对于滚齿深度，一般在中等模 数时，多采用一次切至全深，当模数大于7时，也可分两次切削，第一次切深 为1.4mm，第二次切至全深。通过大量实验，由测力仪测得切削力矩所得数据用数学方法进行处理，即 可得出计算滚削力矩的经验公式，进而计算出滚齿加工切削力。在中等轴向进 给量（尤=0.5中等切削速度（v=l(K70m/min)的条件下，滚削中等模 数（m=l10mm)的齿轮时，平均滚齿力矩Mav和最大滚齿力矩可按下式 计算28別：MflV =3.92w175 faAv-z0-21(2-6)=8.92mL75 fa 0.81v-0 26Z0.27 KK2Ks(2-7)式中 m齿轮模数，（nun);f-轴向进给量，（mm/r);A切削深度系数，是切削深度和齿高的比值，A =本设计中，ap = (2h*+C*)m =2. 25X4. 5，d =1。v切削速度，（m/min):Z工件齿轮齿数。工件材料、硬度、螺旋角有关的修正系数。其M下泰 表2-1工件材料修it系数表Table 2-1 Hmendable coefficient of the workpiece material工件材料硬度CHB丁件材料|硬度（HB)Kx45钢220138CrMoAlA2651,2440Cr2211.06W18Cr4v 13181.68T8269U19Crl8 I2621,25表2_2工件硬度修正系数表 Table 2-2 Emendable coefficient of the workpiece hardness工件硬度180200220240260280 T30021.05 iL031.18L131.07 |1表2-3齿轮螺旋角修正系数表Table 2-3 Emendable coefficient of the gears helical angle齿轮螺旋角p (度）0102040KiI1.07l.nL20圆周力主切削力)计算：2Mav i d0 =2M max/ dn(2-8)(2-9)Fzo.式中 d。-滚刀直径。由以上公式可以计算滚齿加工中切削力。(1) 基本条件滚刀：Z0=l; =156111111; nzAOr/min; = ；5。/1000=19.6111/1111。齿轮：Z=141 ; m 4.5mm ；万=42。； =20 ; da =867.3mm ；#=853.804imn。材料：30CrNi3MA，HB=206。切削深度：取全深。进给量：/a=.63mm/r。(2) 最大切削力计算：修正系数选择A依据表2-1材料成分及硬度，估选取1.24:心选取 1. 03; AT3取 1.20 由式(2-7)可知： M =8.92X4. 5父.6方*父1(1*父 19. eX 141027 XI. 24X1. 03X1. 20=247.1 N-mmax滚刀圆周切削力：F一 =2=；! =3167.9 Ndo 156x10被加工齿轮受力为：圆周力：=-3167.9 N径向力：Fz3167 9f，一-xtaim=x tan 20 =1551.5 Ncoscos 42轴向力Fx = Fz x tan/? = 3167.9x tan42 =2852.4 N2.2.2顶尖头部受力分析及承载能力计算齿轮在滚齿加工中的受力如图2-3所示。G为齿轮重量，尽、巧、尽分别为滚齿加工时，滚削力造成的齿轮受力。将力平移到齿轮中心，顶尖在最恶 劣的工作条件下（卡盘仅起到定心的作用），齿轮受力情况如图2-4所示。图2-3被加:齿轮受力图2-4被加7:齿轮受力简图Fig.2-3 Stress analysis of machined gears Fig.2-4 Stress analysis sketch of machined gearsG=1.0X10JX 9. 8=9800 N Fy=Fr=1551.5N Fa-=2852.4 N =3167.9 NFyz=4fy HG+Fzf =13060.4 N通过和X轴作一平面XZ由于被加工工件的一端被卡盘固定，滚刀 与齿轮的啮合点位于工件的中间，在XZ/平面内滚齿加工过程的受力情况及可 简化成如图2-5所示，有：Fd x sin 60 x / - Fyz x / / 2式中顶尖对工件的作用力。哈尔滨T业大学T学硕士学位论文13060.42 x sin 6(T=7540.4 NKx = xcos60 = 7540.4x1-3770. 2 N Fnyz = Fd x sin 60 = 7540.4 x =6530. 2 N图2-5 X2/平面内滚齿加工受力简图 Fig.2-5 Stress analysis sketch of hobbing on plane of XZ1顶尖承受的扭矩：Mzd = Fx X J/2=2582. 4X853. 804/2X 1-j=1102.4 N-mMX = FZ X o/2=3167. 9X853. 804/21 O3 = 1352. 4 N-m径向力：Fr = Fyz =6530. 2 N轴向力：Fdx = Kx + FX =3770. 2+2852. 4-6622. 6 N工件对顶尖的压力为巧，-13 -哈尔滨T.业大学T学硕士学位论文2.3高精度重型回转顶尖结构设计2.3.1高精度重型回转顶尖技术要求(1) 承载能力：径向力：巧=7000 N;轴向力：尽=7000 N。(2) 顶尖端部径向跳动量：厂家要求不大于0. 005mm。(3) 工作转速：0.25r/min。2.3.2总体构造方案的确定高精度重型回转顶尖主要用于加工重型高精度齿轮，工作转速较低，加工 精度要求高，且被加工齿轮的结构尺寸和自重很大。因此，该机床所用顶尖应 兼具高精度、高承载能力的综合优点。根据技术要求，选用回转顶尖，采用前 后支承为主，中间支承为辅的三支承组件支承结构，主要由顶尖体、轴承及顶 尖轴三部分组成，见图2-6。该结构通过对前后轴承进行预紧，中间轴承径向Fig,2-6 Structure sketch of high-precise heavy rotating center留有较大游隙，确保当顶尖不受力或受力较小时，中间轴承不起作用当顶尖 受力较大、中间支承处挠度较大时，中间支承就参加工作。顶尖端部0.005mm 的径向跳动精度采取以下措施实现：(1) 顶尖体及顶尖轴的材料都选用力学综合性能比较强的40Cr钢，提高顶 尖的抗弯强度。(2) 选用高制造精度的顶尖体、顶尖轴及轴承，并采用定向装配法对其进行 装配，减小由于顶尖体前后轴承孔、顶尖轴前后支承轴径的同轴度对顶尖端部 的径向精度的影响。(3) 选用双列支承结构的轴承提高支承面积，减小轴承的径向跳动对顶尖端 部径向精度的影响。(4) 对轴承进行预紧，减小轴承的径向跳动。(5) 选用较大的轴径及适当的跨距，提高顶尖轴的刚度。2.3.3支承轴承的选取轴承所受载荷的大小、方向和性质，是选择轴承类型的主要依据，相同外 形尺寸下，滚子轴承的承载能力约为球轴承的1.53倍。向心类轴承主要用于 承受径向载荷，推力类轴承主要用于承受轴向载荷，角接触轴承可同时承受径 向载荷和轴向载荷的联合作用，其承受轴向载荷能力的大小随接触角a增大而 增大，深沟球轴承的接触角为零，但由于球与滚道间存在微量间隙，有轴向载 荷作用时，内外圈产生相对位移，形成不大的接触角，故也能承受较小的轴向 载荷。因此选用轴承时一般采用推力轴承承受纯轴向载荷，除径向载荷还有不 大的轴向载荷时，选用同心球轴承或接触角不大的同心推力轴承;除径向载荷 还有较大的轴向载荷通常选用向心轴承和推力轴承组合在一起的结构，这种结 构在轴向载荷超过径向载荷甚多，或特別要求有较大的轴向载荷超载时尤为适 用，使用这种结构时，为了平衡派生的轴向力，并能沿两个方向都起限位作 用，应把两个轴承并装在一个支点上或分装在两个支点上成对使用30，3|。推力轴承及特重系列的轴承只应用于低速重载的场合。如使用一个轻系列 轴承而承受能力达不到要求时，可采用宽系列的轴承，或采用两个轻系列的轴 承并装在一起32。根据以上原则，结合顶尖的工作条件（低速.25r/min)及支承的工作情 况，前、后端选用双列圆柱滚子轴承承受纯径向载荷，中间轴承选用角接触双 向推力球轴承承受轴向载荷，如图2-7所示。一批同样型号的轴承，在同样的工作条件下运转，其中10%的轴承发生点 蚀破坏，而90%的轴承不发生点蚀破坏仍能正常工作时所经历的总转数（以 106i为单位）或在一定转数下工作的小时数为轴承的寿命。根据使用要求 确定的寿命：#=20万小时，滚动轴承的额定动载荷用c代表。的忒轴承屮间轱承后端轴承图2-7顶尖轴承的选择 Fig. 2-7 Selection of center bearings(1) 前端双列圆柱滚子轴承型号的选择：基本额定动载荷计算34:(2-1)式中P当量动载荷，户=F, =7000 N;轴承寿命指数，对于滚子轴承=10/3;n轴承转速，=0.25r/min;Lih轴承的基本额定寿命，=20万小时。代入数值得：（ =9732 N 査手册选 NN3017K，CA = 96500 9732 N(2) 中间双向推力角接触球轴承的选择；基本额定动载荷计算：(2-11)式中：P当量动载荷，对于角接触双向球轴承来说，_P= e轴承寿命指数，对于球轴承=3。代入数值得：G=10096 N 査手册选 234417B, CB = 44500 13557N。(3) 后支承使用圆柱滚子轴承NN3012K。15哈尔滨工业人学工学硕上学位论文2.3.4顶尖的轴径及最佳跨距的确定(1)顶尖直径及悬伸量的选择为有效地提高顶尖刚度，顶尖应选用大的直 径，但如果直径过大，会使顶尖整体结构变大，而与相配尾座不相适应。由于受 尾座锥孔尺讦的限制，参照已有顶尖及经验，选前支承轴径后支 承轴径Z)2=60mm。按此选择轴承型号如前所述。根据载荷及机床实际情况选 择悬伸处的直径cf=65mm。(2)顶尖支承刚度计算当顶尖所受到的径向力不是很大时，顶尖只有 两端的轴承起径向支承作用，为了计算方便，可将支承简化为两点支承结构， 如图2-8所示。此时，如前后支承的支承力为和刚度为心和火5，则前 后支承的变形：和分别为：(2-12)(2-13)RA=Ff(l + j),(2-14) a 顶尖前端悬伸量；1顶尖前后轴承间的跨距。Rar(2-15)顶尖端部的总挠度为：(2-16)哈尔滨丁业大学工学硕士学位论文式中4 -顶尖轴的轴惯性矩，4由上式可知，当+=时，挠度为最小值，此时的跨距为最佳跨距此 /d时有: 整理后得:(2-17)可以证明此方程有唯一的实根，但解这个方程比较麻烦，可以用计算线图 解决，令EI代入式2-16得：Vh + Ka kb(3) 顶尖最佳跨矩的计算顶尖前端悬伸量为前支承作用点到顶尖前端受力 的距离，选取的原则是：在结构许可条件下，越小越好。实际装配时，顶尖 的悬伸长度为100mm，初选/)/ = 1.5，此时：=7000x(l + L) = 11667 NRh = 7000x- = 4667 N b1.5为提高顶尖的旋转精度及顶尖组件的刚度，采用预紧的方法对轴承进行预 紧。双列圆柱滚子轴承在游隙为零时，在径向载荷作用下的径向弹性位移 可以用下式计算13536：|:(2-18)0.0625Fr0893jO.815KFr(2-19)轴承刚度为:-#-蛤尔滨下业大学_T.学硕-丄学位论文fl0=7.165 jmi Sb0=4.l99尺0 =1628 N4unKb =1111 N/nm 1.465K 1628Kb 1111假设顶尖的当量直径为前后直径的平均值：(85+60) /2=72.5mm 因此有:El 21xl3x3.14x72.547:Ka3 2302000 xl3x 640.124代入数值得:查跨距图可知：/a = 1.5左右，因此最佳跨距/0 =1.5a=100xl.5=150mm。Fa27000xl002xl063x210x109x3.14x72.5d 64(100 + 150) =0.0205 ram顶尖在装配时，如果采用一定的过盈量进行预紧，当过盈量达到或超过某 一数值时，可以认为支承是钢性的，则顶尖的挠度为：校验少=0.0205 mm 0.0002/ = 0.0002 x 150 =0.03mm 顶尖的刚度符合设计要求。2.3.5顶尖材料的性能40Cr型钢材是机械制造业使用最广泛的钢种之一。调质处理后具有良好的 综合力学性能、良好的低温冲击韧性和低的缺口敏感性。密度为p=7. 85 g/cm3, 在0 = 80100mm时，调质后，经85(TC淬油，500邛00C回火，其纵向1/2 半径处物理机械性能如下：材料屈服点A =60750Mpa，抗拉强度 =8OO950Mpa，硬度 HB=229269,弹性模量E = 210Gpa,室温下线性膨胀系数 =llxl_6,导热 率义=4396WmK),洎松比v=0.30(28125。C)。2.4本章小结本章对滚齿加工中向影响径向误差的因素进行了分析，有针对性地提出了 提髙顶尖径向跳动精度的措施，分析了滚齿加工过程齿轮及顶尖的受力情况， 确定了在加工过程中顶尖所受的各种力及力矩的大小。根据设计要求设计出高 精度回转顶尖的整体结构。.-21 - 第3章高精度重型回转顶尖过盈装配工艺研究3.1轴承外圈与顶尖体联接时过盈量的计算由于回转顶尖的前支承精度对顶尖径向圆跳动的影响程度大于后支承精 度，因此设计顶尖时应重点考虑前支承精度。本设计中的高精密重型回转顶尖的装配是由两部分组成：第一步是将顶尖 轴与双列圆柱滚子轴承及角接触双向推力球轴承装配成一体，即完成回转体的 装配；第二步是将回转体与顶尖体进行装配。在计算过盈量时，由于装配过程 是先装配回转体，而后再完成回转体与顶尖体的装配，为了简化问题，可视回 转体为实心轴，即计算过程中被包容件为回转体，包容件为顶尖体。根据经验，取包容件外径尤=165mm，根据有关公式和已知数据就可进行过盈量的计 算11，12:(1) 计算承受载荷所需最小结合压强:P(3_1)当联接件同时承受轴向力和扭矩作用时，Adr式中 df结合面直径， =Z) (NN3017轴承外径）=130mm lf结合长度，取轴承的宽度，=34111111;结合部截面内所承受的扭矩，N_mm;P摩擦系数，40Cr与轴承钢间的摩擦系数为0.13。经计算得：7x1200F = 7000+,=25461 N130xl-3Z%，14-11 MP;(2) 计算承受载荷时所需的最小有效过盈量之min :哈尔滨工业大学工学硕士学位论文min=/,/min/(7r + Tr) X1 3(3_2)K A式中C变形件形变系数，包容形变系数(=1 + 11；1=4.577;被包容件形变系数C, =-v.0.71-qiq变形件直径比，包容件直径比 =2=130/165=0.788tda被包容件直径比 =0;v变形件材料的泊松比，v =0.30; v; =0.29;E变形材料弹性模量，尽=2, lXlsMPa，五广2.07X15MP? 经计算得： (3：)确定联接件不产生塑性变形所容许的最大结合压强: 包容件不产生塑性变形所容许的最大结合压强为：Pp(3-3)式中 包容材料的屈服点，=500 MPa 代入数值得：=102.99 MPa被包容件不产生塑性变形所容许的最大结合压强为；PfiYcrsi(3-4)式中 包容材料的屈服点，crs,=353 Mpa;代入数值得：=176.5 MPa联接件不产生塑性变形所容许的最大结合压强；C p/anKIX, pfr ) -p/amflX =102.99 MPa哈尔滨工业大学.T学硕士学位论文(4) 计算联接件不产生塑性变形所产生的最大的结合力/；_:(3.5)式中包容件不产生塑性变形所允许的最大压强；代入数值得：max = 102.99X3. 14X130X34X0. 13=185819 N(5) 计算联接不产生塑性变形所允许的最大过盈量毛6腿=/?/咖6?/02_ + )1)3(3-6)K E；经计算得：4 577 71色韻=102.99XI30X(,)X1Q337.73 punmax2.1x10s2.07x10s 7(6) 选择配合：轴承外圈与孔的配合精度越高，装配后包容件与被包容件结合的就越好， 顶尖的径向跳动误差就越小37,38,因此在选择配合时，既要注意尽可能地选择 较高精度的配合，又要使实际过盈量既满足传递载荷的需要，又不能使联接件 发生塑性变形，即：emin isniax46,27 J4.m 337.69 m取 16】，按:92jim;_通过查表可以确定轴承等级为6，轴承外径为lSOnim 92=13011,可查出基轴制偏差代号为StU1，确定选用配合查得必130S7的基本偏差为-9Mm、IT7=4Mm ,则下偏差EI=-9-40=-13mn,故孔的加工直径应为纠30：= mm。不考滤轴承外圈直径的变化量的情况下，最大过盈量?胃7= 13 0 (irn 最小过盈量ES75 pm过盈公差 A =，Jmin =55 pn(7) 校验计算：最小的结合力:式中-_ 代入数值得:2.5224 = 3.14X34X.13x75xlz=41273Nf； =23461 N最太结合力： xi3 c C 心+13.14x34x0.13x1302.522包容件的最大应力：12=71540N=185819 NPf max0(3-7)式中a。_常数，=_La 代入数值得：Tamm =41. 17/0. 2056=200. 24 N/mm2 被包容件最大应力：c(3-8)式中C常数， 代入数值得:代入数值得:#-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文=41.17/0.5=82.34 N/mm2 0=353 MPa。经校验，在么_ Amax范围内，顶尖既能很好地工作，又不会使零件发生 塑性变形。3.2高精度重型回转顶尖的装配方法研究 3.2.1过盈装配的方法孔轴配合的组件多采用尺寸过盈来达到固持力，它具有结构简单，定心性 好，承载能力高等优点，但装配困难。合理地选择装配方法，是保证过盈装配 的机械零件正常、可靠工作，延长零件使用寿命的重要条件39。常用的过盈装 配的方法见图3-1。击面入邋入祛工異EE入：压力杭茂入1液迮垫违入热胀法-椹差祛冷缩法热综台法液违法1综台祛图3-1过盈装配方法Fig.3-1 Methods of interference assembly综合法是指将压入法与温差法综合起来应用的装配方法，这里不作为本章 的讨论内容。3.2.2压入法装配压入法装配，是在常温下用压力机或其它专用机构的作用力（在过盈量很 小的情况下，也可用手锤）将被包容件逐渐压入包容件内的方法。压入配合在 机械制造中应用很广，内燃机中气缸套筒和气缸的配合、连杆衬套和连杆上端 座孔的配合等，都是压入配合。在装配时怎样保证有适当的过盈量，是保证这咍尔滨.T:业大学丁.学硕士学位论文些零件使用寿命的主要条件。用来进行压入装配的设备视装配所需的压力而 定，手压机：一般用来装配尺寸不大的零件，它们所产生的压力约为9800 14700 N,机械驱动的螺丝压床可用来装配所需压力在49000 N以下的零件. 如果所需装晖压力再高些（2.94X1044.9X104 N)，可采用气压式压床，液 压床所产生的压力可达9.8X1049.8X106 N，用来装配尺寸较大的零件。压 入的速度对于联接的可靠性也很有关系，如果急速地增高压入的速度（例如，220米/秒），装配的压力便略为降低，尤其是过盈量大而会发生塑性变形的 时候，在压入装配时速度最好不超出25米/秒4()。将衬套等压入零件中时， 如过盈量值较大，往往会引起衬套内径尺寸的改变，因此在计算的时候，应该 把这个因素也考虑在尺寸链之内，并且在必要时，衬套在压入后，再用铰刀铰 至规定的尺寸41。压入法装配压力计算公式如下：Fy = Jrdflf UP：(3-9)式中*过盈量为尤u时配合面的压强，Mpa;压入装配法由于压平量的影响，降低了联接强度，并且在过盈量较大时容 易产生拉毛或卡死等粘着现象.但是该方法工艺简单，并能知道压入力或画出 压入曲线以判断联接质量。因此，在过盈量小于aimm,或者相对过盈量 5/dyO.OOl时，常用此方法。在压入配合中，配合表面突出的尖峰在压入装 配的时候会被挤瘪，因而使配合表面之间的单位压力降低，互配零件加工愈是 粗糙，压入配合联接的紧密度愈差。在本设计中，轴承的外径为孔的内径为（P13t， 九3130脾，此时虽然大于 0.1mm，但 + =0.130 /130=0.001，所以 本设计可以考滤采用压入法进行装配。3.2.3温差法装配温差法装配的原理是：将包容件加热，或将被包容件冷却，或者在将包容 件加热的同时将被包容件冷却，可以使过盈量减少至零，甚至产生间隙，而后 将包容件套在被包容件上或将被包容件放到包容件内，等到温度恢复至室温，被加热的零件收缩，被冷却的零件膨胀，于是产生原定配合所需的过盈量。按 照对包容件和被包容件的不同处理方式，可分为热胀法、冷缩法及热综合法。(1) 热胀法装配热胀装配法就是利用包容件的热膨胀特性，对其加热使其 膨胀，进而减小过盈量，达到装配要求的装配方法。单独加热包容件时，其加热温度为:(3-10)5隨+厶a2d x 1 3 式中A装配间隙（叫1)，当d矣30mm时，可取A=；当1000(/30mm可取H7/g6配合的最大间隙；a2包容件的线膨胀系数（ire);-装配环境温度rc)。加热的方法有：火焰加热、介质加热、电阻加热、辐射加热和电感加热。 在本设计中，如采用热胀法进行装配，结合面直径#130圆，A取H7/g6配合的最大间隙，经查国家标准，H7的偏差为，g6所偏差为其最+0-0.039130 + 85llxl3xl_3+20=171 C大间隙为 0. 046+0. 039 =0. 085 mm,由式 310 可得:对于40Cr来说，加热到171C不会改变材料的性能，所以本设计可以采用这种 方法进行装配。(2) 冷缩法装配冷缩法装配是指利用被包容件的热胀冷缩特性，通过对其 进行冷冻，进而减小过盈量，达到技术要求的装配方法。如果包容零件的尺寸 较大，那么把它加热就要用特殊的设备，而且采用加热法装配时有时会破坏包 容件的热处