轴承内外圈加工专用机床纵向机构设计

摘 要 随着轴承工业的迅速发展，对轴承的加工精度、效率、可靠性提出了更高的要求。尺寸精度是轴承加工中的一项关键 因素 ，而 车床 的进给机构直接影响轴承套圈加工的尺寸精度。因此，随着 对 轴承质量要求的不断提高，需要更加精密高效的 车床 进给机构。 本文是根据轴承厂轴 承内外圈加工生产线项目的改造要求设计的，针对人工控制机床的进给 加工， 加工 效率低，生产出的零件精度难于控制的问题，设计一套此 车床 的半自动进给机构，代替传统机床的人工操作，提高生产效率，提高零件的精度。 论文根据轴承内外圈加工设备加工时进给的特点，对其纵 向进给机构进行合理的设计。 设计出 利用液压 驱动，前 、 后调节机构调节进给量 的 纵向进给机构 。 本文先 对 液压 驱动系统 、 导向机构、前调节机构、后调节机构进行设计，确定具体 尺寸 。 利用 UG 软件对纵向进给机构进行三维建模，并进行虚拟装配。然后对装配图在 UG 运动仿真界面进行运动仿真，分析仿真结果，得出相应结论。最后对纵向进给系统进行优化设计，提高其稳定性 、 可靠性。使其能满足轴承厂生产线繁重的工作。 关键词 ：进给机构； UG；虚拟装配；运动仿真 Abstract With the rapid development of bearing industry, the working accuracy, efficiency and reliability of bearing have been put forward higher requirements.A essential factor of bearing process is the dimensional accuracy, however, the feeding system of machine tools directly affects the dimensional precision of bearing ring process. Therefore, with the constant improvement of bearings quality requirements, it is necessary for the feeding system of machine tools to become more precise and efficient. This paper is based on the requirements of bearing inner and outer ring process production line project in bearing factory. As the process efficiency is low by the manual control of the machine feed process and the precision of the parts production is difficult to control. This paper designs a lathe of semi-automatic feed mechanism to instead of manual operation of conventional machines, in order to improve production efficiency and the part accuracy. This paper has a reasonable design of vertical feed mechanism what is based on the characteristic of feed processing by bearing inner and outer rings process equipment. The aim of this paper is designing a longitudinal feed mechanism through using hydraulic drive, before and after the vertical regulating mechanism adjust the feed. The paper devises a process equipment what is using hydraulic drive and before and after the adjustment mechanism to adjust the feed rate and after that identifies a specific size. This paper uses UG software for proceeding 3D modeling of longitudinal feed mechanism and virtual assembly, after that carries out on the motion simulation by assembly drawings in UG motion simulation interface and analysis of the simulation results, and ultimately obtains the corresponding results. Finally, the paper optimizes the design for the longitudinal of feed system, improving the stability and reliability, which is for meeting heavy work of the production line in bearing factory. Key words: feed mechanism； UG； virtual assembly； motion simulation 目 录 摘 要 . I ABSTRACT . II 目 录 . III 1 绪论 . 1 1.1 课题来源，研究内容和意义 . 1 1.2 轴承与轴承圈 . 1 1.2.1 轴承 . 1 1.2.2 轴承圈 . 2 1.3 国内外发展概况 . 2 1.4 本课题主要内容 . 3 2 纵向自动进给机构设计 . 4 2.1 现有机构及生产要求的分析 . 4 2.2 整体设计方案及思路 . 5 2.3 纵向进给机构各部分的设计与计算 . 6 2.3.1 纵向进给机构外形轮廓确定 . 6 2.3.2 导向机构设计 . 7 2.3.3 驱动装置的选取 . 9 2.3.4 前调节机构设计 . 12 2.3.5 后调节机构设计 . 12 2.4 本章小结 . 13 3 基于 UG 的进给机构三维建模与装配 . 14 3.1 UG 软件简介 . 14 3.1.1 UG 软件特点 . 14 3.1.2 UG 软件设计流程 . 14 3.1.3 UG 软件的应用范围 . 14 3.1.4 UG 软 件设计的意义 . 15 3.2 纵向机构的三维建模 . 15 3.2.1 纵向底板的建模 . 15 3.2.2 纵向燕尾板建模 . 16 3.2.3 刹铁的建模 . 16 3.2.4 纵向台面板的建模 . 17 3.2.5 油缸的建模 . 19 3.2.6 前调节机构的建模 . 19 3.2.7 后调节机构的建模 . 20 3.3 纵向进给机构的装配 . 20 3.4 本章小结 . 23 4 纵向自动进给机构的运动仿真 . 24 4.1 UG 运动仿真简介 . 24 4.1.1 UG 运动仿真主界面 . 24 4.2 运动仿真的流程 . 25 4.3 创建连杆 . 26 4.4 创建 运动副 . 27 4.5 创建驱动及 “3D”接触 . 29 4.6 本章小结 . 35 5 总结与展望 . 36 5.1 总结 . 36 5.2 不足及展望 . 36 致 谢 . 37 参考文献 . 38 轴承内外圈加工专用机床纵向机构设计 1 绪论 1.1 课题来源，研究内容和意义 本课题来源于 无锡 迪克机械对轴承 生产线改造项目。 本论文的 主要 内容包括： 根据 迪克机械 实际技术要求 和 生产 设备 ，提出轴承内外圈加工专用机床的结构 方案 ，并且 对每个零部件进行设计。 对轴承内外圈加工专用机床纵向进给机构进行设计，并用 UG 软件进行建模。 对轴承内外圈加工专用机床纵向进给机构进行虚拟装配。 对装配 体 做基于 UG 的运动仿真分析，检查 本设计 方案及其模型的 合理性。 轴承内外圈加工专用机床纵向进给机构作为自动化生产线更新 项目 的 一部分 ， 提供多机床看管的可能性 ，并 可以 代替精度要求 高 或重复的工作 ，因此 大大 提高了生产效率。 轴承内外圈加工专用机床纵向进给机构在生产过程中，工人手动对刀，手动控制进给量， 重复单调。 发生生产事故或者使加工零件报废 一般 发生在 工人长时间重复单一动作 的的 时候 。为了 改善工作环境 ， 降低工人 的 劳动 强度 。提高生产效率和零件的精度。 轴承内外圈加工专用机床自动纵向进给机构 的 研制使其能真正代替人工 工作 。工人 只要 按动按钮。 此机构 的工作方式 使其能 实现一人多机操作 ； 可以使 大量工人从中解放出来 ； 提高了加工精度 ； 降低了企业生产成本 ； 使企业更 加 有竞争力 ! 1.2 轴承与轴承圈 1.2.1 轴承 轴承广泛应用于机械工业的基础传动元件，其加工质量直接影响 其传动 性能。它 具有加速快，摩擦小 等特点，对其制造的主机性能的影响程度。由于其独特的 传动 性能， 使其在 国民经济的各个领域 得到 广泛应用。 轴承的种类主要分为一下几种： 1.角接触球轴承 角接触球轴承 可同时承受径向负荷和轴向负荷。能在较高的转速下工作。接触角越大，轴向承载能力越高。高精度和高速轴承通常取 15 度接触角。在轴向力作用下，接 触角会增大 。 2.深沟球轴承 深沟球轴承 是 滚动轴承 中最为普通的一种类型。基本型的深沟球轴承由一个外圈，一个内圈、一组钢球和一组保持架构成。深沟球轴承类型有单列和双列两种，单列深沟球轴承类型代号为 6，双列深沟球轴承代号为 4。其结构简单，使用方便，是生产最普遍，应用最广泛的一类轴承。 3 四点接触球轴承 四点接触球轴承是一种分离型轴承，也可以说是一套轴承可承受双向轴向载荷的角接触 球轴承。其内、外圈滚道是桃型的截面，当无载荷或是纯径向载荷作用时，钢球和套圈呈现为四点接触，这也是这个名称的由来。四点接触球轴承可以承受径向负荷、双向轴向负荷 。 无锡太湖学院 学士学位论文 4 调心球轴承 由于外圈滚道面呈球面，具有 自动调心性 ，因此 可以补偿不同心度和轴挠度造成 调心球轴承成的误差 ，圆锥孔轴承通过使用紧固件可方便地安装在轴上。 5 圆柱滚子轴承 圆柱滚子与滚道为线接触轴承。负荷能力大，主要承受径向负荷。滚动体与套圈挡边摩擦小，适于高速旋转。 径向负荷能力大，即适用于承受重负荷与冲击负荷，也适用于高速旋转的机构，大多用于机床主 轴。 6 圆锥滚子轴承 圆锥滚子轴承属于分离型轴承，轴承的内、外圈均具有锥行滚道。该类轴承按所装滚子的列数分为单列、双列和四列圆锥滚子轴承等不同的结构型式。单列圆锥滚子轴承可以承受径向负荷和单一方向轴向负荷。当轴承承受径向负荷时，将会产生一个轴向分力，所以当需要另一个可承受反方向轴向力的轴承来加以平衡。 。 7 调心滚子轴承 调心滚子轴承具有两列滚子，主要承受径向载荷，同时也能承受任一方向的轴向载荷。有高的径向载荷能力，特别适用于重载或振动载荷下工作，但不能承受纯轴向载荷。该类轴承外圈滚道是球面形，故其调心性 能良好，能补偿同轴度误差。 8 推力球轴承 推力球轴承采用高速运转时可承受推力载荷的设计，由带有球滚动的滚道沟的垫圈状套圈构成。由于套圈为座垫形，因此，推力球轴承被分为平底座垫型和调推力球轴承 hheey心球面座垫型两种类型。另外，这种轴承可承受轴向载荷，但不能承受径向载荷。 1.2.2 轴承圈 所谓轴承圈就是用来定位轴承滚子位置的一个装置，通常是钢制的，其 作用 是 ： 1 将滚动体固定在轴承圈内； 2 引导并带动滚动体在正确的滚道上滚动； 轴承 圈的加工直接影响轴承的好坏，而且纵向进给机构又是直接决定轴承圈质量的 主要 因素。 1.3 国内外 发展概况 新中国成立后，轴承工业进入了高速发展时期特别是改革开放以后。轴承是标准件，是全球互换产品，因此轴承行业的市场竞争不仅是本土市场，永远是国际市场。中国是全球轴承大国，但还不是轴承强国。 轴承生产 中纵向 进给 机构 的好坏直接 影响轴承的精度和质量的好坏 。 进给机构 两大主要 组成部分 为 是 驱动系统 和 导 向 系统 。 这 两部分的发展情况直接决定进给机构 的 发展水平。这 两部分 的发展情况如下。 常用 的导轨结构有 三 种 ： 滚动导轨 、静压导轨 和 金属 塑料滑轨 。 金属 金属滑轨 。滑动导轨 运动时会出现爬行现象 ， 由于 其动 静摩擦系数相差较大 。 运用 高耐磨的聚四氟乙烯 和金属为 摩擦副 的贴塑导轨 ，可 以 基本消除导轨运动时的爬行现象 因为 其 动静摩擦系数相差较小 。 摩擦系数 较 的 是 以滚动代替滑动 的 滚动导轨 ， 滚动 导轨通过 施加预负荷 来 消除间隙提高刚性， 实现 没有爬行 的运动 。 摩擦系数最小 的是 靠压力油把动静导轨分离 开来 的轴承内外圈加工专用机床纵向机构设计 静压导轨， 静压 导轨 运动灵敏，是目前精度最高的一种导轨。 作为进给系统的一部分机电驱动的技术水平已发生了重大变化。油缸推坡道 - 杠杆机构的第一代 ，使用步进电机凸轮杠杆机构的第二代；使用 步进电机 - 谐波减速器 - 滚珠丝杠 机构的 第三代进 给机构 ， 采用交流伺服电机 滚珠丝杠机构 的 最新一代 进给 机构 。 第一代用油缸推动斜面， 斜面 驱动杆摆动，以实现托盘 的 进给。 通过调节 斜面角度和液 体 流速来实现进给速度的调节 。 第二代 使用凸轮 代替斜面 使用 步 进电机 带动 凸轮旋转 步进电机驱动的凸轮的旋转 。 第三代 使用 步进电机 带动 谐波减速器 ，谐波 减速器带 动滚珠丝杆 实现进给 2。 1.4 本课题主要内容 本 课题 主要 内容包括 ： 1.对实际 生产 和 要求进行分析，制定出可行的 机构 设计方案 ； 2.对 机构的零件进行设计 ； 3.对 设计出的结构进行三维建模 ； 4.对 三维模型运动仿真 ，对 仿真结果进 行 分析 ； 轴承 内外圈在加工过程中 轴主要以人工控制加工为主，由工人的动控制进给量。 发生生产事故或者使加工零件报废 一般 发生在 工人长时间重复单一动作 的的 时候 。为了改善工作环境 ； 降低工人 的劳动强度； 提高生产效率和零件的精度。 轴承内外圈加工专用机床自动纵向进给机构 的 研制使其能真正代替人工 工作 。工人 只要 按动按钮。 此机构 的工作方式使其能 实现一人多机操作 ；可以使 大量工人从中解放出来 ；提高了加工精度；降低了企业生产成本；使企业更加有竞争力 ! 无锡太湖学院 学士学位论文 2 纵向自动进给机构设计 2.1 现有 机构及 生产要求的 分析 轴承套圈的车削加工是轴承生产中的一道重要工序，由于轴承热处理前、后均需加工，工作量大，尤其是对于小型及微型轴 承，对尺 求极为严格。一般轴承套圈精加工是通过车床进给机构的径向和轴向 进刀来完 成。依照满足大批量、高精度、高效率和低成本的原则，对现有车床结构进行改 造。 现有车床的夹紧及进给机构如图 2.1 所示。 轴承套圈的夹紧和定位 是 通过弹簧夹头来完成， 为了 完成对轴承套圈的车削加工 ， 使用 大托板 控制径向进给和小托板控制 轴向进给来 实现 刀架及车刀的移动 。其加工过程为 ： 用 弹簧夹头 将待加工轴承套圈夹紧 ；转动大托板调节 丝杠手轮，调节大托板至合适位置，使装在刀架上的车刀沿径向接近套圈 ； 旋转小托板 调节 丝杠手轮，带动小托板及刀架上的车刀沿轴向靠近套圈，并车削至工艺要求尺寸，完成套圈的车削加工 ；然后反向旋转小托板丝杠，使车刀离开已加工套圈 ； 松开弹簧夹头，卸下已加工套圈，完成一个套圈的一个车削加工。 此加工过程中， 为了 保证套圈上、下料有足够的空间 ，小托板离开套圈加工区域要有足够距离 。因此 ， 在 套圈装卸时小托板 要 尽量向右移动， 然而 小托板丝杠的螺距 比 较小，需要旋转很多圈才能 达到要求 。 虽然 此加工方法能够满足轴承套圈的工艺尺寸要求，但劳动强度大 、 加工时间长、效率低，不能满足批量生产的要求。 轴承圈一般是在 在常温下切割无缝管，然后通过车削导槽和端面而成。 轴承圈的 加工 工艺过程主要有： 剪料：按加工 要求 计算毛胚尺寸 并 在龙门剪床上剪切所需的管材。 车滚子导槽：在车床上采用专用夹具夹紧轴承圈，用专用刀具车削导槽。 车端面：在车床上采用专用夹具夹紧轴承圈，车削端面，一般 0.30.5mm。 轴承内外圈加工专用机床纵向机构设计 图 2.1 大、小托板螺旋进给机构示意图 2.2 整体设计方案 及 思路 本设计 采用 “ 大、小托板螺旋进给机构 ”为 设计原型 ，旋转扳手控制 进给和退刀 的 方法虽然能够满足 轴承套圈的工艺尺寸要求，但劳动强度大 、 加工时间长、效率低，不能满足批量生产的要求。 本 设计中 使用液压 驱动 如图 2.2 所示 ， 用前 、 后调节丝杆来调节机构的 进给量 和退刀量 ， 在 前 、 后丝杆调节机构中，都加入感应铁 ，起 到开关的作用 。工作时先 调节 好前 、 后 调节丝杆 到达需要的位置，然后 液压缸 推动台面板 运动 ， 台面板 到达指定位置，触动开关 ， 开关 将信号传递给 PLC 控制 系统，对机构进行控制。 图 2.2 机构 总设计方案简图 轴承内外圈加工专用机床纵向 进给 机构的 整体 设计思路 可以用如图 2.3 所示的框图形式直观的表达。 无锡太湖学院 学士学位论文 图 2.3 总体设计 思路图 轴承内外圈加工专用机床纵向 进给 机构 的的工作由两部分组成，首次加工一个尺寸的轴承圈时，工人根据待加工轴承圈需要加工的尺寸调节前 、 后调节丝杆，调节进给的的位置和进给量，调节好后， PLC 控制进给运动，对工件进行切削加工。 在下面 的论文中将 对方案中 将 对 各部分 进行 具体分析和设计计算，做出一套 真正 能够代替人工操作的高效纵向进给机构。 2.3 纵向进给机构各部分的设计与计算 2.3.1 纵向进给机构外形轮廓确定 目前， 迪克 机械 生产 的轴承圈加工机床 的主要生产设备主要采用迪克机械有限公司制造的 DK204 高速车床，如图 2.4 所示 其 详细参数如表 2-1 所示 。它是 降低成本 ， 提高加工精度 ，提高 生产 率的理想母机。电气采用 PLC 控制。 表 2-1 轴承内外圈加工专用机床主要技术数据 项目 要求 最大工件回转直径 90mm 最大车削长度 50mm 中心高 180mm 主轴头行程 10mm 主轴锥孔 -安装基准孔 100mm 主轴孔径 30mm 主轴转速范围 1200-1700 机床轮廓尺寸 1200*550*1760 主轴线与机床边缘间距 275mm 轴承内外圈加工专用机床纵向机构设计 续表 2-1 项目 要求 主轴箱距地面高度 1046mm 床头箱长度 327mm 加工直径 15mm72mm 加工宽度 3mm-40mm 图 2.4 DK204车床 由表 2-1可知， DK204 车床 机床轮廓尺寸为 1200*550*1760mm,需要 加工轴承圈直径为范围 15mm 72mm，纵向进给机构长度应在 550mm 以内，又根据油缸长度为 174mm，留一部分距离给调节丝杆，所以确定底板长度 311mm， 油缸高和宽为 110*110mm，考虑到安全 空间和可靠性等因素，所以确定底板宽和高为 120*150mm。 2.3.2 导向机构设计 针对 轴承圈套的加工批量大，导向机构需要高速 、 稳定 、 长时间的运动，设计出一套轴承圈加工专用导向机构。其中 C 形导向槽如图 2.5 所示，其左端为 4 个螺纹孔，通过螺栓与刹铁连接，将刹铁和导轨压紧。梯形导轨机构如图 2.6 所示。 导向 机构 机构的 配置不同以及导轨的 截面 形状不同 ，其摩擦阻力不同 。其摩擦力 的计算要根据具体的情况确定 。 本 纵向进给 机构采用的 导轨 截面形状为 梯形 ，导向 机构 安装在油缸 的后部，起 到 导引作用。导向装置的摩擦阻力 在 机构启动时 比 较大，计算如下 ： f mg （ 2.1） 式中： f 摩擦力； 摩擦系数； m 质量； 无锡太湖学院 学士学位论文 g 重力加速度 ； 已知 QT450 摩擦系数为 0.3 ，台面板及刀架质量约为 15kg。 由 公式（ 2.1） 得： 1 0 . 3 1 5 1 0 4 5f m g N 预紧力 100FN 21343s i n 6 0 0 . 3 1 0 0 2 621s i n 3 0 1 0 0 5 025 0 c o s 3 0 2 5 32 6 c o s 3 0 1 3 3= 4 5 2 5 3 1 3 3 = 6 6f F NF F NfNfN 总 图 2.5 C 型 导向槽 轴承内外圈加工专用机床纵向机构设计 图 2.6 梯形 导轨 2.3.3 驱动装置的选取 选择 什么样的 驱动装置 ， 需要考虑成本、 控制功能 、 稳定性、 性能规范 、 工作要求 、运动的功耗 、 维护的复杂程度 和 及现有条件等综合因素。目前 ， 有三 种 类型 的 驱动可 以 选择，分别为 气压驱动、 液压驱动、电力驱动。 1. 电力驱动 具有 的特点： 为了 达到调速的目的 ，可以 通过 控制脉冲频率 来 调节 电 动 机转动的 加速度和 速度 来 实现 。 因为 误差不会长期积累 所以 控制性能好。 电力驱动 使用方便 和 低成本 都是其他方式无法比拟的。 而且 它还是一种无污染的清洁能源 。 与其它驱动相比，电力驱动是 通用性与 系统性最强的 。 2.气压驱动的特点 ： 气压传动 没有 传动介质成本 ， 因为其 使用 取自大气 的压缩空气 。 所用 的气体直接排入大气中，不对环境造成污染 ； 配套 元件的 制造精度和元件材料的要求较低 ，因为 压缩空气的工作压力较低 ； 因为 空气的 黏度 很小， 在管 道内 流 动 压力损失比液体小 ， 所以 进行 远程传输和 集中供应 更 方便 ； 容易使用 、安全、维护简 单。 3. 液压驱动的特点有： 功率质量比大， 也就是说 ， 在 相同的功率下 ， 液压装置的 质量小、 体积小、工作平稳 、无级调速 。在 实现系统的 自动控制 和远程操纵 方面，可通过电器装置配合达到 ；过载保护和 方便 ； 标准化 、系列化 程度 比 较高，通用性好，便于选择使用，缩短设计、制造周期 1。 由于 本机构 的 运动为高速重载 ，而且留给该 进给 机构的 空间有限 ， 最终选用液压驱动是合理的，可行的，经济的，可靠的 。 根据已知条件， 切削进给力为 730N，导向机构摩擦力为 66N。所以选用 工作最大负载900FN ，工作压力 1.5P Mpa 可得 1.液压缸内径 D 和活塞杆直径 d 的确定： 已知 : 900FN ， 1.5P Mpa 无锡太湖学院 学士学位论文 4FDP （ 2.2） 式 中 ： D 直径； F 负载力； P 工作 压力 ； 由 公式 （ 2.2） 得 ： 4 4 9 0 0 281 . 5 1 0 6FD m mP 根据实际生产要求油缸内径选用 80mm 则22 23 . 1 4 8 0 502644DA m m 故必须进行最小稳定速度的验算，要保证液压缸工作面积 A必须大于保证最小稳定速度的最小有效面积 Amin 又： minmin minqA V （ 2.3） 式中： qmin 流量阀的最小稳定流量，由设计要求给出 ； Vmin 液压缸的最小速度，由设计要求给出 ； 由 式（ 2.3） 得 ： 23 36m i n/m i nm i nm i nm i n 1250m i n/102.1 m i n/105.18.0 2 mmmmmmLVqAm 故取 D=80mm，保证了 A minA 2.液压缸活塞杆直径 d的确定 ： 由已知条件取 d=25mm。 45钢的屈服强度 MPas 355 按强度条件校核： 4Fd （ 2.4） 式 中： d 直径 ； F 负载力 ； 屈服强度 ； 由 公式 （ 2.4） 得 ： 3 3 314 4 9 0 01 0 1 0 2 . 5 1 0355 2Fd 所以符合要求。 轴承内外圈加工专用机床纵向机构设计 3.液压缸壁厚的确定 液压缸的壁厚由液压缸的强度条件来计算。液压缸的壁厚一般指缸筒结构中最薄处的厚度。从材料力学可知，承受内压力的圆筒，其内应力分布材料规律因壁厚的不同而各异 。一般计算时可分为薄壁圆筒和厚壁圆筒。 本设计按照薄壁圆筒设计， 采用无缝钢管 其壁厚按薄壁圆筒公式计算为： 2DPy （ 2.5） 式 中： P 承受 的 压强 ； D 直径 ； 壁厚 ； 拉伸 应力 ； 由 公式 （ 2.5） 得 ： pypy pppp 5.1)5.125.1( ，取 M P ap y 4.26.15.1 1 0 0 1 1 0 M p a （无缝钢管），取 100Mpa 2 . 1 6 3 0 . 6 62 1 0 0 mm 由计算的公式所得的液压缸的壁厚厚度很小，使缸体的刚度不够，如在切削加工过程中的变形，安装变形等引起液压缸工作过程中卡死或漏油。所以用经验法选取壁厚：5mm 4. 缸体外径尺寸的确定 缸体外径尺寸的 计算 缸体外径 1 2 8 0 2 0 . 6 6 8 1 . 3 2D D m m 查机械手册表：外径 1D 取 90mm 5.缸盖厚度的确定 缸盖 有效厚度按强度要求可用下式进行近似计算： 3 . 7 5 4 . 51000 . 4 3 3 0 . 4 3 3 8 0 6 . 7 0 7 . 3 4Pt D m m （ 2.6） 式中： D 缸盖止口内径 (mm)； T 缸盖有效厚度 (mm)； T 6.7mm 6.