（机械制造及其自动化专业论文）高精度重型回转顶尖及其过盈装配工艺研究.pdf

哈尔滨工业大学工学硕+ 学位论文 摘要 随着科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0 9 、0 5 1 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p 6 0 s 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，把减少加工过程中项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 的双列圆柱滚子轴承、双向推力角接触球轴承及高精度的顶失体；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 哈尔滨工业大学丁= 学硕士学位论文 a b s t r a c t i n t e r f e r e n c ef i ti su s e dm o r ea n dm o r ew i d e l yi nm o d e r np r o d u c ea st h e t e c h n o l o g yd e v e l o p sa n d t h e h i g h - t e c hp r o c e s s e s a r e g r e a t l ya p p l i e d i n m a n u f a c t u r i n g r e s e a r c h e so ni n t e r f e r e n c ef i ta r ea l s oi n c r e a s i n g l ys t u d i e d t h e s o l u t i o n sf o rt h es h o r t a g eo fc o n t a c t i n gl e n g t ha l o n gt h et o o t hd i r e c t i o na n dt h e i n s t a b i l i t yi nt h ec o n t a c t i n ga r e aa f t e rf i n i s h i n gh o b b i n gw e r es t a t e di nt h i sa r t i c l e ， w h i c hi st h em a i nd e f e c to f0 9 ，0 5lb i ga n g l eh e l i c a lg e a r sw i t hw i d eh e r r i n g b o n e i np r o d u c i n gf a c t si nf a c t o r i e s t h eh i g hp r e c i s e g e a r sc a nb ea s s u r e dt o b e m a c h i n e d t h ea c t u a lp r o b l e m so fl o w p r e c i s i o nr e s u l t e df r o mr o t a t i n gc e n t e ra n dd e a d e n do fp e s t l er e s u l t e df r o mf i x e dc e n t e ra n dt h eu n a s s u r e dh o b b i n gq u a l i t yw e r e a i m e d t h er e a s o n so ft h ee r r o rg e n e r a t i o nd u r i n gt h ec o u r s eo fg e a r - h o b b i n g w e r ea n a l y z e d r e d u c i n gt h ec e n t e rr a d i a lr u n o u tw a st a k e na st h em e t h o dt o r a i s et h eg e a r - h o b b i n gp r e c i s i o n n eh i g hp r e c i s i o nr o t a t i n gc e n t e rw a sd e s i g n e d b a s e do nt h ea n a l y s i so nt h ef a c t o r sw h i c hi n f l u e n c e dt h ec e n t e rr a d i a lr u n - o u t m a n ym e t h o d so fi n t e r f e r e n c ef i t w e r es t u d i e di n t h i ss u b j e c tt oa s s u r et h e r e l i a b i l i t yi nt h ea s s e m b l yo ft h ec e n t e r a n dt h et h e o r yo fi n t e r f e r e n c ef i tw a s a n a l y z e d a n dc o m p a r e dw i t ht h ee x p e r i m e n t s a n a s s e m b l i n gs c h e m ew a s d e s i g n e dc o m b i n e dw i t ht h ed e s i g n i n gr e q u e s ta n dt h ea s s e m b l yo ft h eh i g h p r e c i s i o nr o t a t i n gc e n t e rw a sf i n i s h e df o l l o w i n gt h eo p e r a t i n gr e g u l a t i o n s t h es t r u c t u r eo ft h r e eb e a r i n gp o i n t sw a su s e di nt h ed e s i g n d o u b l e r o w r o l l e rb e a r i n g s ，d o u b l e r o wc e n t r i p e t a vf o r c eb a l lb e a r i n g sa n dt h eh i g hp r e c i s e c e n t e r sw e r eu s e d a x i a l t i g h t e n i n g o fd o u b l e r o wr o l l e r b e a r i n g s a n d i n t e r f e r e n c ef i tb e t w e e nt h ec e n t e r sa n dt h er o t a t i n gp a r t sw e r ea p p l i e di nt h e a s s e m b l yt or e d u c et h ec e n t e rr a d i a lr u n - o u t a l lt h ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so ft h en e wc e n t e ra r ew i t h i nt h ed e s i g n i n g p e r m i s s i v er a n g ea f t e rf a c t u a lm e a s u r i n ga n dr e a c ht h ed e s i g n i n gr e q u e s t k e y w o r d si n t e r f e r e n c ea s s e m b l y ；r a d i a lr u no u t ；r o t a t i n gc e n t e r ；h i g hp r e c i s i o n 1 i 晴尔滨t 业大学工学烦十学位论文 1 1 顶尖综述 第1 章绪论 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o o t 5 m m ，锥面着色检查时，接触面不应少于7 0 。精密顶尖：圆 锥表面径向跳动不大于o 0 0 5 m m ，锥面着色检查时，接触面不应小于9 0 ，且 接近于大端i l 一1 。 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n # i - 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： 哈尔滨工业人学工学硕士学位论文 f 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1 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【4 】。 f 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 ，8 j 。按照结合面的不同，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 的孑l 端和被包容件的顶端都要适当倒角f 一般倒角5o l oo ) 【9 】o 哈尔滨工业大学工学硕十学位论文 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： f 1 ) 可实现较小直径的装配； f 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； f 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轧钢机械、 螺旋浆尾轴等。 过盈联接的缺点是结合面加工精度要求较高，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l l 。 ( 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 业大学工学碗_ l 学位论文 还应注意几个问题，1 2 】： ( 1 ) 为改善加工和装配工艺，结合长度不易过长。结合长度，一般不应超 过结合直径d ，的1 6 倍，即长径比f ，d ， 1 0 5 ； 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1 0o 。 ( 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【1 3 】。 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 哈尔滨工业人学工学碗j 学位论文 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【l 。 2 0 世纪9 0 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2 0 0 0 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【1 11 6 1 。 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m ”j 。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 19 2 0 。现代生产中，应用过盈联接的范围r 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1 2 1 ，2 2 1 ，并尽可能简化过盈联接的计算方法【2 3 ，以促进本国制造 业的发展。 人类社会的历史跨入2 1 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【2 4 1 ，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 2 “。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 ，”j 。 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p 6 0 s 滚齿机能够加 工出高精度的齿轮，针对固定项尖存在拉毛、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0 9 、0 5 1 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0 9 、0 5 1 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 堕! ：鎏三些尘兰三耋璧圭兰篁丝兰 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： ( i ) 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。 但) 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 胀法装配和压入法装配的不同。 ( 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t 业大学工学硕 ：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，项尖轴中心线与顶尖体中心线之间就会有夹角鼠；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0 2 。由于夹角岛和0 2 的作用，将会使顶尖在旋 转时产生角度摆动，进而影响项尖的精度。 ( 2 ) 轴承径向跳动对顶尖精度的影响轴承的径向跳动对项尖端部中心的偏 移的影响如图2 1 所示。 b ) 图2 - i 轴承径向跳动对硕尖端部的影响 f i g 2 - 1r a d i a lr u n o u t si n f l u e n c eo nt o po f t h ec e n t e r 图2 一l a 所示为前端轴承径向跳动对顶尖端部位移的影响，图2 1 b 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，点、暖分别代表前端轴承和后端轴承的径向跳动量，乃、儿 哈尔滨工业人学：r 学硕 学位论文 分别由前、后端轴承径向跳动引起的顶尖端部的位移。 部位移与前端轴承径向跳动量的关系为： 胪半点 顶尖端部位移与后端轴承径向跳动量的关系为： 胪孚最 从图中可以看到顶尖端 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 设顶尖在轴承径向跳动作用下的位移为少，当舅、赐为同方向时有： y 嘲奶= 华西+ 孚也= 4 + 孚( 蕾+ 疋) ( 2 - 3 ) y = y l + y 2 = _ 4 + 7 嘎= d l + 了( 鱼+ 6 2 j z 一3 当m 、乃为反方向时有： y = y l - - y 2 i = i a 厂+ l 匹一孚嘎l = l 点+ 了a ( 点一蕊) 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 ) 减小顶尖体轴承子l 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项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歹线接触，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 芝玺鎏三些查兰三兰竺。，：兰竺兰兰 关系如图2 - 2 所示。 从图2 - 2 中可以看出， y l = s i ，坎z o ，此时有： y = m + y 2 = 4 ( 2 - 5 ) ! 一l - - 一一一 a )b ) 幽2 - 2 烈列支承时轴承径向跳动对顶尖端部位移的影响、 f i g 2 - 2r a d i a lr u n o u t si n f l u e n c eo nt o po f t h ec e n t e r w i t hd o u b l e - r o wr o l l e rb e a r i n g s 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。 f 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、提高顶尖精度的目的。 ( 4 ) 增加顶尖的刚度，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孑l 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j i m 切削力计算 滚齿加工中切削用量有切削速度v 、轴向进给量六、滚齿深度。等，切削 用量的选择应根据工艺系统的剐度、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工、和低的切削速度v ，精加工 哈尔滨丁业大学工学硕，l 学位论文 时，则应尽量选小的五和高的切削速度v 。对于滚齿深度a 。，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 4 m m ，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。在中等轴向迸 给量( = o 5 6 m m r ) 、中等切削速度( v = 1 0 7 0 r e r a i n ) 的条件下，滚削中等模 数( m = l - l o m m ) 的齿轮时，平均滚齿力矩m 。，和最大滚齿力矩肘。可按下式 计算1 2 8 , 2 9 1 ： m 。，= 3 9 2 m 17 5 五o6 5 a o8 1 v 。02 6 严7 k l k 2 k 3 ( 2 - 6 ) m 。，= 8 9 2 m 17 5 工o6 o8 1 v 心z 。2 7k 1 k 2 k 3 ( 2 - 7 ) 式中州齿轮模数，( 哪) ； 厂轴向进给量，( m m r ) ； 爿切削深度系数，是切削深度a 和齿高的比值，a = 口。h ： 本设计中，口。= ( 2 h + + c + ) m = 2 2 5 x 4 5 ，a = 1 。 v 切削速度，( m m i n ) ： k 工件齿轮齿数。 局，娲巧与工件材料、硬度、螺旋角有关的修正系数。其值见下表。 表2 - 1 工件材料修正系数表 t a b l e2 - 1e m e n d a b l ec o e f f i c i e n to f t h ew o r k p i e c em a t e r i a l 工件材料硬度毋) 晶 丁件材料硬度( h b ) k t 4 5 钢 2 2 0 l 3 8 c ：r m o a l a2 6 5 1 2 4 4 0 c r2 2 l】0 6 w 】8 c r 4 v 3 1 81 6 8 q 8 2 6 91 1 19 c r l 82 6 21 2 5 表2 - 2 工件硬度修正系数表 t a b l e2 - 2e m e n d a b l ec o e f f i c i e n to f t h ew o r k p i e c eh a r d n e s s ： 件硬度i 1 8 02 0 02 2 02 4 0 i 2 6 02 8 03 0 0 恐 ji 0 5 1 0 3 l j 1 1 8 j 1 1 3 j 1 0 7 1 表2 3 齿轮螺旋角修正系数表 7 f a b l e2 3e m e n d a b l ec o e f f i c i e n to f t h eg e a r s h e l i c a la n g l e 圆周力吃( 主切削力) 计算： k ，= 2 m a v 一 o 。= 2 m m a x 以 式中谚、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 ( 2 8 ) ( 2 9 ) 滚刀：z 。2 1 ；以2 1 5 6 m m ；= 4 0 r m i r av o = r c d o n o 1 0 0 0 = 1 9 6 m m i n 。 齿轮： z = 1 4 1 ； m = 4 5 m m ；p = 4 2 。；口- - 2 0 。；屯= 8 6 7 3 m m ： d = 8 5 3 8 0 4 r n m 。 材料：3 0 c r n i 3 m o a ，h b = 2 0 6 。 切削深度：。取全深。 进给量：= 0 6 3 m m r 。 ( 2 ) 最大切削力计算： 修正系数选择k i 依据表2 - 1 材料成分及硬度，估选取1 2 4 ：k 2 选取 1 0 3 ；k 3 取1 2 0 由式( 2 7 ) 可知： w 。= 9 2 x 4 5 。5 x o 6 3 n 6 xl “8x1 9 6 4 8 x1 4 1o 。7 1 2 4 x1 0 3 x1 2 1 # 2 4 7 in m 滚刀圆周删力：。= 毕a o = 舞等- 3 1 6 n1 ) o l u 。 被加工齿轮受力为： 圆周力： e = 巴。= 3 1 6 7 9n 径向力： f 2 南t a i l 口n = 器t a n z 咋mn 轴向力： 以2 艺t a n p = 3 1 6 7 9 x t a n 4 2 。= 2 8 5 2 4n 喻尔滨工业大学t 学硕士学位论文 2 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，气、弓、艺分 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。 7 二 图2 - 3 被加t 齿轮受力圈2 4 被加1 ：齿轮受力简图 f i g 2 ：3s t r e s sa n a l y s i so f m a c h i n e dg e a r sf i g 2 - 4s t r e s sa n a l y s i ss k e t c ho f m a c h i n e dg e a r s g = 1 0 1 0 3 9 8 = 9 8 0 0n f r 一= f r = 1 5 5 1 5n f x = 2 8 5 2 4n 兄= 3 1 6 7 9n 如= 碍+ ( g + e ) 2 = 1 3 0 6 0 4n 通过屹和x 轴作- - 平面x z 7 ，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x z 7 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： s i n 6 0 。x ，= ，2 式中顶尖对工件的作用力。 坠垒鎏三些尘兰三兰堡；! 兰堡篁圣 工件对顶尖的压力为昂，昂一屹。 f ，：生：t 1 3 0 6 0 4 ：7 5 4 0 4n “ 2 s i n 6 0 。 3 = f i ) x c o s 6 0 。= 7 5 4 0 4 。= 1 = 3 7 7 0 2n 塌。= 昂s i n 6 0 。_ 7 5 4 0 4 孚_ 6 5 3 0 2 n 图2 - 5x z 7 平面内滚齿加工受力简图 f i 9 2 - 5s t r e s sa n a l y s i ss k e t c ho f h o b b i n go np l a n eo f x z 顶尖承受的扭矩： m z d = 只d 2 ：2 5 8 2 4 x 8 5 3 8 0 4 2 1 0 - 3 = 1 1 0 2 4n m 径向力： 轴向力： 峨= 疋d 2 = 3 1 6 7 9 8 5 3 8 0 4 2 1 0 = 1 3 5 2 4 n m f r = 昂h 2 6 5 3 0 2n l 【2 + 巧2 3 7 7 0 2 + 2 8 5 2 4 ：6 6 2 2 6 n 1 3 矿一 哈尔滨工业大学工学硕：i ：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：e = 7 0 0 0n ； 轴向力：f x ：7 0 0 0n 。 ( 2 ) 顶尖端部径向跳动量：厂家要求不大于0 0 0 5 m m 。 ( 3 ) 工作转速：0 2 5 r m i n 。 2 3 2 总体构造方案的确定 高精度重型回转项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，中制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 页共轴前喘袖季中间轴晕后端轴荦顶尖体 图2 - 6 高精度重型回转顶尖结构简图 f i g 2 - 6s t r u c t u r es k e t c ho f h i g h - p r e c i s eh e a v yr o t a t i n gc e n t e r 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 0 0 5 m m 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4 0 c r 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 哈尔滨t 业大学t 学颂士学位论文 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 5 3 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，但由于球与滚道问存在微量间隙，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，或特别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个支点上或分装在两个支点上成对使用1 3 q ”j 。 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p “。 根据以上原则，结合顶尖的工作条件( 低速o 2 5 r r a i n ) 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1 0 的轴承发生点 蚀破坏，而9 0 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 1 06 r 为单位) 或在一定转数下工作的小时数为轴承的寿命【3 3 1 。根据使用要求 确定的寿命：l 。= 2 0 万小时，滚动轴承的额定动载荷用c 代表。 哈尔滨工业人学工学硕i 二学位论文 圈2 7 项尖轴承的选择 f i g 2 - 7s e l e c t i o no f c e n t e rb e a r i n g s ( 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口4 】： c = - p 6 0 n 要o h v 1 0 式中p 一当量动载荷，p = 一= 7 0 0 0 n ： f 轴承寿命指数，对于滚子轴承s = 1 0 3 ； ”轴承转速，胛- o 2 5 r m i n ； 三，帖一轴承的基本额定寿命，l m = 2 0 万小时。 代入数值得：c l = 9 7 3 2 n 查手册选n n 3 0 1 7 k ， c a = 9 6 5 0 0 9 7 3 2n ( 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： o 一坠 、f1 0 6 式中：p 一当量动载荷，对于角接触双向球轴承来说，p t 凡 s 轴承寿命指数，对于球轴承s = 3 。 代入数值得：g = 1 0 0 9 6n 查手册选2 3 4 4 1 7 b ，c r = 4 4 5 0 0 1 3 5 5 7 n 。 ( 3 ) 后支承使用圆柱滚予轴承n n 3 0 1 2 k 。 佗一1 0 ) ( 2 - 1 1 ) 哈尔滨工业人学工学硕，l 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 尾座锥孔尺寸的限制，参照已有顶尖及经验，选前支承轴径d ，= 8 5 m m ，后支 承轴径d 2 = 6 0 m m 。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d = 6 5 m m 。 y 图2 - 8j 贞尖的文冰 f i g 2 - 8s u p p o r t i n go f t h ec e n t e r ( 2 ) n 尖支承刚度计算当顶尖所受到的径向力f 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r a 和，刚度为k a 和k 8 ，则前 后支承的变形以和以分别为： 瓯= 軎； ( 2 - 1 2 ) 如= 惫； ( 2 _ 1 3 ) r a = c ( 1 + 导) ，( 2 1 4 ) 式中4 顶尖前端悬伸量； ，项尖前后轴承间的跨距。 r 口= f ，a ； ( 2 1 5 ) 顶尖端部的总挠度为： y = 爰+ 和+ 百k a 矿 a 2 了2 a + i 】 哈尔滨t 业大学工学硕1 j 学位论文 式中五顶尖轴的轴惯性矩，l 。专 聊所4 。 由上式可知，当宰：o 时，挠度为最小值，此时的跨距为最佳跨距f 0 ，此 簧+ 击阿+ 卺卜等卜争一o 3 e i k a ”k 8 ”l i 。l i 。 整理后得： 茗一嚣f 0 一詈o + 冷。( 2 - 1 7 ， 可以证明此方程有唯一的实根，但解这个；b - 程比较麻烦，可以用计算线图 玎2 订 代入式2 - 1 6 得： 节钳。南 ( 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，项尖 的悬伸长度为l o o m m ，初选f 0 a = 1 5 ，此时： 兄2 7 0 0 0 。( 1 + 去) = 1 1 6 6 7n r - 7 0 0 0 。素_ 4 6 6 7 n 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f r 作用下的径向弹性位移瓯 可以用下式计算阢3 6 1 ： 坑= 0 0 6 矿2 5 f r 。s 9 3 ( 2 - 1 8 ) k ：竽( 2 1 9 ) 哈尔滨工业，k 学工学硕士学位论文 代入数值得： 皖o5 7 1 6 5p i n = 4 1 9 9 岬 k = 1 6 2 8n l n 蜀= 1 1 1 l n m m 生：1 6 2 _ _ 8 8 ：1 4 6 5 k 6 l l l l 假设顶尖的当量直径为前后直径的平均值：d = ( 8 5 + 6 0 ) 2 = 7 2 5 m m 因此有： ，7 ：曼：! ! 殳：! ! 塑：! ! ；! 生：o 1 2 4 叩2 i 了2 1 甄丽再而丽2 u 1 2 4 查跨距图可知： ，0 a = 1 5 左右，因此最佳跨距f 0 = 1 5 a = l o o x l 5 = 1 5 0 m m 。 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： =罴(+)=砑7000 x1002 x 1 0 6 ( 1 0 0 + 1 5 0 ) = 0 0 2 0 5nlltly lax1 0 0 0 2 0 5n l l t l= i + ) = f () 弛o 。 3 x 2 1 0 1 0 9 ! ：! ! ! ! ! ：兰= 6 4 ( 4 ) 校验y = o 0 2 0 5i t i i l l o 0 0 0 2l = o 0 0 0 2x15 0 = 0 0 3 m m 顶尖的冈0 度符合设计要求。 2 3 5 顶尖材料的性能 4 0 c t 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 8 5g c i l l 3 在痧= 8 0 l o o m m 时，调质后，经8 5 0 淬油，5 0 0 6 0 0 回火，其纵向1 2 半径处物理机械性能如下： 材料屈服点盯。= 6 0 0 7 5 0 m p a ，抗拉强度以= 8 0 0 9 5 0 m p a ，硬度 h b = 2 2 9 2 6 9 ，弹性模量e = 2 1 0 g p a ，室温下线性膨胀系数a = 1 1 1 0 一，导热 率且= 4 3 9 6 w ( 1 1 1 k ) ，泊松比v = 0 3 0 ( 2 8 1 2 5 ) 。 哈尔滨工业人学工学硕卜学位论文 2 4 本章小结 本章对滚齿加工中向影响径向