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机械毕业设计全套

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JX02-013@GBW92外圆滚压装置设计,机械毕业设计全套

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I 摘要 本说明书详细介绍了车滚压的加工原理，而且以活柱筒为例，详细设计了一个用于活柱筒外圆加工的车滚压装置，最后仔细分析了本装置的适用范围和经济价值等内容。 活柱筒的外圆加工通常采用 (车 磨 )等工序，但是本装置采用一种新的方法 滚压加工，来实现外圆表面的粗糙度的要求， 而且 滚压加工还有提高工件硬度、耐磨性、耐腐蚀性等 在切削加工中无法得到的特性。 本装置只需对普通车床加以改造，把大托板上的刀架换成本装置，就可以实现精密加工的效果。本装置适用于几乎所有外圆表面加工，而且对那些对表面有较高要求的工件，更能发挥出本装置 的优势。本装置是一种工艺装备，而且结构简单，对于一般的厂家都有能力自行设计并制造出适合其产品的车滚压装置。 关键词：车滚压、外圆、滚子、粗糙度 nts II Summary The specification expounds the lathing-grinding processing principle, takes Inner prop drum as an example in designing a lathing-grinding device used in outer-circle processing of Inner prop drum in details, and at last anatomizes the application scope and economic value multiplied with other information of this installation. The outer-circle processing of Inner prop drum usually uses a working procedure, called Lathing Grinding and so forth. However, this device mentioned above adopts a new way named Rolling processing, aiming at achieving the requests of coarseness degree of outer-circle, improving the unobtainable characteristics of the workpieces in the process of Cutting, such as hardness, abrasive resistance as well as tarnish resistance and so on. The precision finishing could come into effect as long as the engine lathes are reconstructed and the tool holders on the splints are exchanged with the Lathing-Grinding, which could apply to every outer-circle surface processing and moreover make full use of it with reference to those workpieces whose surface processing calls for a higher demand. Almost every ecumenical manufacturer could have the capability to produce suitable lathing-grinding devices all by themselves, because this device, as technological equipment, is of simple configuration. Key words: Lathing-Grinding、 Outer-circle、 Roller、 Coarseness degree nts 目 录 摘要 Summary 第 1 章 绪论 1 1.1 选题意义 1 1.2 滚压加工的概况 1 1.2.1 滚压加工的概念 1 1.2.2 滚压加工的原理 1 1.2.3 滚压加工的特点及其应用场合 2 1.2.4 滚压加工的分类 2 1.3 本文主要研究内容 4 第 2 章 设计方案的确定 5 2. 1 设计参数 5 2. 2 设计方案的确定 5 第 3 章 工作参数的选择 7 3.1 滚压力 7 3.2 过 盈 量 7 3.3 滚压速度 8 3.4 滚压进给量 8 3.5 切削用量 8 3.6 工件原始表面质量 9 3.7 冷却液 9 第 4 章 主要结构的确定及校核 10 4.1 滚子设计及计算 10 4.1.1 滚子的设计 12 4.1.2 滚子的失效分 析 12 4.2 滚压器的尺寸计算 13 4.3 轴承的选择及计算 15 4.3.1 轴承的受力分析 15 4.3.2 轴承寿命计算 16 4.4 导轨的选定 16 4.5 其余结构的确定 17 nts 4.5.1 滚压过盈量的调节机构 17 4.5.2 吃刀深度的调节机构 17 4.5.3 车刀的选用 17 4.5.4 挡屑装置 18 4.5.5 冷却装置 18 第 5 章 外圆滚压加工注意事项 19 第 6 章 车滚压的加工效果 20 6.1 尺寸精度和表面粗糙度 20 6.2 金属内部的物理变化 20 6.3 表面性能的变化 21 第 7 章 车滚压装置的用途 22 第 8 章 经济价值分析 23 结论 24 致谢 25 参考文献 . 26 专题 快速制模技术 27 附录 1 36 附录 2 42 nts - 1 - 第 1 章 绪论 1.1 选题意义 对于活柱筒的外圆表面加工，按照传统加工方法 (车 磨 )，虽然也能够满足设计要求 ，但是，随着产量的增加，设备需要量也加大，辅助时间加长。在这种情况下，我们可以利用 CA6140 等普通车床，加装一种外圆车滚压装置。该装置 对外圆柱面同时进行切削和滚压加工，能获得一定的精糙度和抗疲劳强度。 通过这个装置，不仅可能稳定地控制了活 柱筒的表面质量，而且提高了加工效率 ,进而降低了生产成本。 1.2 滚压加工的概况 1.2.1 滚压加工的概念 滚压加工是 用滚柱滚压金属表面，将表面凸起部分碾压到凹陷部分，加工成平滑如镜的表面。与切削加工不同，滚压加工是一种塑性加工。 滚压加工的工件不仅表面粗糙度瞬间可以达到 Ra0.1 0. 8m，而且由于加工硬化提高其耐磨耗性的同时疲劳强度提高 30%，拥有在切削加工中无法得到的特性。由于可简单而低成本的进行零部件的超精密加工，滚压加工日益被以汽车产业为首的精密机械、化学、家电等产业广泛应用，发挥其优势。 1.2.2 滚压加工的原理 图 1-1 滚压加工原理图 如图所示，根据金属变形的理论，工作表面在外力的作用下，被滚压金nts - 2 - 属的原子间距离会暂时发生变动或晶粒间产生滑移。当外力达到一定数值时，被加工表面金属除产生弹性变形外，还会有塑性变形（即金属的残余变形）。由于塑性变形，不仅零件被加工表面的形状发生了变化，而且，其组织结构和物理性能也发生了变化，使金属被滚压层的组织变得紧密。晶粒变细、晶粒形状也沿着变形最大的方向延伸。同时在被滚压金属表面层内产生极大的压缩应力，使金属表面得到强化，提高了表面层的硬度；熨压平了 微观不平度，大大降低了零件的表面粗糙度。被滚压金属表面的强度极限、屈服极限和疲劳极限行也都有所提高，但其相对延伸率和冲击强度则有所降低。这就使零件的抗腐蚀能力有所增加，使用性能也得到了改善。 滚压加工时，在碾入区域滚柱将与切削加工面接触并渐渐加压，在塑性变形区域接触压力超过材料的屈服点，产生局部塑性变形。在滚柱下端最大负载作用后，在平滑区域开始弹性复原，滚柱渐渐与加工表面分离。 在滚压器的滚压下，工件表面的不平度波峰和波谷被熨平和填平，故在一定的有效范围内，提高了工件的加工精度。 1.2.3 滚压加工的特点及其 应用场合 1.滚压加工的特点 滚压加工是一种无屑光整加工方法。它是在常温状态下，利用硬材料（如淬火钢、硬质合金以及红宝石等）制成的工具，对被加工零件表面施加一定的压力，使表面层金属产生塑性变形，改变金属表面层的组织结构和物理性质，以达到光整表面，校正工件几何形状，提高加工精度的目的。由于滚压的结果，零件表层金属中产生了极大的压缩应力，因而强化了表面层金属，提高了强度极限、屈服极限和疲劳极限，使用零件表面产生一层冷硬层，增加了其耐磨性和谢腐蚀性能。从而，改善了零件的使用性能。 2.滚压加工的应用场合 滚压加工 常用于加工内圆表面、圆柱面、圆锥面、开式圆弧表面、丝杆螺纹表面、齿轮齿形表面和平面以及一些不易加工的特殊形状表面等到。工件的材料可以是钢、铸铁或有色金属。 滚压加工工艺简单，易于掌握，又不需要昂贵的专用设备，大、中、小型工厂企业均可采用，适用性强，是一种生产效率高能保证产品质量，提高经济效益的加工方法，具有较高的应用价值。 1.2.4 滚压加工的分类 nts - 3 - 1.滚压加工的分类 滚压加工在目前还没有统一的分类方法。按加工原理大致可分为单珠（柱）式滚压加工、多珠（柱）行星式滚压加工、旋风式滚压加工、脉冲式滚压加工、轮式 滚压加工、镗滚压复合加工以及车滚压复合加工等。 单珠（柱）式滚压加工主要用于外圆、内孔、平面和丝杠螺纹表面的滚压加工，多珠（柱）行星式滚压加工主要用于直径较大的内孔表面的加工；旋风式滚压加工主要用于外圆表面的加工，特别是用于细长杆圆柱表面的加工，效果更为显著；脉冲式滚压加工用于内孔表面加工，并能加工不通孔和非对称间断表面类型的孔，对于壁厚不均匀的内孔，采用脉冲式冯压加工，能获得较细的内孔表面粗糙度和较高的精度；轮式滚压加工用于大直径深孔的加工，对于直径大于 400mm，孔深超过去 10m 的大直径深孔，采用轮式滚压加工，能获得较理想的内孔表面粗糙度和精度；镗滚复合加工用于内孔加工，深孔加工特别常用。 2.车滚压加工 车滚压加工是由车滚压机床来实现的，车滚压机床主要由滚压器、车刀架、顶尖、冷却系统和普通车床组成，其中车刀架位于滚压器前，车刀紧挨着滚压器，使车削滚压同时顺序进行。 3.车滚压的加工条件 (1)加工前表面 由于滚压加工是利用滚柱碾压的加工方法，所以加工后的表面粗糙度受凸起部分的高度及形状（即加工前状态）的影响。 如果加工前表面状态粗糙（凸起部分高，凹陷部分深），则不能将凸起部分完全添埋凹陷 部分，造成加工表面粗糙。 另外，凸起部分的形状也影响加工后的表面。由车床或镗床单点切削得到的规则的凹凸形状，且为容易碾压的高度时，可得到最理想的表面。一般加工前的表面状况越好，加工后的表面状况越好，同时滚压头的磨耗也少。如果需要，可增加一道工序。 (2)加工前尺寸 由于滚压加工是利用滚柱碾压的加工方法，所以加工前后工件的直径将发生变化（内径将扩大，外径将减小）。为了能加工到尺寸公差范围内，应考虑这个变化量决定前工序的尺寸。直径的变化量与工件的材质、硬度、滚压量有关，所以最初进行 2 3 次试加工 后决定其尺寸。 (3)驱动机械 nts - 4 - 滚压加工与切削加工不同，不需大扭矩，小功率 车 床也可以使用。 (4)加工部分的壁厚 滚压加工是用滚柱滚压加工部分的表面，使其致密化。所以，为了能够承受加工压力，待加工部分应有充分的壁厚（内径的 20%）。壁厚太薄或部分薄时，加工后将发生起伏或真圆度下降。 通常按以下方法解决这个问题： 减少滚压量； 利用夹具支撑外周； 在削薄壁厚以前实施滚压加工。 (5)加工部分的硬度 滚压头可加工的工件硬度上限值为 40HRC，但是也特制加工高硬度工件(硬度 上限值为 55HRC)用的滚压头。滚压加工高硬度工件时，加工部分由于承受压力大，工具寿命缩短。所以为得到所需精度的加工面，主要措施是减少滚压量。 (6)转速和进给量 向右旋转滚压头进行滚压加工；也可固定滚压头，工件旋转也可得到同样结果。转速与进给速度根据加工直径不同而不同。 4.车滚压加工的优点 一、滚压效率明显高于磨削，而且质量稳定； 二、造价低，调整方便，减少辅助时间； 三、滚压后表面得以强化提高活柱简的使用寿命，经济效益显著。 1.3 本文主要研究内容 一、采用合理的结构，同时进行车削和滚压 加工； 二、 设计 合适的 滚子以及所需的相关的计算； 三、采用合理的冷却系统； 四、采用有效的微量进给系统； 五、采用合理的结构便于机械的安装、维修和调节。 nts - 5 - 第 2 章 设计方案的确定 2.1 设计参数 设计内容： 活柱筒的外圆加工 工件材料： 27SiMn 加工方法： 车滚压 加工要求： 外径为 00.08792 mmf -内径为 75mm 粗糙度 Ra0.8 m 直线度为 0.04mmf 选用机床： CA6140 2.2 设计方案的确定 活柱筒外圆的车滚压加工是用车滚压机床来实现的，车滚压机床就在普通车床加装车滚压装置，车滚压装置是由车刀和滚压器组成的，车刀在滚压器前面，使车削滚压同时顺序进行。装置后面用一特殊的堆堵用来同车床卡盘一起定位活拄筒，此外还有冷却系统是用来降低车削和滚压温度的。 如下图所示，该装置安装在车床大托板的燕尾槽导轨上，其车削动作是由摇动车刀架手柄实现的，摇动手柄使车刀径向进给或后退，并按安装在车刀架上的百分表指示来控制加工尺寸，保证滚压余量。滚压动作是由均习分布的滚子来实现的，滚子被支承架限制在等分的 圆周上，工作时径向滚压力由跑道承受，因滚子在 360度圆周上均布，使向心力具有自动定心作用，滚压力的轴向分力则传给套，再通过止推轴承传给轴承套，轴承套通过调整螺母传递给外壳。跑道内孔有个小锥度，通过调整螺母调节滚子在跑道上的相对位置，从而实现微量调节。工作时，车床主轴上的卡盘卡住活柱筒不用加工的一头，工件的另一头用与工件加工要求的尺寸一致的一个特制的长锥堵顶着。长锥堵的长度应略长于滚压装置，这样当滚压完毕后可以把滚压装置完全退到锥堵上，以便换件，继续下一个工件的加工。为了防止车削过程中铁屑和冷却液四外飞溅， 在前后加装挡板，为了便于在加工过程中观察加工情况，把位于可视车削过程的部位换成一个可方便打开的挡板。 nts - 6 - 图 2-1 车滚压装置简图nts - 7 - 第 3 章 工作参数的选择 3.1 滚压力 滚压力是滚压过程中的主要参数，滚压力的大小直接关系到工件表面的变形程度和加工效率，滚压力的确定是比较复杂的，因为影响滚压力的因素很多材料的强度和硬度越高，原始表面粗糙度值越大。滚压元件直径越大，进给量越大，则滚压力相应的也越大。滚压力选取过大 ，滚压后粗犍度不但得不到降低，相反会引起表面金属疲劳，出现起皮现象。滚压力的选择是有一定范围的 ，直观的办法是调节滚压量来控制滚压力的大小，并根据滚压后的零件表面粗糙度来判断滚压力是否合适。 3.2 过 盈 量 滚压过盈量的选择，原则上应尽量使用较小的滚压力，保证精度和粗糙度的要求。选择过盈量不仅要考虑工件的塑性变形量，而且要考虑到工件在半径方向上的弹性变形量。活柱筒外圆滚压装置的安装尺寸为被加工圆柱筒的最小尺寸。以尾座孔活顶尖外套直径来调整滚柱所在圆直径，每次调整到滚压试件的尺寸及粗糙度满足要求后，再投入批量生产。 根据文献 1，滚压的过盈量按下式选取： pet h h eD = + + D式中： tD 过盈量，滚压前滚子的对刀尺寸与车刀对刀尺寸之差； ph 压下量，滚压后轴径实际尺寸与滚压前车刀对刀尺寸之差； eh 弹性恢复量，在挤压作用下， tD 高度内，一部分金属产生塑性变形产生ph，一部分产生弹性变形eh。 eD 扩张量，其大小与机床工艺刚度，切削用量（ Vfg ）大小，工件的外形是否规则，弯曲度大小有关。 根据不同的工件材质，ph、eh、 eD 选取不同数值，根据 文献 1，过盈量一般选取 tD =0.150.25mm 为宜，后面就以 tD =0.25mm 来计算。 nts - 8 - 3.3 滚压速度 滚压速度对加工表面的粗糙度及强化程度的影响不大，增大滚压速度可提高生产效率。但速度过高会引起振动，同时还会增高工件与工具的温升。经过多次试验 ,将活柱筒滚压速度定为 72 78m min。 3.4 滚压进给量 图 3-1 进给量与残留高度的关系 进给量是滚压加工中的主要工艺参数它直接影响到滚压后工件表面的粗糙度和加工效率。从中可以看出，决定残留高度 h 的因素为滚压元件圆弧半径 R 和进给量 ,进给量愈小 ,则表面残留高度 h 愈小。因此，较小的进给量有利于降低表面粗糙度，但进给量增大可提高生产率。由于滚柱滚压接触面积较大 ,能承受较大滚压力 ,可选取较大的进给量。通过试验，对进给量的选择一般为 f=(0.01 0.02)dmm r，取 f=0.3mm r 试验效果良好。 3.5 切削用量 有关试验证明，加工高强度低合金结构钢 27SiMn 时，欲保证高质量、高效率条件下刀具的耐用度（ t=40min） ,选用普通硬质合金刀片远远满足不了要求，刀具常因过大磨损导致轴的粗造度值上升，故采用 YW2、 726 等普通硬质合金涂层刀 片，能取得满意的效果。 根据文献 1记载，切削深度为 pa=23mm。由于切削和滚压是同时进行的，二者必然是同一进给量和切削（滚压）速度。所以车刀切削速度 也为nts - 9 - 72 78m min， 已知工件直径为 92mm,转化为转数 n=250270r/min,查CA6140 主要技术参数可得，相应的转数 V 有 250 r/min，所以滚压时选取车床转数为 250r/min， 进给量取 f=0.3mm r 即可。 3.6 工件原始表面质量 活柱筒材料是 27SiMn，调质硬度 HB270 310,因而可塑性较差，如果滚压前加工表面过于粗糙，滚压力大，将导致滚柱磨损，影响滚压质量。一般滚压预加工表面粗糙度以 Ra6.3 m 最佳。 3.7 冷却液 合理选择使用冷却润滑液，可使切削温度降低至约 150C，使切削力降低 15一 30，提高刀具和滚柱的使用寿命，并能清除切屑和减小摩擦，从而提高滚压质量。通常选用一般的防锈乳化液为宜，可由车床水泵供给，但应有沉淀过滤装置，保持乳化液的清洁。 nts - 10 - 第 4 章 主要结构的确定及校核 4.1 滚子设计及计算 4.1.1 滚子的设计 1.滚子的选择 常用的滚子有滚珠、圆柱滚子和圆锥滚子等。滚珠仅用于滚压力较小，生产率低及刚性差的工件滚压；圆柱滚子由于没有滚压后角，加工时金属层塑性变形的条件比较恶劣，圆柱在加工中处于滚动旋转连带进给的运动状态，因此常在加工表面产生滑移，留下滚柱后缘的进给压痕，加之摩擦力较大，影响了加工表面质量，且一般径向不能调整；圆锥滚子是在克服圆柱滚子缺陷的基础上发展的一种滚压工具，其优点是：由于存在滚压后角，使滚柱与工件表面加工中易于形成“水滴”状压痕，宽度方向在前，向后渐窄，这样不仅避免了挤压时塑性材料 流向加工表面形成加工中易于形成的鱼鳞状堆积，而且还可防止滚柱后沿在已加工表面所产生的进给压痕，使孔加工质量得以改善，其次锥柱滚子加工时与工件表面的实际接触面积较大，故能承受圈套的滚压力，选用的较大的进给量，生产率比用圆柱滚子为高。相比而言，圆锥滚子优点较多，故本滚压装置采用的是圆锥滚子。 2.滚子的尺寸的确定 下图为圆锥滚子的结构图： 图 4-1 滚子结构 滚子直径及圆弧半径 会影响 加工表面的 质量： 滚子直径越大，滚子接触nts - 11 - 工件表现积越大，塑性变形不充分 ； 当滚子直径及圆弧半径过小时， 则 会给加工表现留下压痕。 根 据文献 1P6 有： 已知 =92mm孔D； = 0 . 1 0 9 2 0 . 1 3 9 2 9 . 2 1 1 . 9 6d m m= 创 = :孔柱 （ 0 . 1 0 0 . 1 3 ) D 取 =10d mm柱； = 1 5 3 5 m mL柱 取 =25mmL柱 ； 取 2a=?； ( 0 . 1 2 0 . 1 4 ) = 0 . 1 2 2 5 0 . 1 4 2 5 = 3 3 . 5R L m m= 创: : :柱 取 3R mm= ； 1 ( 2 3 ) 3 ( 2 3 ) 5 6L R m m= + = + =: : :取1 5.5L mm=。 3.滚子的材料的确定 由于滚子所处的工作环境要求硬度高和耐磨性好，所以本装置采用的滚子材料为 9SiCr。 9SiCr 属于合金工具钢，也是一种冷作模具钢，该类钢淬透性好，耐磨性高，具有回火稳定性，但加工性能差，硬度值（ HRC）不小于62。适用于形状复杂、变形小、耐磨性要求高的低速切削刃具，如钻头、螺纹工具、手动绞刀、搓丝板及滚丝轮等；也可以做冷作模具，如冲模、打印模等，此外，还用于制造冷轧辊，矫正辊以及细长 杆件。 4.滚柱数目的确定 滚柱的数目按活柱筒外径不同取相应的值。滚柱数目的多少，不仅影响着活柱表面的加工精度（粗糙度），也影响着生产率。在一般情况下，进给量与滚柱数目成正比，滚柱数目与生产率成正比。但是滚柱数目过多，又增加了装配的难度，即各滚柱周向最低点尺寸应保持在同一平面的同一圆周上。滚柱数目可按以下两条原确定。 (1）尽量采用偶数滚柱 采用偶数，滚柱径向成对作用的力易使加工中工具定心，可减少其走偏，提高被加工圆柱的直线性。 nts - 12 - (2）当被加工件的直径 60mmf 时 ，取 n=46 个；当 6 0 1 2 0mmf : ，取 n=68 个，当 1 2 0 2 5 0 mmf : 时，取 n=1012 个。已知活柱筒的直径92mmf = ，最终选取滚子数为 6 个。 4.1.2 滚子的失效分析 虽然滚子在工作过程中存在磨损，但是由于所选的滚子材料有及好的耐磨性，在其还没磨损到失效时已经发生了另外一种失效 接触疲劳破坏。当承受载荷的球或滚子在平面上运动或曲面上运动时，会在滚动接触状态下发生疲劳，这种失效现象称 为接触疲劳。接触疲劳的特征是相互接触的滚动零件，在高的接触压力作用下，经过一定周期的接触应力循环后，在工作表面的局部地区产生小片或小块剥落，形成麻点或凹坑，使零件在工作中产生噪音、磨损、振动及温升，从而导致零件失效。以下是对滚子的疲劳校核： 滚子在加工过程产生的作用力 P，该作用力存在下列公式： 2221 8 ( )phR l H B=其中 h 滚压厚度，已知 h = tD =0.25mm； 1R 滚子半径，已知1R=5mm； l 滚子实际工作长度，可知 l 10mm； HB 工件材料的硬度，查文献 10可知， 27SiMn 的硬度为 HB240280，取 HB =260kg/ 2mm 2600N/ 2mm 。 代入公式有 2220 . 2 5 8 5 1 0 2 6 0 0p= 创 ?，得 p =36770N 接触疲劳一般按最大接触压力0p进行疲劳设计，根据文献 7P228P22有0p的计算公式： 0 2pp blp=nts - 13 - 式中 b 接触面尺寸，其公式为 122 21 2 1 21 2 1 2114 R R v vbpR R E Ep轾 骣 - 犏 =+犏 + 桫犏臌式中 1E，2E 弹性体 1， 2 的弹性模量，1E=2E= 52 10 N/ 2mm ； 1R，2R 两圆柱半径，1R=5mm 2R=46mm； 1v，2v 弹性体的泊松比，1v=2v=0.3 代入公式中得， b=1.39mm 故 0p=332 3 6 7 7 01 . 3 9 1 0 1 0 1 0p-创创 =1685MPa 查文献 7表 9-7 可知经淬为处理的钢许用接触压力 0P1917 MPa，由于0p0P，所以接触疲劳强度满足要求。 4.2 滚压器的尺寸计算 图 4-2 加工示意图 上图中的 D 就是滚压器的尺寸，就是滚子间的安装后的尺寸，这个尺寸nts - 14 - 还是可以调节的，以下计算的是最理想的情况，仅作为调试的参考，图中0D是滚压前的尺寸，也就是车削后应达到的尺寸，同样也是作调试的一个参考。D 是滚压后的弹性加复量。 2D 为公差值中值尺寸，也是加工后的理想尺寸。已知 加 工尺寸为 00.08792 mmf -，则2D=91.9565mm。 可知滚压前的尺寸 41 1 202 2 2 2218 . 1 9 4( ) ( )RRD D R aE H B R Rs= + +-式中 1s 接触应力，bs为材料的抗拉强度，查文献 10可知， 27SiMn 的bs=100kg/mm 1000N/ 2mm ，且1s=1.5bs=1500 N/ 2mm ； HB 工件材料的硬度，查文献 10可知， 27SiMn 的硬度为 HB240280，取 HB =260kg/ 2mm 2600N/ 2mm ； E 弹性模量， E= 52 10 N/ 2mm ； Ra 工件滚压前的表面粗糙度，一般取 Ra =6.3 m ； 1R 滚柱半径，已知1R=5mm； 2R 工件的外径，有2R=46mm； 代入公式有 40 5 2 2 28 . 1 9 1 5 0 0 5 4 69 1 . 9 5 6 5 4 0 . 0 0 6 3( 2 1 0 ) 2 6 0 0 ( 4 6 5 )D创 ?= + + ?创 ? 91.98mm 可知滚压器的尺寸 ( )( )1 2 2 322 232 R R RD D D E R Rs -= - D = - +式中 3R 工件的内径，有2R=37.5mm nts - 15 - 代入公式有 ( )( )52 1 5 0 0 4 6 4 6 3 7 . 59 1 . 9 5 6 5 2 1 0 4 6 3 7 . 5D 创 ?=- 创 +=91.886 mm 4.3 轴承的选择及计算 4.3.1 轴承的受力分析 从滚压原理可知，止推球轴承的受力来没有支源于滚压加工的轴向反作用力，所以先分析滚子滚压受力情况，如下图所示 : 图 4-3 滚子受力分析 其中 Fz=36770N, 且有zxFF =2.3 故 Fx= 367702.3=16857N 从图上可知，滚压中产生一个径向力 Fz 和一个轴向力 Fx，其中径向力 Fz基本都通过跑道传到壳体上，而轴向力通过安置一个推力球轴承，从而把轴向力 Fx 传递到壳体上。从上面简图上，我们可以看到支承推力球轴承的套比较长，而且不应与工件有摩擦，所以在后头还需用一个深沟球轴承来保证同轴度。该深沟球轴承基本没受什么力，相比而言，推力球轴承要比深沟球轴承寿命要短多了，所以下面只计算推力球轴承的寿命。 nts - 16 - 4.3.2 轴承寿命计算 1滚动轴承的基本额定寿命计算公式 6101060hCLhnPe骣 = 桫式中 10hL 以小时数（ h）表示的轴承的基本额定寿命； n 轴承工作转速，已知 n =250r/min； C 基本额定运载荷，查文献 9P923，可知推力球轴承 51124 的基本额定运载荷 C=62.5kN； P 当量动载荷； e 寿命指数，对球轴承 e =3，滚子轴承 e = 103。 2滚动轴承的当量动载荷计算 当量运载荷的一般计算公式为： ( )p t aP f X F Y F=+ 式中 pf 载荷性质系数，查文献 9表 6-1-19 有，pf=1.4； tF 轴承所受的径向载荷，有tF=0； aF 轴承所受的轴向载荷，有aF=16857N； X 径向系数，查文献 9表 6-1-20 有， X =0； Y 轴向系数，查文献 9表 6-1-20 有， Y =1。 代入公式有 1 . 4 1 1 6 8 5 7P = 创 =23600N 有 36101 0 6 2 5 0 06 0 2 5 0 2 3 6 0 0hL骣 =? 桫=1238h 如果每天工作 8 小时，则 5 个月一换轴承。 4.4 导轨的选定 nts - 17 - 因为本装置是安装在车床的大托板的燕尾槽导轨上的，所以外壳与大托板相联接的燕尾槽尺寸必须以大托板上的燕尾槽尺寸相配合。但是此处联接为固定联接，不是为了导向，所以可不设镶条来调隙，而用一个紧定螺钉来限制壳体在大托板上的运动。此外，因本装置还有个车削装置 ，所以还需一个导轨，由于尺寸受限，所以还是选择燕尾槽导轨。燕尾槽导轨的特点是：制造复杂，磨损不能自动补偿，用一根镶条可调整间隙尺寸，尺寸紧凑，调整方便。主要用于要求高度小的部件中，车床的刀架也用这种导轨。 4.5 其余结构的确定 4.5.1 滚压过盈量的调节机构 滚压过盈量的大小在主要取决跑道内孔的加工尺寸、滚子的尺寸以及车刀加工后的余量。在这些大的尺寸都确定后，还一个设计可以微量的调节过盈量。就是在跑道内孔加工一个小锥度，这样就可通过调节调整螺母的位置来调节滚子在跑道上的相对位置，从而实现微量调节。跑道承受着 滚子传递来的滚压力，磨损比较严重，故有耐磨性好的铬轴承钢 GCr15。 GCr15 的硬度为 170 207，其特点是耐磨性高，淬透性好，疲劳寿命高，一般经淬火、低温回火后使用，淬火后冰冷处理，可保证高尺寸精度，氰化处理可进一步提高耐磨性、耐热性、疲劳强度及尺寸稳定性。用于制造大型机械的轴承钢球、滚子和套圈，还可制造弹性极限、高耐磨、高接触疲劳强度的较大负荷零件，在该装置中可作为易损件，一旦失效就另换一个。 4.5.2 吃刀深度的调节机构 本装置有需要有一个可以实现刀具进退，还可微量调节的装置。进退刀仍采用传统机床 的刀具进给装置，用一手柄加一高精度螺纹配合来实现进退刀，用一燕尾槽导轨来导向，再加一个百分表来实现微量调节。由于车刀在加工过程中不需要对反复地进刀、退刀，吃刀量的大小对滚压的效果的影响，吃刀量太大车削表面精糙大，影响滚压效果；吃刀量太小，增大了滚压的负担，也有可能影响滚压效果。所以在通常情况下，刀具是通过多次试加工而找出效果最好的位置，一但刀具位置确定，基本在后续加工中就不再调整。百分表作用就是用于刀具的位置的微量调节。 4.5.3 车刀的选用 nts - 18 - 上文提到，车刀用的是 YW2、 726 等普通硬质合金涂层刀片，刀杆选 用20 20mm。为了提给紧接的滚压加工提供更好的条件，对车刀的有如下要求： 一、刀具主偏角为 75，这样切削较厚，易于断屑，另外刀头磨有断屑台，保证断屑； 二、刀头的前角、后角、偏角都比较小，增加了刀尖强度； 三、刀尖磨有 0.5mm 圆角，起过渡和修光刃作用，同时付偏角较小，使刀痕的峰谷较平缓，利于滚压。 4.5.4 挡屑装置 因为存在切削动作，而且还有冷却液，所以在装置前后都设置挡板，前罩要以后罩大些。为了可以方面观察车削的状况，把前罩挡住视线的那一块独立出来，用一个铰链连接，再加个手柄，这样就方面随时打开 观察。挡板材料采用碳素结构钢 Q235，其焊接性能好，常用于金属结构件，心部强度要求不高的的渗碳或氰化零件，拉杆、连杆、吊钩、车钩、螺栓、螺母、套筒、轴及焊接件，可用于重要的焊接结构。 4.5.5 冷却装置 由于加工过程中速度不是很高，所以对冷却系统没有很高要求，用CA6140 的冷却装置就可以了，冷却液有乳化液就可以了。用车床的水泵给装置提供一定压力的乳化液，可以冲掉铁屑，而且需要有沉淀过滤装置，保持乳化液的清洁，减少不必要的磨损。 nts - 19 - 第 5 章 外圆滚压加工注意事项 一、外滚压加工配套设备精度要求：车床主轴径向 跳动在 0.04mm 以下 ,尾架中心与主轴中心同轴度要求 0.03mm。车床导轨刚性要求较高，其直线度为 0.06mm/m。这样才能保证滚压加工尺寸精度和表面精度的稳定性。 二、滚压加工中要使用冷却液。一般采用乳化液来降低滚压加工过程温度和冲掉工件外圆表面的屑末，特别是当车削滚压联合使用时，要以一定的压力进行冷却润滑，并冲掉车削下来切屑。否则，这些切屑会夹杂到滚压装置中去，影响滚压加工效果，甚至划伤滚压装置的滚柱，使滚压加工无法进行。 三、滚压加工中途不宜停车。不然，滚压装置中的滚柱会在工件停留处压出一道环形槽 而无法消除。若遇到特殊情况一定要停车时，应及时退出滚压装置。 四、 提高工件表面粗糙度， 有利于 滚压加工效果。在预加工粗糙度达Ra1.6 时，只要过盈量合适，粗糙度可达 Ra0.2 以上。但当预加工粗糙度只有 Ra6.4 Ra3.2，加工表面有振动乱刀纹时，那么较深的刀纹不能被滚压光，这只有增加过盈量再次滚压。如果孔的椭圆度和锥度过大，滚压后上述缺陷仍然存在，同时粗糙度大。因此，预加工表面最好小于 Ra3.2，几何精度在一、二级以上，能获得小的粗糙度，较理想的精度。 五、 滚压的次数不宜太多。一次滚压效果最为显著，可降低粗 糙度 2 3级。二、三次次之。 车滚压一般就加工一次，如果效果不理想，也是调结其它参数。 nts - 20 - 第 6 章 车滚压的加工效果 6.1 尺寸精度和表面粗糙度 事实试明，用该装置滚压后，尺寸能稳定地控制在轴的尺寸公差范围内，而且表面粗糙度也能稳定达到。滚压时，滚柱将零件表面的波峰压下，产生塑性变形，填入波谷中去，从而使表面粗糙度提高。如下图所示： 图 6-1 滚压时零件表面情况 影响表面粗糙度的主要因素： 一、原始表面质量：滚压前车削的表面质量必须 达到 Ra3.2 m 以上，且要求整个表面均匀、平整、无划伤，经滚压后才可以 保证加工件达到粗糙度 Ra0.8 m。 二、滚压过盈量：过盈量的大小直接影响着金属的变形。过盈量太小不能使原始表面的波峰压下去，达不到理想的粗糙度；过盈量太大，零件表面局部应力很大，以到长超过材料本身的强度，造成零件表面破裂、剥落，反而破坏了表面粗糙度。 三、加工零件的材料机械性能：主要是材料的硬度及延伸率。一般软而塑性好的材料比较容易提高表面粗糙度，宜采用较大的滚压过盈量。 6.2 金属内部的物理变化 在车滚压加工过程中，车刀的车削作用使加工面产生了冷加工硬化，滚nts - 21 - 压使原有的金属表面进一步产生塑性变形，冷加工硬 化程度加强，改变了表层金属材料的机械性能（屈服极限、强度极限提高，延伸率、冲击韧性降低）。一般冷硬层的厚度在 1.5mm 左右，冷硬层的硬度分布为表层最硬，约比心部提高 25 左右，延壁厚方向硬度向心部递减，直至与心部硬度相同。 金属表面经过滚压加工以后产生了塑性变形，变形随深度的增加而减少。塑性变形区再往里是弹性变形区，当外力消除后，变形也就消除了。在塑性变形区中，表层产生很大的残余压缩应力。 6.3 表面性能的变化 经过车滚压装置加工的零件的表面耐磨性、耐蚀性和疲劳强度均的提高。以下介绍表面性能提高的原因。 耐 磨性提高的原因：零件表面经过滚压以后，表层产生冷作硬化现象，表面硬度提高。经过滚压后的表面有较大的支承面积，表面的承载能力加大。零件表面经过挤压，初磨损很小。滚压加工过的表面，其波峰形状特别有得产生稳定的油膜，有利于润滑。 耐蚀性提高的原因：零件表面经过滚压以后，表面晶粒细化 ，组织致密，使化学反应不易产生并不易沿晶界深入。 表面强度提高的原因：工件滚压后的表面形成有利的残余压缩应力，减少表面应力集中现象。表层的硬度、强度提高。 nts - 22 - 第 7 章 车滚压装置的用途 本工艺装备的用途是加工外圆柱面，让车、滚压一次完 成，从而缩短加工工时，此外经过 滚压加工的工件不仅表面粗糙度瞬间可以达到 Ra0.10.8m ，而且由于加工硬化提高其耐磨性的同时疲劳强度提高 30%，拥有在切削加工中无 法得到的特性。 滚压加工能解决目前某些工艺方法不易实现的关键问题。例如对特大形缸体的加工。 滚压加工使用范围广，在各大、中及小型工厂均能使用 ，因为在所有零件的设计中，圆柱形结构是比较常用的，对于对表面有较高要求的轴或筒类零件一般都能用车滚压加工 。不论是从加工质量、生产效率，生产成本等方面来看，滚压加工都是一项比较优越的加工方法。在某些方面，它完全 可代替精磨、研磨、珩磨等光整加工。 车滚压装置只算是工艺装备，并不适合批量生产，其只能算一个专用加工设备，除了加工外圆表面，基本没有其它用途。而且其工艺范围还是有限的，现在一些有更高精度要求的处圆表面光有滚压加工就难以实现了。虽然市场上没有相应的产品，但是车滚压是由普通车床改装而成的，结构也比较简单，一般工厂都有能力自行改装，所以这种技术的推广还有有前途的。 可以看出，一些对圆柱表面有精糙度、耐磨性以及抗疲劳强度要求的零件，最适合采用车滚压加工。目前，在单体液压支柱活柱筒外圆的加工中，不少厂家均采用车滚压的 方法，一些轴类零件的加工，特别是长轴类零件，也有采用车滚压加工的。 nts - 23 - 第 8 章 经济价值分析 对于粗糙度要求 Ra0.8 m 的外圆加工有多种加工方法都能实现，例如粗车 精车 粗磨 精磨、粗车 精车 滚压、粗车 珩磨等。零件的经济价值主要体现在设备成本和加工效率两个方面，下面依次与车滚压相比较： 粗车 精车 粗磨 精磨共有四道工序组成，而车滚压只需一道工序，项多在车滚压前加一道粗车工序，所以前者使用的设备明显多于车滚压，而且车滚压的加工时间要比者少多了 ,而且磨削的加工不稳定。 粗车 精车 滚压是把车削和滚压分开 加工，而且采用的滚压装备及方式还有所不同，常用滚压器进行滚压加工，其加工质量远比不上车滚压，而且加工效率也比不上车滚压，因为该种滚压器滚压通常要滚压二到三次。从车设备成本上两种差别不大。 粗车 珩磨，工作效率要比车滚压低些，但是要求的设备要比车滚压高些。因为珩磨需要珩磨机，而车滚压只须普通车床即可。 经过比较可以看出，车滚压无论在设备成本，还是加工效率上都其优势，而且车滚压加工的表面还具有一定的抗疲劳性和抗腐蚀性等优点，故在产品销售上更有优势，总的来说车滚压还是有较大经济价值的。 某厂采用本方法加工单体液压 支拄的活柱筒外表面，质量好，尺寸稳定，误差在 0.001mm 范围内，表面粗糙度可达到 Ra0.4 0.2。该厂组装了 4 台这样的滚压器，使产品的年产量达到 10 万根以上。生产效率有了很大的提高，收到了很好的经济效果。 nts - 24 - 结论 在绪论中已经把滚压加工的原理和分类等介绍了很详细了，滚压加工在加工质量上还是有其优势的。车滚压装置充分利用了滚压加工的特点，而且利用现在比较常见，甚至可以说有点过时的普通车床加以改造而成，可以加工出较好质量的产品，这也算是一种对资源的充分利用。 由于车滚压中只对车床主轴的跳动有明确的要求， 所以只要车床不是因为主轴跳动满足不了加工要求而报废外，其它原因导致的报废机床完全可以用来改造成车滚压加工装备，而且加工效果不会有什么影响，这也算是一种对废物的再利用。 现今外圆加工往往采用 (车 磨 )等工序，但是本项目的创新之处在于其采用滚压加工来实现外圆表面的粗糙度的要求，这样不仅可以比通常采用的(车 磨 )工序更省时，而且所加工的圆柱面还具有一定的抗疲劳强度。工厂生产的目的在很在程度上就是为了利润，如何用最低的成本制造出最好的产品是工厂最关心的，一般情况下这两者是相互矛盾的。但是车滚压装置却能比较好实现了这 个目标，我想这就是本装置的最大优势。 事实证明，车滚压在实际应用能收到了良好的效果，它车削削、滚压平稳，被加工缸体表面质量稳定，完全达到了图纸的要求，而且它还具有效率高、耐用度高、结构合理、工序集中、辅助时间短、操作方便、劳动强度低等优点，因此车滚压装置还是有