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題目： 軸承內(nèi)外圈加工專用機床 車架與主軸箱設(shè)計 信 機 系 機 械 工 程 及 自 動 化 專 業(yè) 學(xué) 號： 0923118 學(xué)生姓名： 崔譯元 指導(dǎo)教師： 彭勇（職稱：副教授） （職稱： ） 2013 年 5 月 25 日 無錫太湖學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 誠 信 承 諾 書 本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計（論文）軸承內(nèi)外圈加 工專用機床車架與主軸箱設(shè)計是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨立進行 研究所取得的成果，其內(nèi)容除了在畢業(yè)設(shè)計（論文）中特別加 以標(biāo)注引用，表示致謝的內(nèi)容外，本畢業(yè)設(shè)計（論文）不包含 任何其他個人、集體已發(fā)表或撰寫的成果作品。 班 級： 機械 93 學(xué) 號： 0923118 作者姓名： 2013 年 5 月 25 日 無 錫 太 湖 學(xué) 院 信 機 系 機 械 工 程 及 自 動 化 專 業(yè) 畢 業(yè) 設(shè) 計 論 文 任 務(wù) 書 一、題目及專題： 1、題目軸承內(nèi)外圈加工專用機床車架與主軸箱設(shè)計 2、專題 二、課題來源及選題依據(jù) 該課題來源于某機床制造企業(yè)為提高加工過程的機械化和自動 化水平，提高效率，降低工人的勞動強度，降低企業(yè)成本的需求。 軸承內(nèi)外圈車加工機床是針對企業(yè)發(fā)展需要，針對軸承內(nèi)外圈 車加工而設(shè)計的專用機床，此床應(yīng)用功能簡單，性價比高，適用于 生產(chǎn)線加工。 此課題主要是設(shè)計機床車架和機床主軸箱。機床車架是一臺機 床“骨骼”，一臺機床是否可以運作平穩(wěn)，所有機構(gòu)零件能否裝配 合理都要取決于車架的設(shè)計。而做為整臺機床的動力傳輸機構(gòu)---主 軸箱，則為機床能否順利生產(chǎn)提供了保障，為不同的生產(chǎn)要求提供 支持。 三、本設(shè)計（論文或其他）應(yīng)達到的要求： 根據(jù)設(shè)計要求和對設(shè)計資料的理解，查閱相關(guān)中外資料。 根據(jù)設(shè)計要求運用二維、三維建模軟件,對軸承內(nèi)外圈加工專用機 I 床車架與主軸箱進行設(shè)計。 完成總體設(shè)計、設(shè)計計算，繪制裝配圖和零件圖。 完成裝配,并對機構(gòu)進行運動仿真分析。 閱讀和翻譯英文文獻。 撰寫畢業(yè)設(shè)計論文。 四、接受任務(wù)學(xué)生： 機械 93 班 姓名 崔譯元 五、開始及完成日期： 自 2012 年 11 月 12 日 至 2013 年 5 月 25 日 六、設(shè)計（論文）指導(dǎo)（或顧問）： 指導(dǎo)教師簽名 簽名 簽名 教 研 室 主 任 學(xué)科組組長研究所 所長簽名 系主任 簽名 2012 年 11 月 12 日 II 摘 要 本文研究的題目是軸承內(nèi)外圈加工專用機床車架和主軸箱設(shè)計。該課題來源于某機 床制造企業(yè)的軸承內(nèi)外圈加工專用機床生產(chǎn)線改造項目，對于一臺機床而言，機架猶如 “骨骼”一樣支撐著整臺機床，而主軸箱則猶如“心臟”一樣為整臺機床提供不竭動力。 本著主軸箱功能單一、輸入功率利用高、車架結(jié)構(gòu)簡單、布局合理的原則，對主軸 箱和車架進行了相關(guān)尺寸設(shè)計并運用 UG 軟件對零部件進行三維建模、虛擬裝配和運動仿 真。 主軸箱設(shè)計部分完成對主軸部件的尺寸設(shè)計與強度校核、皮帶輪的選用、軸承的選 用與壽命計算、鍵銷的選型與強度較核以及主軸箱內(nèi)的其他零件設(shè)計。車架設(shè)計部分由 于是非標(biāo)部件，故采用類比同類機床的設(shè)計經(jīng)驗，結(jié)合結(jié)構(gòu)簡單，布局合理的原則對車 架進行尺寸設(shè)計，最后介紹車架的焊接技術(shù)。 在完成尺寸設(shè)計后，根據(jù)尺寸并運用 UG 軟件完成相關(guān)零部件的建模，將所有零部件 進行虛擬裝配，最后利用 UG 的仿真模塊對主軸箱進行運動仿真，分析仿真結(jié)果，得出結(jié) 論，進而完成整篇論文書寫。 關(guān)鍵詞：主軸箱；車架；三維建模；虛擬裝配；運動仿真 III Abstract The title of this article is designing the frame and the headstock of the special machine tool for machining bearing inner and outer ring. The study is based on a project for transforming the production line of the special machine tool for machining bearing inner and outer ring of a manufactory. The frame is just as “skeleton” to support the whole lathe, and the headstock just as “heart” to offer an inexhaustible driving force for a lathe. To achieve the goal of the single function and to improve high utilization for input power, I designed the headstock . The frame has simple structure, and reasonable layout. I would design the related measurement of headstock and frame by using UG software. Then I would use UG to do 3D modeling, virtual assembly and motion simulation. The part of designing the headstock would complete the design of the measurement and strength check, selection of pulley, the selection and the life calculation of the bearing, key pin selection and strength check, and other parts in the headstock. The frame is non-standard part. According to the experience of the similar machine tool, and combined with simple structure and rational layout of the principle , I designed the frame. At last, I introduce the frame welding technology. According to the size, I used UG software to complete the related parts modeling, virtual assembly. Then I did the simulation motion, analyse the results for the conclusion, and complete the whole writing. Keywords: headstock; frame; 3D modeling; virtual assembly; motion simulation IV 目 錄 摘 要 ...........................................................................................................................................III ABSTRACT ..................................................................................................................................IV 目 錄 ..............................................................................................................................................V 1 緒論 .............................................................................................................................................1 1.1 車架與主軸箱設(shè)計的背景與目的 .......................................................................................1 1.2 軸承內(nèi)外圈車削加工國內(nèi)發(fā)展歷史及現(xiàn)狀 .......................................................................1 1.3 車架和主軸箱設(shè)計的意義 ...................................................................................................1 1.4 研究內(nèi)容、預(yù)期目標(biāo)及研究方法 .......................................................................................2 2 總體方案設(shè)計 .............................................................................................................................3 2.1 車架的類型 ...........................................................................................................................3 2.2 主軸的類型 ...........................................................................................................................3 3 主軸箱設(shè)計 .................................................................................................................................5 3.1 主軸箱的概述 .......................................................................................................................5 3.2 主軸的概述 ...........................................................................................................................5 3.2.1 主軸的用途和分類 ........................................................................................................5 3.2.2 主軸的材料 ....................................................................................................................5 3.3 主軸主要參數(shù)設(shè)計 ................................................................................................................5 3.3.1 概述 ................................................................................................................................5 3.3.2 主軸平均直徑 D 的確定 ...............................................................................................6 3.3.3 主軸內(nèi)孔直徑 D 的確定 ...............................................................................................7 3.3.4 主軸懸伸量 A 的確定 ...................................................................................................8 3.3.5 主軸支承跨距 L 的確定 ................................................................................................8 3.4 電動機的選擇 .......................................................................................................................8 3.5 主軸的傳動設(shè)計 ...................................................................................................................8 3.5.1 轉(zhuǎn)動方式概述 .................................................................................................................8 3.5.2 皮帶輪設(shè)計 .....................................................................................................................8 3.6 鍵的選擇與校核 .................................................................................................................11 3.6.1 概述 ...............................................................................................................................11 3.6.2 鍵的強度計算 ..............................................................................................................11 3.6.3 鍵的尺寸設(shè)計 ..............................................................................................................13 3.7 軸向定位 .............................................................................................................................13 3.8 主軸的軸承選擇和配置 .....................................................................................................13 3.8.1 概述 ..............................................................................................................................13 3.8.2 軸承的選擇 ..................................................................................................................13 3.8.3 軸承安裝方式 ..............................................................................................................14 3.8.4 軸承的預(yù)緊 ..................................................................................................................14 3.8.5 圓錐滾子軸承校核 ......................................................................................................14 I 3.9 軸的校核 .............................................................................................................................16 3.10 軸上其他零件的設(shè)計與選擇 ...........................................................................................20 3.10.1 滾動軸承的密封裝置 ................................................................................................20 3.10.2 主軸箱前前端蓋 ........................................................................................................20 3.10.3 主軸箱前后端蓋 ........................................................................................................20 3.10.4 主軸箱后前端蓋 ........................................................................................................21 3.10.5 主軸后軸承套 ............................................................................................................21 3.10.6 主軸并帽 ....................................................................................................................22 3.11 主軸箱箱體設(shè)計 ...............................................................................................................22 3.11.1 材料的選擇 ................................................................................................................22 3.11.2 制造方法 ....................................................................................................................22 3.11.3 鑄造金屬箱體的要點 ................................................................................................22 3.12 本章小結(jié) ...........................................................................................................................23 4 車架結(jié)構(gòu)設(shè)計 ...........................................................................................................................24 4.1 概述 .....................................................................................................................................24 4.2 車架設(shè)計的要求 .................................................................................................................24 4.3 車架常用材料 .....................................................................................................................24 4.4 車架的截面形狀、肋的布置和壁板上的孔 .....................................................................24 4.4.1 車架的截面形狀 ..........................................................................................................24 4.4.2 肋的布置 ......................................................................................................................24 4.4.3 車架壁板上的孔 ..........................................................................................................24 4.4.4 車架連接結(jié)構(gòu)設(shè)計 ......................................................................................................25 4.4.5 焊接技術(shù) ......................................................................................................................25 4.4.6 車架的時效處理 ..........................................................................................................25 4.4.7 車架的尺寸結(jié)構(gòu)設(shè)計 ..................................................................................................26 4.5 本章小結(jié) .............................................................................................................................26 5 基于 UG 的車架和主軸箱三維建模與虛擬裝配 ...................................................................27 5.1 UG 軟件介紹 .......................................................................................................................27 5.2 主要零部件的三維建模 .....................................................................................................27 5.2.1 車架建模 ......................................................................................................................28 5.2.2 主軸箱建模 ..................................................................................................................29 5.3 車架和主軸箱的虛擬裝配 .................................................................................................30 5.3.1 基于 UG NX 6 的裝配設(shè)計簡介 .................................................................................30 5.3.2 主軸箱與車架的虛擬裝配 ...........................................................................................31 5.4 本章小結(jié) .............................................................................................................................33 6 基于 UG 的運動仿真 ...............................................................................................................34 6.1 運動仿真的工作界面 .........................................................................................................34 6.1.1 UG 的接口問題 ............................................................................................................34 II 6.1.2 打開運動仿真主界面 ..................................................................................................34 6.1.3 運動仿真工作界面介紹 ..............................................................................................35 6.2 主軸箱的運動仿真 .............................................................................................................36 6.2.1 連桿特性的建立 ..........................................................................................................36 6.2.2 運動副特性的建立 ......................................................................................................37 6.2.3 分析驗證 ......................................................................................................................38 6.3 本章小結(jié) .............................................................................................................................38 7 結(jié)論與展望 ...............................................................................................................................39 7.1 結(jié)論 .....................................................................................................................................39 7.2 不足之處與展望 .................................................................................................................39 致 謝 ...........................................................................................................................................40 參考文獻 .......................................................................................................................................41 3 1 緒論 1.1 車架與主軸箱設(shè)計的背景與目的 課題來源于某機床制造企業(yè)為提高加工過程的機械化和自動化水平，提高效率，降 低工人的勞動強度，降低企業(yè)成本的需求。軸承內(nèi)外圈車加工機床是針對企業(yè)發(fā)展需要， 針對軸承內(nèi)外圈車加工而設(shè)計的專用機床，此床應(yīng)用功能簡單，性價比高，適用于生產(chǎn) 線加工。本次設(shè)計是為了滿足應(yīng)用功能簡單，性價比高的要求進行設(shè)計的。 對于一個機床來說，車架就是機床的“骨骼” ，支撐起整臺機床，而主軸箱則是機床 的“心臟”給機床不竭的動力。 車架與主軸箱是一臺機床必不可少的兩個主要部分。車架在滿足整臺機床的支撐作 用的前提下，還要滿足人機工程的相關(guān)要求。主軸箱則在滿足動力輸送的前提下，還要 滿足結(jié)構(gòu)簡單，功能簡單，效率高的要求。 1.2 軸承內(nèi)外圈車削加工國內(nèi)發(fā)展歷史及現(xiàn)狀 在上古時代的古埃及，曾經(jīng)使用圓柱形滾木運輸巨大石塊建筑金字塔及紀念碑。中 世紀時，著名數(shù)學(xué)家萊布尼茨寫出了關(guān)于滾動和滑動摩擦的第一本著名理論著作。18 世 紀已經(jīng)使用鑄鐵或青銅，到 19 世紀已經(jīng)大童使用球、滾子和滾動軸承。1820 年開始應(yīng)用 小型的推力球座圈，1880 年登記了自行車滾動軸承的專利。1883 年在歐洲建立了第一個 球軸承工廠，同時在美國也建立了第一個球軸承工廠。現(xiàn)在，國際上已經(jīng)有成千上萬家 大、中、小型和微型軸承公司。 我國軸承工業(yè)加工已經(jīng)有 70 多年的歷史，目前已具有相當(dāng)?shù)囊?guī)模和發(fā)展基礎(chǔ)，解放以 來，經(jīng)過五十多年的發(fā)展，我國各類軸承的生產(chǎn)量已從 1949 年的 13.8 萬套增加到 2005 年的 60 億套，累計生產(chǎn)軸承的品種規(guī)格已從 100 多個增加到 66000 多個。從軸承生產(chǎn)總 量和生產(chǎn)體系來看，我國已成為僅次于日本、美國和法國的世界軸承生產(chǎn)大國。 軸承內(nèi)外圈的車削加工一般指車削外圓、內(nèi)孔、端面、滾道、擋邊、斜坡、圓角、 止動槽、油溝、油槽等。過去采用的設(shè)備水平普遍較低，多采用普通機床 C615,C618,C630，六角機床 C3180,C3163,C365L，立式機床 C512A,C516A 和 C534)等。 隨著機床、刀具、數(shù)字控制系統(tǒng)等現(xiàn)代加工技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)車削加工的應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng) 得到了極大的發(fā)展，設(shè)備發(fā)展到專用單功能機床、多刀仿形機床、半自動機床、多軸自 動機床、數(shù)控機床、自動化車削短線等，提高了自動化程度和生產(chǎn)效率，使加工質(zhì)量穩(wěn) 定可靠 1。 近幾年軸承內(nèi)外圈加工專用機床在國內(nèi)外都有很多研究，應(yīng)用的領(lǐng)域也越來越多， 軸承機械，產(chǎn)品主要用于汽車行業(yè)、軍工行業(yè)和其他工業(yè)行業(yè)的軸承生產(chǎn)制造，實現(xiàn)了 單機自動化、多機線自動化的生產(chǎn)制造。其中軸承行業(yè)，占據(jù)頂端市場份額的 90以上， 速度、準確度和耐用性是軸承內(nèi)外圈加工專用機床加工出來的產(chǎn)品的重要保障。 1.3 車架和主軸箱設(shè)計的意義 為了順應(yīng)當(dāng)今社會發(fā)展的需要，單機自動化、多機線自動化的生產(chǎn)制造已經(jīng)成為社 會生產(chǎn)的主流。如何普及自動化，提高生產(chǎn)效率是現(xiàn)在面臨的首要問題。車架和主軸箱 作為機床的兩個重要部件，也要順應(yīng)這個主流。與此同時，整臺機床的性價比要高也是 4 當(dāng)代機床發(fā)展的必然趨勢。 1.4 研究內(nèi)容、預(yù)期目標(biāo)及研究方法 本課題來源于某機床制造企業(yè)生產(chǎn)線改造項目。 本論文的主要內(nèi)容包括： （1） 根據(jù)企業(yè)實際生產(chǎn)設(shè)備和技術(shù)要求，提出軸承內(nèi)外圈加工專用機床車架和主 軸箱的結(jié)構(gòu)方案，并對各個零部件進行設(shè)計。 （2） 對軸承內(nèi)外圈加工專用機床尺寸設(shè)計，并利用 UG 軟件進行三維建模。 （3） 對軸承內(nèi)外圈加工專用機床進行虛擬裝配。 （4） 將虛擬樣機導(dǎo)入 UG 軟件運動仿真界面，并在 UG 中對機構(gòu)進行運動仿真分析， 檢驗所選取方案及其模型的合理性，并對機構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。 （5） 軸承內(nèi)外圈加工專用機床車架和主軸箱設(shè)計要順應(yīng)自動化生產(chǎn)線更新的需要， 本文將采取類比的研究方法對相關(guān)部件進行設(shè)計。