軸承內外圈加工專用機床車架與主軸箱設計【說明書+CAD】

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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 V V 目 錄 摘 要 .III ABSTRACT .IV 目 錄 .V 1 緒論 .1 1.1 車架與主軸箱設計的背景與目的 .1 1.2 軸承內外圈車削加工國內發(fā)展歷史及現(xiàn)狀 .1 1.3 車架和主軸箱設計的意義 .1 1.4 研究內容、預期目標及研究方法 .2 2 總體方案設計 .3 2.1 車架的類型 .3 2.2 主軸的類型 .3 3 主軸箱設計 .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 主軸的傳動設計 .8 3.5.1 轉動方式概述 .8 3.5.2 皮帶輪設計 .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 軸承的預緊 .14 3.8.5 圓錐滾子軸承校核 .14 VI 3.9 軸的校核 .16 3.10 軸上其他零件的設計與選擇 .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 .23 4 車架結構設計 .24 4.1 概述 .24 4.2 車架設計的要求 .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 車架連接結構設計 .25 4.4.5 焊接技術 .25 4.4.6 車架的時效處理 .25 4.4.7 車架的尺寸結構設計 .26 4.5 本章小結 .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 .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 6.1.2 打開運動仿真主界面 .34 VII 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 .38 7 結論與展望 .39 7.1 結論 .39 7.2 不足之處與展望 .39 致 謝 .40 參考文獻 .41 軸承內外圈加工專用機床車架與主軸箱設計 1 1 緒論 1.1 車架與主軸箱設計的背景與目的 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。軸承內外圈車加工機床是針對企業(yè)發(fā)展需要， 針對軸承內外圈車加工而設計的專用機床，此床應用功能簡單，性價比高，適用于生產(chǎn) 線加工。本次設計是為了滿足應用功能簡單，性價比高的要求進行設計的。 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要求。主軸箱則在滿足動力輸送的前提下，還要 滿足結構簡單，功能簡單，效率高的要求。 1.2 軸承內外圈車削加工國內發(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)學家萊布尼茨寫出了關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?，F(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?shù)囊?guī)模和發(fā)展基礎，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。 軸承內外圈的車削加工一般指車削外圓、內孔、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)代加工技術的發(fā)展，傳統(tǒng)車削加工的應用領域已經(jīng) 得到了極大的發(fā)展，設備發(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，使加工質量穩(wěn) 定可靠 1。 近幾年軸承內外圈加工專用機床在國內外都有很多研究，應用的領域也越來越多， 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 車架和主軸箱設計的意義 為了順應當今社會發(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，也要順應這個主流。與此同時，整臺機床的性價比要高也是 無錫太湖學院學士學位論文 2 當代機床發(fā)展的必然趨勢。 1.4 研究內容、預期目標及研究方法 本課題來源于某機床制造企業(yè)生產(chǎn)線改造項目。 本論文的主要內容包括： （1） 根據(jù)企業(yè)實際生產(chǎn)設備和技術要求，提出軸承內外圈加工專用機床車架和主 軸箱的結構方案，并對各個零部件進行設計。 （2） 對軸承內外圈加工專用機床尺寸設計，并利用 UG 軟件進行三維建模。 （3） 對軸承內外圈加工專用機床進行虛擬裝配。 （4） 將虛擬樣機導入 UG 軟件運動仿真界面，并在 UG 中對機構進行運動仿真分析， 檢驗所選取方案及其模型的合理性，并對機構進行優(yōu)化設計。 （5） 軸承內外圈加工專用機床車架和主軸箱設計要順應自動化生產(chǎn)線更新的需要， 本文將采取類比的研究方法對相關部件進行設計。 軸承內外圈加工專用機床車架與主軸箱設計 3 2 總體方案設計 2.1 車架的類型 車架是機器中典型的非標準的零件，是底座、機體、床身、車架、橋架（起重機） 、 殼體、箱體以及基礎平臺等零件的統(tǒng)稱，起到支撐、容納其他零部件和保證其相對位置 的作用。 車架按外形結構不同如圖 2.1，可分為梁柱式、框架式、板塊式和箱殼式等。按材料 不同可分為金屬車架和非金屬車架，金屬車架的常用制造方法有鑄造和焊接兩種，分別 稱為鑄造車架和焊接車架；常用的非金屬車架有塑料車架、花崗巖車架和混凝土車架等 2。 1，3，5梁（柱）式車架；2箱殼式車架；4平板式車架；6框架式車架 圖 2.1 車架的分類 考慮到實際設計要求，和經(jīng)濟性要求，綜上所述，本文將采用箱殼式運用焊接方法制 造的金屬車架。 2.2 主軸的類型 用于機床的軸型有很多，常見的應用于軸承內外圈車加工專用機床的最為常見的兩 種軸型為直軸和心軸兩種 2。 直軸的特點：結構簡單，制造方便，最為常用。按外形又分為光軸 a 和階梯軸 b， 其中階梯軸最為常用。如圖 2.2。 無錫太湖學院學士學位論文 4 圖 2.2 直軸 空心軸的特點：空心處可裝設其他零件。在同樣重量下，較之實心軸有較大強度、 剛度。加工比較困難。如圖 2.3。 圖 2.3 空心軸 考慮到本文主軸箱的經(jīng)濟要求和傳動效率高的原則，綜上所述，本文采用空心軸。 軸承內外圈加工專用機床車架與主軸箱設計 5 3 主軸箱設計 3.1 主軸箱的概述 主軸箱是機床的重要部件，是用于布置機床工作主軸及其傳動零件和相應的附加機構 的部件。 3.2 主軸的概述 3.2.1 主軸的用途和分類 主軸部件是機床實現(xiàn)旋轉運動的重要執(zhí)行件，主軸部件由主軸、主軸支承和安裝在 主軸上的傳動件、密封件等組成 3。 由于機床的功能不同，導致主軸部件的結構也不同，但各種主軸部件都有共同特點： 在使用上都要求性能相一致的回轉精度、抗振性、剛度、耐磨性等，并且要求溫升低、 熱變形小。在結構上要求完善解決工件或刀具的定位裝夾、軸承間隙的調整以及潤滑、 主軸及軸承的定位、密封等問題。當然，由于機床的任務、類型和要求不同，導致主軸 工作條件的差異。因此，各類不同機床主軸部件需要解決的問題應各有所側重。 3.2.2 主軸的材料 主軸的材料品種很多，設計時主要根據(jù)對軸的強度、剛度、耐磨性以及加工、熱處理 和經(jīng)濟性等要求進行選擇。 主軸的常用材料是經(jīng)過軋制或鍛造的優(yōu)質中碳鋼和合金鋼，其中應用最廣泛的是經(jīng)調 質處理的 45 鋼。合金鋼對應力集中比較敏感，因而對合金鋼軸表面加工質量要求也比較 高，否則不能充分發(fā)揮其高強度的優(yōu)點。 根據(jù)同類機床的設計經(jīng)驗，本文采用 40Cr 作為主軸的材料。 3.3 主軸主要參數(shù)設計 3.3.1 概述 主軸的主要參數(shù)是指 4：主軸平均直徑 （或主軸前軸頸直徑 ） ；主軸內孔直徑 ；D1Dd 主軸懸伸量 和主軸支承跨距 ，如圖 3.1。這些參數(shù)直接影響到主軸的工作性能。但為al 簡化問題，主要是從靜剛度條件出發(fā)來確定這些參數(shù)。 無錫太湖學院學士學位論文 6 圖 3.1 主軸主要參數(shù)示意圖 3.3.2 主軸平均直徑 D 的確定 主軸的平均直徑對主軸部件有較大的剛度影響。加大直徑 ，可減少由于主軸本身D 彎曲變形引起的主軸軸端位移和軸承彈性變形引起的軸端位移，提高主軸部件的剛度。 但加大直徑受到軸承 值的限制，同時造成相配零件尺寸加大、結構龐大、制造困難和nd 重量增加等，因此在滿足剛度的要求下應該去取小值。 設計時主要用類比的分析方法來確定主軸前軸頸直徑 （或平均直徑 ） 。1 按機床主電動機功率 來確定主軸前軸頸直徑 ，如圖 3.2 所示統(tǒng)計曲線。N1D 圖 3.2 機床 統(tǒng)計曲線1DN 高速機床主軸和徑向截面要求小的主軸，可按區(qū)域來確定 的值。根據(jù)電機功率2D 和相關要求與經(jīng)驗結合曲線圖，得 =70mm。1 根據(jù)同類機床的經(jīng)驗此主軸可分為四段如圖 3.3，因定位軸肩的高度 h 一般為 =（0.07 0.1） ， 為與零件相配處的軸的直徑 5。hd 故 =70+0.1702=84mm。5D 軸承內外圈加工專用機床車架與主軸箱設計 7 圖 3.3 四段軸圖 對于其他軸肩高度屬于非定位軸肩，是為了加工和裝配方便而設置的，其高度沒有 嚴格的規(guī)定，一般取為 12mm。 故 =70-2=68mm；2D =68-2=66mm； 3 =66-2=64mm。4 3.3.3 主軸內孔直徑 d 的確定 主軸內孔直徑與機床的類型有關，主要用來通過棒料，通過拉桿、鏜桿或頂出頂尖 等。確定孔徑 的原則是，為減輕主軸重量，在滿足對空心主軸孔徑要求和最小壁厚要求 以及不削弱主軸剛度的要求下，應盡量取大值。 主軸本身的剛度 正比于抗彎斷面慣性矩 ，即KI （3.1）4-1）（實空實空 DdI 根據(jù)（3.1）式，可繪出主軸孔徑 對剛度的影響曲線如圖 3.4。 圖 3.4 孔徑 對剛度的影響曲線d 由圖可知，當 時內孔 對主軸剛度幾乎無影響，可忽略不計，所以常取孔徑5.0Dd 的極限值 為：dmax 0.7maxdD 此時 0.75 ，即剛度削弱小于 25%。若孔徑再大，主軸剛度就會急劇下降。空K實 普通機床 =0.550.61Dd或 式中 d1前軸頸內孔直徑。 由已知條件 =70mm，所以 = （0.550.6） =70（0.550.6）11d 無錫太湖學院學士學位論文 8 mm=38.542mm 。 根據(jù)同類機床經(jīng)驗得 =40mm。1d 因為此機床正常加工無需內孔，但出于減輕軸的重量考慮，同時類比同類機床得 =30mm。2d 3.3.4 主軸懸伸量 a 的確定 主軸懸伸量 是指主軸前端面到前支承徑向反力作用中點（一般即為前徑向支承中點） 的距離 5。它主要取決于主軸端部結構型式和尺寸（大多有軸端標準） 、前支承的軸承配 置和密封裝置等，有的還與機床其他參數(shù)有關，如工作臺的行程等，因此主要有結構設 計決定。 懸伸量 值對主軸部件的剛度、抗振性影響很大。因此，確定懸伸量 的原則，是在a a 滿足結構要求的前提下盡可能取小值，同時應在設計時采取措施縮減 a 值。 與同類機床相類比初步確定 0 50（mm） 。a 3.3.5 主軸支承跨距 l 的確定 支承跨距 是指主軸相鄰兩支承的支承反力作用點之間的距離。合理確定支承跨距，l 是獲得主軸部件最大靜剛度的重要條件之一。 根據(jù)同類機床的主軸跨距，此機床的合理跨距 =300mm。l 3.4 電動機的選擇 該機床只要是用于加工深溝球軸承系列的內外圈的專用機床 7。 軸承內外圈的材料： GCr15 刀具材料： YT158 最大車削直徑： 52mm 軸承內外圈的加工生產(chǎn)類型 大批量生產(chǎn) 根據(jù)實際需求和以往經(jīng)驗，我將選擇變頻調速電機。變頻調速電機我選擇了 4 級電機， 基頻工作點設計在 50Hz 頻率 0-50Hz（轉速 0-1480r/min）范圍內電機作恒轉矩運動。 本文電動機的輸出功率為 3kW，轉速為 1000r/min。 3.5 主軸的傳動設計 3.5.1 轉動方式概述 主軸旋轉運動轉動方式的選擇，決定于主軸轉速的高低，所傳遞扭矩的大小，對運 轉平穩(wěn)性的要求及結構緊湊、裝卸維修方便等。 機床主軸的常用傳動方式有：齒輪傳動、帶傳動、電動機直接傳動、空氣渦輪傳動、 渦輪蝸桿傳動和鏈傳動等。 本文根據(jù)同類機床傳動設計經(jīng)驗，初步選擇使用帶傳動。 查機床設計手冊表 6.1-4 得出將帶輪裝于前、后支承間，主軸受力情況較好，適 用于精度較高的高速小型機床。 3.5.2 皮帶輪設計 本節(jié)設計步驟和相關圖表均參考文獻2,袖珍機械設計師手冊 。 3.5.2.1 概述 軸承內外圈加工專用機床車架與主軸箱設計 9 帶傳動是最常用的一種機械傳動，其特點是結構簡單、傳動平穩(wěn)、能緩沖吸振、能 實現(xiàn)兩軸距離較遠的傳動。 帶傳動的類型很多，主要有以摩擦傳動為傳動方式的 V 帶傳動、平帶傳動和圓帶傳 動以及以嚙合傳動為傳動方式的同步帶傳動和特種同步帶傳動。 本文根據(jù)同類機床設計經(jīng)驗選用普通 V 帶傳動。 普通 V 帶是用多種材料制成的無接頭環(huán)形帶。帶輪的材料則經(jīng)常采用 HT150 或 HT200。 本文選用 HT200。 3.5.2.2 V 帶傳動設計計算 V 帶傳動設計的主要依據(jù)是保證帶在工作中不打滑，并具有一定的疲勞強度和使用壽 命。 本文電動機輸出功率 P=3kW，電機轉速 ，主軸轉速 。min/102rnmin/160rn (1) 計算功率 （3.2）PKAc 根據(jù)參考文獻2查表 15-6，得 KA=1.4。 由公式（3.2）得 kW。2.534.1cP (2) 選擇帶型 根據(jù) 和 ，查參考文獻2中圖 15-1 得出本文應選用 A 型。c1n (3) 小帶輪的基準直徑 為了提高 V 帶的壽命，宜選取較大直徑，基于這個原則，查參考文獻 2中表 15-7 和 圖 15.1，取 mm。81d (4) 大帶輪的基準直徑 mm，查參考文獻2中表 15-7，取 mm。8.106212 ddn 1802d (5) 帶速 m/s9.1616vd (6) 初定中心距 21021(7.0dda） mm mm880 208.6mm 596mm0 根據(jù)結構要求選定 mm。50a (7) 初算膠帶基準長度 無錫太湖學院學士學位論文 10 m9722504181850222addaLd 由參考文獻2中表 15-3 選取基準長度 mm。dL (8) 實際中心距 264m972105dLa 安裝時調整范圍 249105.indLam3.6axd (9) 小帶輪包角 12054.6 54.163.726418083.781ad 故合適。 (10) 單根 V 帶傳遞的額定功率 根據(jù) mm 和 mm，由參考文獻2中表 15-9c 查得 A 型帶81d61n kW。57.1P (11) 單根 V 帶 的額定功率增量i 由參考文獻2中表 15-9c 查得 kW17.0P (12) V 帶的根數(shù) 根 。取 根根3 47.389.6.57.1 21 ZKPLc (13) 單根 V 帶的預拉力 (3.3)201.5qvKvZPFc 由公式（3.3） ，并根據(jù)參考文獻2中表 15-11 查得 =0.1kg/m。 軸承內外圈加工專用機床車架與主軸箱設計 11 原式 149N28.91096.5238.50 (14) 作用在軸上的力 825.6sin32sin02ZFQ (15) 帶輪的結構和尺寸 如圖 3.5。 圖 3.5 皮帶輪的尺寸圖 3.6 鍵的選擇與校核 3.6.1 概述 鍵是一種標準零件，通常用來實現(xiàn)軸與輪轂之間的周圍固定以傳遞轉矩，有的還能 實現(xiàn)軸上零件的軸向固定或軸向滑動的導向。鍵的連接主要類型有：平鍵連接、半圓鍵 連接、楔鍵連接和切向鍵連接。 本文采用平鍵（A 型）連接。其主要特點：鍵的兩側面是工作面，工作時，靠鍵同鍵 槽側面的擠壓來傳遞轉矩。鍵的上表面和輪轂的槽底面間則留有間隙。平鍵連接具有結 構簡單、裝拆方便、對中性較好等優(yōu)點，因而得到廣泛應用。 鍵的材料采用抗拉強度不小于 600MPa 的鋼，通常為 45 鋼 6。 故本文鍵的材料選擇 45 鋼。 3.6.2 鍵的強度計算 平鍵連接傳遞轉矩時，連接中各零件的受力如圖 3.6 所示。 無錫太湖學院學士學位論文 12 圖 3.6 平鍵連接的受力情況 對于本文實際情況，鍵的主要失效形式是工作面被壓潰。 假定載荷在鍵的工作面上均勻分布，則強度條件為 6： （3.4）ppkldT3102 式中： 傳遞的轉矩 ，Nm；TFy 鍵與輪轂鍵槽的接觸高度， ，此處 為鍵的高度，單位 mm；k h5.0 鍵的工作長度，單位 mm，圓頭平鍵 ，這里 為鍵的公稱長度，l bLl 單位 mm； 為鍵的寬度，單位 mm；b 軸的直徑，單位 mm；d 鍵、軸、輪轂三者中最弱材料的許用擠壓應力，單位 MPa，見表 3-1。p 表 3-1 鍵連接的許用擠壓應力 載荷性質許用擠壓應力 連接工作方式 鍵或轂、軸的材 料 靜載荷 輕微沖擊 沖擊 鋼 120150 100120 6090p靜連接 鑄鐵 7080 5060 3045 由公式（3.4） 故滿足要求。 Pp MadbLkT72.68510.324 軸承內外圈加工專用機床車架與主軸箱設計 13 3.6.3 鍵的尺寸設計 如圖 3.7。 圖 3.7 鍵的尺寸圖 3.7 軸向定位 由于平鍵只能起到周向定位的作用，而周向又沒有軸肩的定位，故本文采用 M1020 的緊定螺釘。 3.8 主軸的軸承選擇和配置 3.8.1 概述 主軸軸承是主軸部件的重要組成部分，它的類型、結構、配置、精度、安裝、調整、 潤滑和冷卻等狀況，都直接影響主軸部件的工作性能。 軸承可分為滑動軸承和滾動軸承，按照本文要求和同類機床的設計經(jīng)驗，本文采用滾 動軸承。常用的滾動軸承有：深溝球軸承、調心軸軸承、角接觸軸承、圓柱滾子軸承、 調心滾子軸承、圓錐滾子軸承、推力球軸承、滾針軸承、帶座外球面球軸承、直線運動 滾動支承等。 3.8.2 軸承的選擇 主軸部件上的軸承應具有旋轉精度高、剛度高、承載能力強、抗振性好、極限轉速高、 適應變速范圍大、摩擦功耗小、噪聲低、壽命長等性能，同時應該滿足制造簡單，使用 維修方便、成本低、結構尺寸小等要求。 本文所設計的主軸的載荷較大，轉速較高并且要承受以徑向載荷為主的軸向與徑向聯(lián) 合載荷，所用軸承在滿足上述條件的情況下，還必須能夠限制軸一個方向的位移，故初 步選擇圓錐滾子軸承系列（GB/T 2971994）的軸承。但必須注意的是，圓錐滾子軸承 在徑向載荷作用下會產(chǎn)生附加軸向力，所以本文將成對使用 6。 根據(jù)同類機床的設計經(jīng)驗，又因為主軸裝配軸承部位的直徑 、m701D ，所以由參考文獻3中表 12-24 單列圓錐滾子軸承（外形尺寸摘自 GB/T m62D 無錫太湖學院學士學位論文 14 297-1994） 。針對 、 分別選用圓錐滾子軸承 32214、32213。1D2 3.8.3 軸承安裝方式 由于圓錐滾子軸承既能承受徑向力，又能承受軸向力，所以由這種軸承組合的支承結 構一般比較簡單，調整也比較方便。 圓錐滾子軸承可以在支承中單一使用，也可以成對使用，也有和其他類型軸承組合使 用的。 本文將成對使用圓錐滾子軸承，以抵消派生軸向力，因需要承受一定的軸向力，故采 用反裝式，如圖 3.8。 圖 3.8 軸承反裝 3.8.4 軸承的預緊 圓錐滾子軸承常用螺母預緊，后支承一般用彈簧預緊，而本文用的是并帽預緊方式。 3.8.5 圓錐滾子軸承校核 機床經(jīng)濟加工直徑 mm。34D 主切削力 12： N182430.2maxMFz主 一般情況下， 最大， 和 小一些。zxy 切深抗力： zx7.015. 進給抗力： y6 軸承內外圈加工專用機床車架與主軸箱設計 15 、 、 三力之間的空間關系如圖 3.9。zFxy 圖 3.9 、 、 三力之間的空間關系zFxy 為了方便計算 730N729.6N184.04. zyx (1) 求兩軸承受到的徑向載荷 21rF和 將軸系受到的空間力系分解為鉛垂面如圖 3.10（a）和水平面如圖 3.10（b）兩個平面 力系。 圖 3.10 軸承受力分析 由力分析可知： NDFFyreVr 7.32847011621 NVrer 2.5.32 無錫太湖學院學士學位論文 16 NFxHr 6.8312651 x 170.832 HrVrr .911F2356222 (2) 求軸承的計算軸向力 1aF和 對于圓錐滾子軸承，按表 13-76，軸承派生軸向力 ，其中， ，Yrd 4.01e ； ， 10。42.0e5.1Y4.2NYFrd 12.3095.26971rd .4.2xa 1203939701NFda6.12 (3) 求軸承當量動載荷 21P和 因為 11.36.97era2208.5NFra 當 時，eFrarP 當 時， 6 raarrY4.0 所以 NFr 62.192.1035.6927.11 FPr2 (4) 驗算軸承壽命 因為 ，所以按軸承 1 的受力大小驗算21P h107.h62.1906060311 PCnLh 查參考文獻5中表 13-3 得 =2000030000hhL 故所選的軸承滿足壽命條件。 3.9 軸的校核 通過軸的結構設計，軸上零件的位置，以及支反力和外載荷的作用位置均已確定， 軸上的載荷（彎矩和扭矩）已可以求得，因而可按彎矩、扭矩強度條件對軸的強度進行 軸承內外圈加工專用機床車架與主軸箱設計 17 校核計算。 (1) 做出軸的計算簡圖 軸所受的載荷是從零件傳來的，計算時，常將軸上的分布載荷簡化為集中力，其作用 點取載荷分布段的中點。作用在軸上的扭矩，一般從傳動件輪轂寬度的中點算起。 在做計算簡圖時，應先求出軸上受力零件的載荷（若為空間力系，應該把空間力系分 解為圓周力、徑向力、軸向力，然后把它們全部轉化到軸上） ，并將其分解為水平分力和 垂直分力如圖 3.11（a ） 、 （ b）所示。然后求出各支承處的水平反力和垂直反力。 圖 3.11 軸的受力分析 (2) 做出彎矩圖 根據(jù)上述簡圖，分別求出各面的力、彎矩大小畫出彎矩圖。 水平面：如圖 3.12。 圖 3.12 x 軸的彎矩圖 由 0AzM 得 NFcbabaCxxx6.8352167012 由 0Cz 得 FcbaAxxx6.1305272 無錫太湖學院學士學位論文 18 NFC730y C 點 Z 軸的彎矩 m108.312684 NlbaMxCz 垂直面：如圖 3.13。 圖 3.13 z 軸的彎矩圖 由 zCAzF 即 0AxMbaFz 得 、NA54.06Nz46.381 B 點 X 軸的彎矩 mlbazBx 40.2 B 點的合成彎矩 如圖 3.14。 圖 3.14 彎矩合成圖 由 2BzxBM 因為 mNmNCxz 441063.108.3841 所以 B 224 9.60.6 Cz (3) 做出扭矩圖 如圖 3.15。 軸承內外圈加工專用機床車架與主軸箱設計 19 圖 3.15 扭矩圖 mNNnPT 466 10.3102.5.9105.9 (4) 軸的危險面分析 如圖 3.16 是對軸危險面的劃分。 圖 3.16 軸危險面示意圖 對于截面 1、2，由于扭矩一樣，軸的外徑一樣大，所以扭轉切應力取決于內 孔徑，內孔徑越大，扭轉切應力越大，故截面 2 為危險截面。 而對于截面 2、3、4，由于扭矩一樣，軸的內孔徑一樣大，所以扭轉切應力 取決于外徑，外徑越小，扭轉切應力越大，故截面 3 為危險截面。 綜上所述，截面 3 為危險截面。 (5) 軸的強度校核 1) 扭矩： 計算危險截面 3 并與 10比較即：1 12444 109.601.322 MPaaDTIP 滿足扭轉強度條件。 2) 彎矩： 根據(jù)分析由圖 3.14 得 B 點彎矩最大所以只需要計算 B 點彎矩即可，結果與 比較。113343 9.2685109.212 MPaaDM 滿足彎矩強度要求。 綜上所述，本文設計的軸滿足要求。 無錫太湖學院學士學位論文 20 3.10 軸上其他零件的設計與選擇 3.10.1 滾動軸承的密封裝置 軸承的密封裝置是為了阻止灰塵、水、酸氣和其他雜物進入軸承，并阻止?jié)櫥瑒┝?失而設置的。 密封裝置可分為接觸式的氈圈油封、唇形密封圈、密封環(huán)和非接觸式的隙縫密封、 甩油密封、曲路密封兩大類。 本文采用氈圈油封。這種密封結構簡單，經(jīng)濟適用。 3.10.2 主軸箱前前端蓋 尺寸如圖 3.17。 圖 3.17 主軸箱前前端蓋尺寸圖 3.10.3 主軸箱前后端蓋 尺寸如圖 3.18。 圖 3.18 主軸箱前后端蓋 3.10.4 主軸箱后前端蓋 尺寸如圖 3.19。 軸承內外圈加工專用機床車架與主軸箱設計 21 圖 3.19 主軸箱后前端蓋 3.10.5 主軸后軸承套 尺寸如圖 3.20。 圖 3.20 主軸鍵銷尺寸圖 3.10.6 主軸并帽 尺寸如圖 3.21。 無錫太湖學院學士學位論文 22 圖 3.21 主軸并帽尺寸圖 3.11 主軸箱箱體設計 3.11.1 材料的選擇 本文采用 HT200 作為箱體的材料。 3.11.2 制造方法 根據(jù)材料的選擇要依據(jù)箱體形狀及大小、生產(chǎn)批量和使用要求。對于結構復雜的車 架體采用鑄造加工方法，即通常采用鑄鐵材料。而對于結構簡單的車架則一般采用普通 碳素鋼進行焊接制造。 本文根據(jù)以往經(jīng)驗和實際要求，采用主軸箱箱體鑄造制造，箱體蓋板采用螺釘連接。 3.11.3 鑄造金屬箱體的要點 3.11.3.1 最小壁厚 鑄件的最小壁厚與強度、剛度、材料、尺寸大小及工藝水平等因素有關。 對砂型鑄造，灰鑄鐵件的最小壁厚可按當量尺寸 從表 3-2 中選取。當量尺寸為N (3.5)3/2HBLN 式中， 分別為鑄件的長、寬和高的最大尺寸，單位 m。HBL和、 表 3-2 鑄鐵車架最小壁厚 壁厚 當量尺寸 N/m 外壁厚 /mm 內壁厚/mm 0.3 6 6 0.75 8 6 1 10 8 根據(jù)表 3-2 和公式（3.5）得 所以外壁厚和內壁厚m35.010327N 軸承內外圈加工專用機床車架與主軸箱設計 23 均為 6mm，根據(jù)經(jīng)驗箱體的壁厚取 20mm。 3.11.3.2 加強筋的安置 由于主軸箱軸前端因切削而產(chǎn)生切削力，且前端需要安裝三爪卡盤應力集中，故在 主軸前端支承表面安置加強筋，以增加抗變形系數(shù)。 3.11.3.3 箱體的其他設計 主軸箱箱體的其他設計尺寸如圖 3.22。 圖 3.22 主軸箱箱體尺寸圖 3.12 本章小結 本章主要進行了主軸箱的主軸部件結構設計、受力分析、數(shù)據(jù)計算、校核；傳動裝 置-皮帶輪的選擇、數(shù)據(jù)計算；軸承的選型、受力分析、壽命計算；主軸箱箱體的結構設 計等內容。 無錫太湖學院學士學位論文 24 4 車架結構設計 4.1 概述 本文將采用箱殼式運用焊接方法制造的金屬車架。 4.2 車架設計的要求 車架作為非標準零件，同樣應滿足零件設計的一般要求，即功能要求、加工工藝性 要求。車架設計用著重考慮車架的剛度、強度、精度、尺寸穩(wěn)定性、吸振性及耐磨性等， 還要求造型美觀、質量輕、成本低、結構及工藝性合理。 4.3 車架常用材料 車架材料的選擇要依據(jù)車架形狀及大小、生產(chǎn)批量和使用要求。對于結構復雜的車 架體采用鑄造加工方法，即通常采用鑄鐵材料。而對于結構簡單的車架則一般采用普通 碳素鋼進行焊接制造。 本文設計的車架結構簡單，所以將采用普通碳素鋼進行焊接制造。 4.4 車架的截面形狀、肋的布置和壁板上的孔 4.4.1 車架的截面形狀 車架的抗拉或抗壓強度和剛度，一般僅與斷面面積的大小有關，而與斷面形狀無關。 但零件的抗彎、抗扭強度和剛度除了 與其截面面積有關外，還取決于截面形狀，即與其 截面慣性矩成正比。合理改變截面形狀，增大其慣性矩和截面系數(shù)，可提高車架零件的 強度和剛度，從而充分發(fā)揮材料的作用。 選擇車架截面形狀時應考慮如下幾個方面。 (1) 截面形狀應與車架所受載荷種類相適應。 (2) 截面形狀應與車架材料特性相適應。鋼材應盡量使用拉、壓代替其受彎，鑄鐵應 盡可能受壓。 (3) 截面變化應符合等強度原則。 4.4.2 肋的布置 采用肋板和肋條是提高車架零件剛度的重要措施之一。肋板又叫隔板，是指車架零 件兩外壁之間起連接作用的內壁，它的功能是加強車架四壁之間的聯(lián)系使它們起到一個 整體的作用；肋條也叫加強肋，一般布置在內壁上。肋板和肋條的布置是在減輕車架整 體重量的前提下，來加強空心斷面車架的整體剛度或局部剛度，同時也可防止薄壁振動 以減少噪聲。 (1) 為有效地提高車架的抗彎剛度，肋一般放置在彎曲平面內。 本文則在應力相對集中地兩板焊接處，并且在支承重量大的地方放置。 (2) 平板式車架肋板的布置則常采用對開式。 4.4.3 車架壁板上的孔 車架內部由于要安裝電氣裝置、液壓系統(tǒng)和傳動裝置等，或由于車架加工工藝方面 的要求，常常需要在車架的壁上或內部肋板上開出各種孔。這些孔的形狀、大小及位置 對車架的剛度均有接強度與剛度，連接剛度是機器總體剛度的組成部分，因此直接影響 機器的工作性能。車架與其他零部件或地基間多采用螺栓連接。影響連接剛度的主要因 軸承內外圈加工專用機床車架與主軸箱設計 25 素有：連接處的結構、連接件及墊片的剛度、結合面的表面精度、連接螺栓的數(shù)量、大 小及排列形式，預緊力的大小等。 為改善車架連接剛度，設計時應注意如下幾點。 (1) 結合面的表面結構中的粗糙度應不低于 ，結合面應在同一平面內，滿足一m2.3 定的平面度要求。 (2) 固定螺栓的直徑應足夠大，數(shù)量足夠，螺栓的布置應均勻、對稱。 (3) 改善連接部位的受力狀態(tài)，并對螺栓施加足夠的預緊力。 根據(jù)上述要點，本文鋼板的表面精度要求定在 。床架腳四角均布采用螺釘固定。2.3 鋼板之間則采用焊接方法焊接制造。 4.4.4 車架連接結構設計 車架結構設計中須保證車架與其上零部件的連接以及車架與地基之間的連-焊接技術 的介紹和車架的時效處理等。 4.4.5 焊接技術 4.4.5.1 概述 焊接方法可分為熔焊和壓焊兩種焊接方法。熔焊可分為：氣焊、電弧焊、真空電子 束焊、電渣焊、激光焊、釬焊等。壓焊可分為：電阻焊、閃光焊、加壓氣焊等。 4.4.5.2 Q235-A 的焊接要求 本文采用 Q235-A 普通碳素鋼具有良好的焊接性。在普通條件下可焊接，焊接后的變 形容易矯正。當厚度大于 20mm，結構剛度最大，車間的溫度低于-5時要預熱。 4.4.5.3 Q235-A 的焊接 (1) 焊接電源 焊接 Q235-A 時對焊接電源沒有什么特殊要求，一般的交、直流弧焊機都可以焊接。 本文采用交流弧焊機。 (2) 焊接方法 根據(jù)工件的不同加工要求，可選用手工電弧焊、CO 2 氣體保護焊、埋弧焊等焊接方法。 本文采用手工電弧焊。 (3) 焊材的選擇 對于 Q235-A 材料的焊接一般采用 E4315、E4316、E5015、E5016 焊條。 本文采用 E5015 焊條。 4.4.6 車架的時效處理 制造車架時，焊接（或鑄造） 、熱處理及加工等都會產(chǎn)生高溫，因各部分冷卻速度不 同而收縮不均勻，使金屬內部產(chǎn)生內應力。如果不進行時效處理，將因內應力的逐漸重 新分布而變形，使車架喪失原有的精度。 時效處理就是在精加工之前，使車架充分變形，消除內應力，提高其尺寸的穩(wěn)定性。 常見的方法有自然時效、人工時效和振動時效等幾種，其中人工時效應用最廣。 本文采用人工時效對車架進行時效處理。 軸承內外圈加工專用機床車架與主軸箱設計 26 4.4.7 車架的尺寸結構設計 具體尺寸設計如圖 4.1，4.2，4.3。 圖 4.1 車架框架臺面板尺寸圖 圖 4.2 車架框架后側及左側尺寸圖 圖 4.3 車架框架前側及右側尺寸圖 4.5 本章小結 本章主要研究了車架的分類、設計要點以及本文采用材料的選擇，制造方法等內容。 無錫太湖學院學士學位論文 27 5 基于UG的車架和主軸箱三維建模與虛擬裝配 5.1 UG 軟件介紹 Unigraphics NX(簡稱 UG)，是由美國 Unigraphics Solutions(UGS)公司推出的面向制造 業(yè)的高端軟件。UG 是當今應用最廣泛、最具競爭力的 CAE/CAD/CAM 大型集成軟件之 一。其囊括了產(chǎn)品設計、零件裝配、模具設計、NC 加工、工程圖設計、模流分析、自動 測量和機構仿真等多種功能。 UG 的主要客戶包括，通用汽車，通用電氣，福特，波音麥道，洛克希德，勞斯萊斯， 普惠發(fā)動機，日產(chǎn)，克萊斯勒，以及美國軍方。幾乎所有飛機發(fā)動機和大部分汽車發(fā)動 機都采用 UG 進行設計，充分體現(xiàn) UG 在高端工程領域，特別是軍工領域的強大實力。在 高端領域與 CATIA 并駕齊驅 14。 UG 面向過程驅動的技術是虛擬產(chǎn)品開發(fā)的關鍵技術，在面向過程驅動技術的環(huán)境中， 用戶的全部產(chǎn)品以及精確地數(shù)據(jù)模型能夠在產(chǎn)品開發(fā)全過程的各個環(huán)節(jié)保持相關，從而 有效地實現(xiàn)了并行工程。伴隨著 UG 版本的不斷更新和功能的不斷擴充，促使該軟件朝著 專業(yè)化和智能化方向發(fā)展，其主要技術如下所述。 (1) 智能化的操作環(huán)境 UG NX 具有良好的用戶界面，絕大多數(shù)功能都可通過圖標來實現(xiàn)，并且在進行對象 操作時，具有自動推理的功能。同時，每個操作步驟中，在繪圖區(qū)上方的信息欄和提示 欄中提示操作信息，便于用戶做出正確的選擇。 (2) 建模的靈活性 建模作為新一代產(chǎn)品造型模塊，提供實體建模、特征建模、自由建模、自由曲面建 模等先進的造型和輔助功能。草圖工具適合于全參數(shù)化設計；曲線工具雖然參數(shù)化功能 不如草圖工具，但用來構建線框圖更為方便；實體工具完全整合基于約束的特征建模和 顯示幾何建模的特性，因此可以自由使用各種特征實體、線框架構等功能；自由曲面工 具是架構在融合了實體建模及曲面建模技術之上的超強設計工具，能設計出如工業(yè)造型 設計產(chǎn)品的復雜曲面外形。 UG NX 以基于特征（如孔、凸臺、型膠、槽溝、倒角等）的建模和編輯方法作為實 體造型基礎，形象直觀，類似于工程師傳統(tǒng)的設計方法，能用參數(shù)驅動。 (3) 集成的工程設計功能 UG NX 工程制圖模塊由實體模型自動生成平面工程圖，也可以利用曲線功能繪制平 面工程圖，并且能按 ISO 標準和國際標注尺寸、形位公差和漢字說明等。此外還可以直 接對實體做旋轉剖、階梯剖和軸測圖挖切生成各種剖視圖，增強了繪制工程圖的實用性。 (4) 裝配建模 UG 裝配建模是用于產(chǎn)品的模擬裝配，支持“由底向上”和“由頂向下”的裝配方法。 UG 裝配就是在該軟件裝配環(huán)境下，將現(xiàn)有組件或新建組件設置定位約束，從而將各組件 定位在當前環(huán)境中。 軸承內外圈加工專用機床車架與主軸箱設計 28 5.2 主要零部件的三維建模 UG 為用戶提供了強大、廣泛的產(chǎn)品設計應用模塊，它具有高性能的機械設計和制圖 功能。 一般來說，UG 的建模，首先要建立基本的幾何體，然后在上面添加其他的特征。不 同的應用領域有不同的特征，其分類方法也各不相同，對于機械產(chǎn)品的實體模型及其工 程圖紙信息，可將常用的特征信息分為管理特征、技術特征、材料特征、精度特征、形 狀特征、裝配特征等六大類。在建模工程中，最常用的是零部件的形狀特征，在此可以 進一步的分解出零件的形體特征類。 車架和主軸箱的形狀特征主要包括：長方體、圓柱體、孔、螺紋、槽、矩形陳列、 倒角等。下面介紹一下軸承內外圈加工專用機床車架和主軸箱的建模過程。 5.2.1 車架建模 (1) 車架框架臺面板的建模 根據(jù)第四章的數(shù)據(jù)，已知臺面板的尺寸。 1) 新建文件系統(tǒng)彈出文件新建對話框。在名稱文本框中輸入文件名稱 chuang jia kuang jia tai mian ban；單擊確定，進入建模環(huán)境。 2) 點擊“插入” “草圖” ，彈出創(chuàng)建草圖對話框，選擇類型為“在平面上” ，然后根據(jù) 第二章的數(shù)據(jù)畫出側面圖，如圖 5.1 所示。 圖 5.1 車架框架臺面板草圖 3) 點擊 按鈕，點擊 按鈕，彈出“拉伸”對話框，選擇曲線為上一步的 草圖，指定矢量為 Z 方向，開始距離為 0，結束距離為 20，點擊確定，臺面板實體創(chuàng)建 成功，如圖 5.2 所示。 無錫太湖學院學士學位論文 29 圖 5.2 車架框架它臺面板拉伸的實體 4) 點擊 按鈕，彈出如圖 5.3 所示的對話框，類型選擇為“螺紋孔” ，指定點選為 上一步確定的中心，螺紋尺寸選為 M14，點擊確定，整體三維模型如圖 5.4。 其他零部件參照此操作建模。 圖 5.3 孔命令對話框 軸承內外圈加工專用機床車架與主軸箱設計 30 圖 5.4 車架框架臺面板部件三維建模圖 5.2.2 主軸箱建模 (1) 主軸箱箱體的建模 根據(jù)第三章的數(shù)據(jù)，可知主軸箱箱體的尺寸。 1) 新建文件系統(tǒng)彈出文件新建對話框。在名稱文本框中輸入文件名稱 zhu zhou xiang xiang ti；單擊確定，進入建模環(huán)境。 2) 點擊“插入” “草圖” ，彈出創(chuàng)建草圖對話框，選擇類型為“在平面上” ，然后根據(jù) 第三章的數(shù)據(jù)畫出正面圖。 3) 點擊 按鈕，點擊 按鈕，彈出“拉伸”對話框，選擇曲線為上一步的草 圖，指定矢量方向，點擊確定，主軸箱箱體實體創(chuàng)建成功，并完成孔的創(chuàng)建，如圖 5.5。 其他零部件按此操作方法建模。 圖 5.5 主軸箱箱體三維實體 圖 5.6 主軸三維實體 5.3 車架和主軸箱的虛擬裝配 5.3.1 基于 UG NX 6 的裝配設計簡介 裝配模塊是 NX 中集成的一個應用模塊，它幫助部件裝配的建構、在裝配上下文中對 各個部件的建模以及裝配圖紙的零件明細表的生成。UG 軟件是模擬真實產(chǎn)品裝配過程， 因此虛擬裝配方式，在 UG NX 6 裝配環(huán)境為產(chǎn)品裝配賦予新的概念，并由裝配過程定義 了新的裝配術語 15。 UG 根據(jù)裝配體與零件之間的引用關系，提供了 3 種建立裝配體的方法，即自底向上 設計（Bottom-up)、自頂向下（Top-down）設計和混合裝配方法。 無錫太湖學院學士學位論文 31 (1)自底向上裝配指首先在設計過程中設計零部件模型，然后組合成子裝配體，最后 生成裝配部件的裝配方法。 (2)自頂向下裝配指首先設計完成裝配體，并在裝配體中創(chuàng)建零部件模型，然后拆成 子裝配體和單個可以直接用于加工的零件模型。 這樣在虛擬裝配操作中，設計者可以根據(jù)需要混合使用以上兩種裝配方法。 (3)混合裝配是指將自頂向下裝配和自底向上裝配結合在一起的裝配方法，即首先創(chuàng) 建幾個主要的零部件模型，將它們