軸承內(nèi)外圈加工專用機(jī)床車架與主軸箱設(shè)計(jì)【含CAD圖紙】

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題目： 軸承內(nèi)外圈加工專用機(jī)床 車架與主軸箱設(shè)計(jì) 信 機(jī) 系 機(jī) 械 工 程 及 自 動(dòng) 化 專 業(yè) 學(xué) 號(hào)： 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(wú)錫太湖學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 誠(chéng) 信 承 諾 書(shū) 本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）軸承內(nèi)外圈加 工專用機(jī)床車架與主軸箱設(shè)計(jì)是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行 研究所取得的成果，其內(nèi)容除了在畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(jì)（論文）不包含 任何其他個(gè)人、集體已發(fā)表或撰寫的成果作品。 班 級(jí)： 機(jī)械 93 學(xué) 號(hào)： 0923118 作者姓名： 2013 年 5 月 25 日 無(wú) 錫 太 湖 學(xué) 院 信 機(jī) 系 機(jī) 械 工 程 及 自 動(dòng) 化 專 業(yè) 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 論 文 任 務(wù) 書(shū) 一、題目及專題： 1、題目軸承內(nèi)外圈加工專用機(jī)床車架與主軸箱設(shè)計(jì) 2、專題 二、課題來(lái)源及選題依據(jù) 該課題來(lái)源于某機(jī)床制造企業(yè)為提高加工過(guò)程的機(jī)械化和自動(dòng) 化水平，提高效率，降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，降低企業(yè)成本的需求。 軸承內(nèi)外圈車加工機(jī)床是針對(duì)企業(yè)發(fā)展需要，針對(duì)軸承內(nèi)外圈 車加工而設(shè)計(jì)的專用機(jī)床，此床應(yīng)用功能簡(jiǎn)單，性價(jià)比高，適用于 生產(chǎn)線加工。 此課題主要是設(shè)計(jì)機(jī)床車架和機(jī)床主軸箱。機(jī)床車架是一臺(tái)機(jī) 床“骨骼”，一臺(tái)機(jī)床是否可以運(yùn)作平穩(wěn)，所有機(jī)構(gòu)零件能否裝配 合理都要取決于車架的設(shè)計(jì)。而做為整臺(tái)機(jī)床的動(dòng)力傳輸機(jī)構(gòu)-主 軸箱，則為機(jī)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(jì)（論文或其他）應(yīng)達(dá)到的要求： 根據(jù)設(shè)計(jì)要求和對(duì)設(shè)計(jì)資料的理解，查閱相關(guān)中外資料。 根據(jù)設(shè)計(jì)要求運(yùn)用二維、三維建模軟件,對(duì)軸承內(nèi)外圈加工專用機(jī) I 床車架與主軸箱進(jìn)行設(shè)計(jì)。 完成總體設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)計(jì)算，繪制裝配圖和零件圖。 完成裝配,并對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析。 閱讀和翻譯英文文獻(xiàn)。 撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)論文。 四、接受任務(wù)學(xué)生： 機(jī)械 93 班 姓名 崔譯元 五、開(kāi)始及完成日期： 自 2012 年 11 月 12 日 至 2013 年 5 月 25 日 六、設(shè)計(jì)（論文）指導(dǎo)（或顧問(wèn)）： 指導(dǎo)教師簽名 簽名 簽名 教 研 室 主 任 學(xué)科組組長(zhǎng)研究所 所長(zhǎng)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(jī)床車架和主軸箱設(shè)計(jì)。該課題來(lái)源于某機(jī) 床制造企業(yè)的軸承內(nèi)外圈加工專用機(jī)床生產(chǎn)線改造項(xiàng)目，對(duì)于一臺(tái)機(jī)床而言，機(jī)架猶如 “骨骼”一樣支撐著整臺(tái)機(jī)床，而主軸箱則猶如“心臟”一樣為整臺(tái)機(jī)床提供不竭動(dòng)力。 本著主軸箱功能單一、輸入功率利用高、車架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、布局合理的原則，對(duì)主軸 箱和車架進(jìn)行了相關(guān)尺寸設(shè)計(jì)并運(yùn)用 UG 軟件對(duì)零部件進(jìn)行三維建模、虛擬裝配和運(yùn)動(dòng)仿 真。 主軸箱設(shè)計(jì)部分完成對(duì)主軸部件的尺寸設(shè)計(jì)與強(qiáng)度校核、皮帶輪的選用、軸承的選 用與壽命計(jì)算、鍵銷的選型與強(qiáng)度較核以及主軸箱內(nèi)的其他零件設(shè)計(jì)。車架設(shè)計(jì)部分由 于是非標(biāo)部件，故采用類比同類機(jī)床的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，布局合理的原則對(duì)車 架進(jìn)行尺寸設(shè)計(jì)，最后介紹車架的焊接技術(shù)。 在完成尺寸設(shè)計(jì)后，根據(jù)尺寸并運(yùn)用 UG 軟件完成相關(guān)零部件的建模，將所有零部件 進(jìn)行虛擬裝配，最后利用 UG 的仿真模塊對(duì)主軸箱進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，分析仿真結(jié)果，得出結(jié) 論，進(jìn)而完成整篇論文書(shū)寫。 關(guān)鍵詞：主軸箱；車架；三維建模；虛擬裝配；運(yùn)動(dòng)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(jì)的背景與目的 .1 1.2 軸承內(nèi)外圈車削加工國(guó)內(nèi)發(fā)展歷史及現(xiàn)狀 .1 1.3 車架和主軸箱設(shè)計(jì)的意義 .1 1.4 研究?jī)?nèi)容、預(yù)期目標(biāo)及研究方法 .2 2 總體方案設(shè)計(jì) .3 2.1 車架的類型 .3 2.2 主軸的類型 .3 3 主軸箱設(shè)計(jì) .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(jì) .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(dòng)機(jī)的選擇 .8 3.5 主軸的傳動(dòng)設(shè)計(jì) .8 3.5.1 轉(zhuǎn)動(dòng)方式概述 .8 3.5.2 皮帶輪設(shè)計(jì) .8 3.6 鍵的選擇與校核 .11 3.6.1 概述 .11 3.6.2 鍵的強(qiáng)度計(jì)算 .11 3.6.3 鍵的尺寸設(shè)計(jì) .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(jì)與選擇 .20 3.10.1 滾動(dòng)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(jì) .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(diǎn) .22 3.12 本章小結(jié) .23 4 車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .24 4.1 概述 .24 4.2 車架設(shè)計(jì)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(jì) .25 4.4.5 焊接技術(shù) .25 4.4.6 車架的時(shí)效處理 .25 4.4.7 車架的尺寸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .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(jì)簡(jiǎn)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(yùn)動(dòng)仿真 .34 6.1 運(yùn)動(dòng)仿真的工作界面 .34 6.1.1 UG 的接口問(wèn)題 .34 II 6.1.2 打開(kāi)運(yùn)動(dòng)仿真主界面 .34 6.1.3 運(yùn)動(dòng)仿真工作界面介紹 .35 6.2 主軸箱的運(yùn)動(dòng)仿真 .36 6.2.1 連桿特性的建立 .36 6.2.2 運(yùn)動(dòng)副特性的建立 .37 6.2.3 分析驗(yàn)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(xiàn) .41 3 1 緒論 1.1 車架與主軸箱設(shè)計(jì)的背景與目的 課題來(lái)源于某機(jī)床制造企業(yè)為提高加工過(guò)程的機(jī)械化和自動(dòng)化水平，提高效率，降 低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，降低企業(yè)成本的需求。軸承內(nèi)外圈車加工機(jī)床是針對(duì)企業(yè)發(fā)展需要， 針對(duì)軸承內(nèi)外圈車加工而設(shè)計(jì)的專用機(jī)床，此床應(yīng)用功能簡(jiǎn)單，性價(jià)比高，適用于生產(chǎn) 線加工。本次設(shè)計(jì)是為了滿足應(yīng)用功能簡(jiǎn)單，性價(jià)比高的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)的。 對(duì)于一個(gè)機(jī)床來(lái)說(shuō)，車架就是機(jī)床的“骨骼” ，支撐起整臺(tái)機(jī)床，而主軸箱則是機(jī)床 的“心臟”給機(jī)床不竭的動(dòng)力。 車架與主軸箱是一臺(tái)機(jī)床必不可少的兩個(gè)主要部分。車架在滿足整臺(tái)機(jī)床的支撐作 用的前提下，還要滿足人機(jī)工程的相關(guān)要求。主軸箱則在滿足動(dòng)力輸送的前提下，還要 滿足結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功能簡(jiǎn)單，效率高的要求。 1.2 軸承內(nèi)外圈車削加工國(guó)內(nèi)發(fā)展歷史及現(xiàn)狀 在上古時(shí)代的古埃及，曾經(jīng)使用圓柱形滾木運(yùn)輸巨大石塊建筑金字塔及紀(jì)念碑。中 世紀(jì)時(shí)，著名數(shù)學(xué)家萊布尼茨寫出了關(guān)于滾動(dòng)和滑動(dòng)摩擦的第一本著名理論著作。18 世 紀(jì)已經(jīng)使用鑄鐵或青銅，到 19 世紀(jì)已經(jīng)大童使用球、滾子和滾動(dòng)軸承。1820 年開(kāi)始應(yīng)用 小型的推力球座圈，1880 年登記了自行車滾動(dòng)軸承的專利。1883 年在歐洲建立了第一個(gè) 球軸承工廠，同時(shí)在美國(guó)也建立了第一個(gè)球軸承工廠?，F(xiàn)在，國(guó)際上已經(jīng)有成千上萬(wàn)家 大、中、小型和微型軸承公司。 我國(guó)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(lái)，經(jīng)過(guò)五十多年的發(fā)展，我國(guó)各類軸承的生產(chǎn)量已從 1949 年的 13.8 萬(wàn)套增加到 2005 年的 60 億套，累計(jì)生產(chǎn)軸承的品種規(guī)格已從 100 多個(gè)增加到 66000 多個(gè)。從軸承生產(chǎn)總 量和生產(chǎn)體系來(lái)看，我國(guó)已成為僅次于日本、美國(guó)和法國(guó)的世界軸承生產(chǎn)大國(guó)。 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(dòng)槽、油溝、油槽等。過(guò)去采用的設(shè)備水平普遍較低，多采用普通機(jī)床 C615,C618,C630，六角機(jī)床 C3180,C3163,C365L，立式機(jī)床 C512A,C516A 和 C534)等。 隨著機(jī)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(jī)床、多刀仿形機(jī)床、半自動(dòng)機(jī)床、多軸自 動(dòng)機(jī)床、數(shù)控機(jī)床、自動(dòng)化車削短線等，提高了自動(dòng)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(jī)床在國(guó)內(nèi)外都有很多研究，應(yīng)用的領(lǐng)域也越來(lái)越多， 軸承機(jī)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(shí)現(xiàn)了 單機(jī)自動(dòng)化、多機(jī)線自動(dòng)化的生產(chǎn)制造。其中軸承行業(yè)，占據(jù)頂端市場(chǎng)份額的 90以上， 速度、準(zhǔn)確度和耐用性是軸承內(nèi)外圈加工專用機(jī)床加工出來(lái)的產(chǎn)品的重要保障。 1.3 車架和主軸箱設(shè)計(jì)的意義 為了順應(yīng)當(dāng)今社會(huì)發(fā)展的需要，單機(jī)自動(dòng)化、多機(jī)線自動(dòng)化的生產(chǎn)制造已經(jīng)成為社 會(huì)生產(chǎn)的主流。如何普及自動(dòng)化，提高生產(chǎn)效率是現(xiàn)在面臨的首要問(wèn)題。車架和主軸箱 作為機(jī)床的兩個(gè)重要部件，也要順應(yīng)這個(gè)主流。與此同時(shí)，整臺(tái)機(jī)床的性價(jià)比要高也是 4 當(dāng)代機(jī)床發(fā)展的必然趨勢(shì)。 1.4 研究?jī)?nèi)容、預(yù)期目標(biāo)及研究方法 本課題來(lái)源于某機(jī)床制造企業(yè)生產(chǎn)線改造項(xiàng)目。 本論文的主要內(nèi)容包括： （1） 根據(jù)企業(yè)實(shí)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(jī)床車架和主 軸箱的結(jié)構(gòu)方案，并對(duì)各個(gè)零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)。 （2） 對(duì)軸承內(nèi)外圈加工專用機(jī)床尺寸設(shè)計(jì)，并利用 UG 軟件進(jìn)行三維建模。 （3） 對(duì)軸承內(nèi)外圈加工專用機(jī)床進(jìn)行虛擬裝配。 （4） 將虛擬樣機(jī)導(dǎo)入 UG 軟件運(yùn)動(dòng)仿真界面，并在 UG 中對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析， 檢驗(yàn)所選取方案及其模型的合理性，并對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。 （5） 軸承內(nèi)外圈加工專用機(jī)床車架和主軸箱設(shè)計(jì)要順應(yīng)自動(dòng)化生產(chǎn)線更新的需要， 本文將采取類比的研究方法對(duì)相關(guān)部件進(jìn)行設(shè)計(jì)。編 號(hào) 無(wú)錫太湖學(xué)院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) （ 論 文 ） 題目： 軸承內(nèi)外圈加工專用機(jī)床 車架與主軸箱設(shè)計(jì) 信 機(jī) 系 機(jī) 械 工 程 及 自 動(dòng) 化 專 業(yè) 學(xué) 號(hào)： 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(wú)錫太湖學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 誠(chéng) 信 承 諾 書(shū) 本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）軸承內(nèi)外圈加 工專用機(jī)床車架與主軸箱設(shè)計(jì)是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行 研究所取得的成果，其內(nèi)容除了在畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(jì)（論文）不包含 任何其他個(gè)人、集體已發(fā)表或撰寫的成果作品。 班 級(jí)： 機(jī)械 93 學(xué) 號(hào)： 0923118 作者姓名： 2013 年 5 月 25 日 無(wú) 錫 太 湖 學(xué) 院 信 機(jī) 系 機(jī) 械 工 程 及 自 動(dòng) 化 專 業(yè) 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 論 文 任 務(wù) 書(shū) 一、題目及專題： 1、題目軸承內(nèi)外圈加工專用機(jī)床車架與主軸箱設(shè)計(jì) 2、專題 二、課題來(lái)源及選題依據(jù) 該課題來(lái)源于某機(jī)床制造企業(yè)為提高加工過(guò)程的機(jī)械化和自動(dòng) 化水平，提高效率，降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，降低企業(yè)成本的需求。 軸承內(nèi)外圈車加工機(jī)床是針對(duì)企業(yè)發(fā)展需要，針對(duì)軸承內(nèi)外圈 車加工而設(shè)計(jì)的專用機(jī)床，此床應(yīng)用功能簡(jiǎn)單，性價(jià)比高，適用于 生產(chǎn)線加工。 此課題主要是設(shè)計(jì)機(jī)床車架和機(jī)床主軸箱。機(jī)床車架是一臺(tái)機(jī) 床“骨骼”，一臺(tái)機(jī)床是否可以運(yùn)作平穩(wěn)，所有機(jī)構(gòu)零件能否裝配 合理都要取決于車架的設(shè)計(jì)。而做為整臺(tái)機(jī)床的動(dòng)力傳輸機(jī)構(gòu)-主 軸箱，則為機(jī)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(jì)（論文或其他）應(yīng)達(dá)到的要求： 根據(jù)設(shè)計(jì)要求和對(duì)設(shè)計(jì)資料的理解，查閱相關(guān)中外資料。 根據(jù)設(shè)計(jì)要求運(yùn)用二維、三維建模軟件,對(duì)軸承內(nèi)外圈加工專用機(jī) I 床車架與主軸箱進(jìn)行設(shè)計(jì)。 完成總體設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)計(jì)算，繪制裝配圖和零件圖。 完成裝配,并對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析。 閱讀和翻譯英文文獻(xiàn)。 撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)論文。 四、接受任務(wù)學(xué)生： 機(jī)械 93 班 姓名 崔譯元 五、開(kāi)始及完成日期： 自 2012 年 11 月 12 日 至 2013 年 5 月 25 日 六、設(shè)計(jì)（論文）指導(dǎo)（或顧問(wèn)）： 指導(dǎo)教師簽名 簽名 簽名 教 研 室 主 任 學(xué)科組組長(zhǎng)研究所 所長(zhǎng)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(jī)床車架和主軸箱設(shè)計(jì)。該課題來(lái)源于某機(jī) 床制造企業(yè)的軸承內(nèi)外圈加工專用機(jī)床生產(chǎn)線改造項(xiàng)目，對(duì)于一臺(tái)機(jī)床而言，機(jī)架猶如 “骨骼”一樣支撐著整臺(tái)機(jī)床，而主軸箱則猶如“心臟”一樣為整臺(tái)機(jī)床提供不竭動(dòng)力。 本著主軸箱功能單一、輸入功率利用高、車架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、布局合理的原則，對(duì)主軸 箱和車架進(jìn)行了相關(guān)尺寸設(shè)計(jì)并運(yùn)用 UG 軟件對(duì)零部件進(jìn)行三維建模、虛擬裝配和運(yùn)動(dòng)仿 真。 主軸箱設(shè)計(jì)部分完成對(duì)主軸部件的尺寸設(shè)計(jì)與強(qiáng)度校核、皮帶輪的選用、軸承的選 用與壽命計(jì)算、鍵銷的選型與強(qiáng)度較核以及主軸箱內(nèi)的其他零件設(shè)計(jì)。車架設(shè)計(jì)部分由 于是非標(biāo)部件，故采用類比同類機(jī)床的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，布局合理的原則對(duì)車 架進(jìn)行尺寸設(shè)計(jì)，最后介紹車架的焊接技術(shù)。 在完成尺寸設(shè)計(jì)后，根據(jù)尺寸并運(yùn)用 UG 軟件完成相關(guān)零部件的建模，將所有零部件 進(jìn)行虛擬裝配，最后利用 UG 的仿真模塊對(duì)主軸箱進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，分析仿真結(jié)果，得出結(jié) 論，進(jìn)而完成整篇論文書(shū)寫。 關(guān)鍵詞：主軸箱；車架；三維建模；虛擬裝配；運(yùn)動(dòng)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(jì)的背景與目的 .1 1.2 軸承內(nèi)外圈車削加工國(guó)內(nèi)發(fā)展歷史及現(xiàn)狀 .1 1.3 車架和主軸箱設(shè)計(jì)的意義 .1 1.4 研究?jī)?nèi)容、預(yù)期目標(biāo)及研究方法 .2 2 總體方案設(shè)計(jì) .3 2.1 車架的類型 .3 2.2 主軸的類型 .3 3 主軸箱設(shè)計(jì) .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(jì) .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(dòng)機(jī)的選擇 .8 3.5 主軸的傳動(dòng)設(shè)計(jì) .8 3.5.1 轉(zhuǎn)動(dòng)方式概述 .8 3.5.2 皮帶輪設(shè)計(jì) .8 3.6 鍵的選擇與校核 .11 3.6.1 概述 .11 3.6.2 鍵的強(qiáng)度計(jì)算 .11 3.6.3 鍵的尺寸設(shè)計(jì) .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(jì)與選擇 .20 3.10.1 滾動(dòng)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(jì) .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(diǎn) .22 3.12 本章小結(jié) .23 4 車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .24 4.1 概述 .24 4.2 車架設(shè)計(jì)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(jì) .25 4.4.5 焊接技術(shù) .25 4.4.6 車架的時(shí)效處理 .25 4.4.7 車架的尺寸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .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(jì)簡(jiǎn)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(yùn)動(dòng)仿真 .34 6.1 運(yùn)動(dòng)仿真的工作界面 .34 6.1.1 UG 的接口問(wèn)題 .34 II 6.1.2 打開(kāi)運(yùn)動(dòng)仿真主界面 .34 6.1.3 運(yùn)動(dòng)仿真工作界面介紹 .35 6.2 主軸箱的運(yùn)動(dòng)仿真 .36 6.2.1 連桿特性的建立 .36 6.2.2 運(yùn)動(dòng)副特性的建立 .37 6.2.3 分析驗(yàn)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(xiàn) .41 無(wú)錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 0 1 緒論 1.1 車架與主軸箱設(shè)計(jì)的背景與目的 課題來(lái)源于某機(jī)床制造企業(yè)為提高加工過(guò)程的機(jī)械化和自動(dòng)化水平，提高效率，降 低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，降低企業(yè)成本的需求。軸承內(nèi)外圈車加工機(jī)床是針對(duì)企業(yè)發(fā)展需要， 針對(duì)軸承內(nèi)外圈車加工而設(shè)計(jì)的專用機(jī)床，此床應(yīng)用功能簡(jiǎn)單，性價(jià)比高，適用于生產(chǎn) 線加工。本次設(shè)計(jì)是為了滿足應(yīng)用功能簡(jiǎn)單，性價(jià)比高的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)的。 對(duì)于一個(gè)機(jī)床來(lái)說(shuō)，車架就是機(jī)床的“骨骼” ，支撐起整臺(tái)機(jī)床，而主軸箱則是機(jī)床 的“心臟”給機(jī)床不竭的動(dòng)力。 車架與主軸箱是一臺(tái)機(jī)床必不可少的兩個(gè)主要部分。車架在滿足整臺(tái)機(jī)床的支撐作 用的前提下，還要滿足人機(jī)工程的相關(guān)要求。主軸箱則在滿足動(dòng)力輸送的前提下，還要 滿足結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功能簡(jiǎn)單，效率高的要求。 1.2 軸承內(nèi)外圈車削加工國(guó)內(nèi)發(fā)展歷史及現(xiàn)狀 在上古時(shí)代的古埃及，曾經(jīng)使用圓柱形滾木運(yùn)輸巨大石塊建筑金字塔及紀(jì)念碑。中 世紀(jì)時(shí)，著名數(shù)學(xué)家萊布尼茨寫出了關(guān)于滾動(dòng)和滑動(dòng)摩擦的第一本著名理論著作。18 世 紀(jì)已經(jīng)使用鑄鐵或青銅，到 19 世紀(jì)已經(jīng)大童使用球、滾子和滾動(dòng)軸承。1820 年開(kāi)始應(yīng)用 小型的推力球座圈，1880 年登記了自行車滾動(dòng)軸承的專利。1883 年在歐洲建立了第一個(gè) 球軸承工廠，同時(shí)在美國(guó)也建立了第一個(gè)球軸承工廠?，F(xiàn)在，國(guó)際上已經(jīng)有成千上萬(wàn)家 大、中、小型和微型軸承公司。 我國(guó)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(lái)，經(jīng)過(guò)五十多年的發(fā)展，我國(guó)各類軸承的生產(chǎn)量已從 1949 年的 13.8 萬(wàn)套增加到 2005 年的 60 億套，累計(jì)生產(chǎn)軸承的品種規(guī)格已從 100 多個(gè)增加到 66000 多個(gè)。從軸承生產(chǎn)總 量和生產(chǎn)體系來(lái)看，我國(guó)已成為僅次于日本、美國(guó)和法國(guó)的世界軸承生產(chǎn)大國(guó)。 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(dòng)槽、油溝、油槽等。過(guò)去采用的設(shè)備水平普遍較低，多采用普通機(jī)床 C615,C618,C630，六角機(jī)床 C3180,C3163,C365L，立式機(jī)床 C512A,C516A 和 C534)等。 隨著機(jī)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(jī)床、多刀仿形機(jī)床、半自動(dòng)機(jī)床、多軸自 動(dòng)機(jī)床、數(shù)控機(jī)床、自動(dòng)化車削短線等，提高了自動(dòng)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(jī)床在國(guó)內(nèi)外都有很多研究，應(yīng)用的領(lǐng)域也越來(lái)越多， 軸承機(jī)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(shí)現(xiàn)了 單機(jī)自動(dòng)化、多機(jī)線自動(dòng)化的生產(chǎn)制造。其中軸承行業(yè)，占據(jù)頂端市場(chǎng)份額的 90以上， 速度、準(zhǔn)確度和耐用性是軸承內(nèi)外圈加工專用機(jī)床加工出來(lái)的產(chǎn)品的重要保障。 1.3 車架和主軸箱設(shè)計(jì)的意義 為了順應(yīng)當(dāng)今社會(huì)發(fā)展的需要，單機(jī)自動(dòng)化、多機(jī)線自動(dòng)化的生產(chǎn)制造已經(jīng)成為社 會(huì)生產(chǎn)的主流。如何普及自動(dòng)化，提高生產(chǎn)效率是現(xiàn)在面臨的首要問(wèn)題。車架和主軸箱 作為機(jī)床的兩個(gè)重要部件，也要順應(yīng)這個(gè)主流。與此同時(shí)，整臺(tái)機(jī)床的性價(jià)比要高也是 軸承內(nèi)外圈加工專用機(jī)床車架與主軸箱設(shè)計(jì) 1 當(dāng)代機(jī)床發(fā)展的必然趨勢(shì)。 1.4 研究?jī)?nèi)容、預(yù)期目標(biāo)及研究方法 本課題來(lái)源于某機(jī)床制造企業(yè)生產(chǎn)線改造項(xiàng)目。 本論文的主要內(nèi)容包括： （1） 根據(jù)企業(yè)實(shí)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(jī)床車架和主 軸箱的結(jié)構(gòu)方案，并對(duì)各個(gè)零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)。 （2） 對(duì)軸承內(nèi)外圈加工專用機(jī)床尺寸設(shè)計(jì)，并利用 UG 軟件進(jìn)行三維建模。 （3） 對(duì)軸承內(nèi)外圈加工專用機(jī)床進(jìn)行虛擬裝配。 （4） 將虛擬樣機(jī)導(dǎo)入 UG 軟件運(yùn)動(dòng)仿真界面，并在 UG 中對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析， 檢驗(yàn)所選取方案及其模型的合理性，并對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。 （5） 軸承內(nèi)外圈加工專用機(jī)床車架和主軸箱設(shè)計(jì)要順應(yīng)自動(dòng)化生產(chǎn)線更新的需要， 本文將采取類比的研究方法對(duì)相關(guān)部件進(jìn)行設(shè)計(jì)。 無(wú)錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 2 2 總體方案設(shè)計(jì) 2.1 車架的類型 車架是機(jī)器中典型的非標(biāo)準(zhǔn)的零件，是底座、機(jī)體、床身、車架、橋架（起重機(jī)） 、 殼體、箱體以及基礎(chǔ)平臺(tái)等零件的統(tǒng)稱，起到支撐、容納其他零部件和保證其相對(duì)位置 的作用。 車架按外形結(jié)構(gòu)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(shí)際設(shè)計(jì)要求，和經(jīng)濟(jì)性要求，綜上所述，本文將采用箱殼式運(yùn)用焊接方法制 造的金屬車架。 2.2 主軸的類型 用于機(jī)床的軸型有很多，常見(jiàn)的應(yīng)用于軸承內(nèi)外圈車加工專用機(jī)床的最為常見(jiàn)的兩 種軸型為直軸和心軸兩種 2。 直軸的特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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。 軸承內(nèi)外圈加工專用機(jī)床車架與主軸箱設(shè)計(jì) 3 圖 2.2 直軸 空心軸的特點(diǎn)：空心處可裝設(shè)其他零件。在同樣重量下，較之實(shí)心軸有較大強(qiáng)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(jì)要求和傳動(dòng)效率高的原則，綜上所述，本文采用空心軸。 無(wú)錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 4 3 主軸箱設(shè)計(jì) 3.1 主軸箱的概述 主軸箱是機(jī)床的重要部件，是用于布置機(jī)床工作主軸及其傳動(dòng)零件和相應(yīng)的附加機(jī)構(gòu) 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(jī)床實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)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(dòng)件、密封件等組成 3。 由于機(jī)床的功能不同，導(dǎo)致主軸部件的結(jié)構(gòu)也不同，但各種主軸部件都有共同特點(diǎn)： 在使用上都要求性能相一致的回轉(zhuǎn)精度、抗振性、剛度、耐磨性等，并且要求溫升低、 熱變形小。在結(jié)構(gòu)上要求完善解決工件或刀具的定位裝夾、軸承間隙的調(diào)整以及潤(rùn)滑、 主軸及軸承的定位、密封等問(wèn)題。當(dāng)然，由于機(jī)床的任務(wù)、類型和要求不同，導(dǎo)致主軸 工作條件的差異。因此，各類不同機(jī)床主軸部件需要解決的問(wèn)題應(yīng)各有所側(cè)重。 3.2.2 主軸的材料 主軸的材料品種很多，設(shè)計(jì)時(shí)主要根據(jù)對(duì)軸的強(qiáng)度、剛度、耐磨性以及加工、熱處理 和經(jīng)濟(jì)性等要求進(jìn)行選擇。 主軸的常用材料是經(jīng)過(guò)軋制或鍛造的優(yōu)質(zhì)中碳鋼和合金鋼，其中應(yīng)用最廣泛的是經(jīng)調(diào) 質(zhì)處理的 45 鋼。合金鋼對(duì)應(yīng)力集中比較敏感，因而對(duì)合金鋼軸表面加工質(zhì)量要求也比較 高，否則不能充分發(fā)揮其高強(qiáng)度的優(yōu)點(diǎn)。 根據(jù)同類機(jī)床的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，本文采用 40Cr 作為主軸的材料。 3.3 主軸主要參數(shù)設(shè)計(jì) 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(nèi)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(jiǎn)化問(wèn)題，主要是從靜剛度條件出發(fā)來(lái)確定這些參數(shù)。 軸承內(nèi)外圈加工專用機(jī)床車架與主軸箱設(shè)計(jì) 5 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(duì)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(shí)造成相配零件尺寸加大、結(jié)構(gòu)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(yīng)該去取小值。 設(shè)計(jì)時(shí)主要用類比的分析方法來(lái)確定主軸前軸頸直徑 （或平均直徑 ） 。1 按機(jī)床主電動(dòng)機(jī)功率 來(lái)確定主軸前軸頸直徑 ，如圖 3.2 所示統(tǒng)計(jì)曲線。N1D 圖 3.2 機(jī)床 統(tǒng)計(jì)曲線1DN 高速機(jī)床主軸和徑向截面要求小的主軸，可按區(qū)域來(lái)確定 的值。根據(jù)電機(jī)功率2D 和相關(guān)要求與經(jīng)驗(yàn)結(jié)合曲線圖，得 =70mm。1 根據(jù)同類機(jī)床的經(jīng)驗(yàn)此主軸可分為四段如圖 3.3，因定位軸肩的高度 h 一般為 無(wú)錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 6 =（0.07 0.1 ） ， 為與零件相配處的軸的直徑 5。hd 故 =70+0.1702=84mm。5D 圖 3.3 四段軸圖 對(duì)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(shè)置的，其高度沒(méi)有 嚴(yán)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(nèi)孔直徑 d 的確定 主軸內(nèi)孔直徑與機(jī)床的類型有關(guān)，主要用來(lái)通過(guò)棒料，通過(guò)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(duì)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(yīng)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(shí)空實(shí)空 DdI 根據(jù)（3.1）式，可繪出主軸孔徑 對(duì)剛度的影響曲線如圖 3.4。 圖 3.4 孔徑 對(duì)剛度的影響曲線d 軸承內(nèi)外圈加工專用機(jī)床車架與主軸箱設(shè)計(jì) 7 由圖可知，當(dāng) 時(shí)內(nèi)孔 對(duì)主軸剛度幾乎無(wú)影響，可忽略不計(jì)，所以常取孔徑5.0Ddd 的極限值 為：dmax 0.7maxD 此時(shí) 0.75 ，即剛度削弱小于 25%。若孔徑再大，主軸剛度就會(huì)急劇下降?？誎實(shí) 普通機(jī)床 =0.550.61Dd或 式中 d1前軸頸內(nèi)孔直徑。 由已知條件 =70mm，所以 = （0.550.6）=70（0.550.6）11d mm=38.542mm 。 根據(jù)同類機(jī)床經(jīng)驗(yàn)得 =40mm。1 因?yàn)榇藱C(jī)床正常加工無(wú)需內(nèi)孔，但出于減輕軸的重量考慮，同時(shí)類比同類機(jī)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(diǎn)（一般即為前徑向支承中點(diǎn)） 的距離 5。它主要取決于主軸端部結(jié)構(gòu)型式和尺寸（大多有軸端標(biāo)準(zhǔn)） 、前支承的軸承配 置和密封裝置等，有的還與機(jī)床其他參數(shù)有關(guān)，如工作臺(tái)的行程等，因此主要有結(jié)構(gòu)設(shè) 計(jì)決定。 懸伸量 值對(duì)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(jié)構(gòu)要求的前提下盡可能取小值，同時(shí)應(yīng)在設(shè)計(jì)時(shí)采取措施縮減 a 值。 與同類機(jī)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(diǎn)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(jī)床的主軸跨距，此機(jī)床的合理跨距 =300mm。l 3.4 電動(dòng)機(jī)的選擇 該機(jī)床只要是用于加工深溝球軸承系列的內(nèi)外圈的專用機(jī)床 7。 軸承內(nèi)外圈的材料： GCr15 刀具材料： YT158 最大車削直徑： 52mm 軸承內(nèi)外圈的加工生產(chǎn)類型 大批量生產(chǎn) 根據(jù)實(shí)際需求和以往經(jīng)驗(yàn)，我將選擇變頻調(diào)速電機(jī)。變頻調(diào)速電機(jī)我選擇了 4 級(jí)電機(jī)， 基頻工作點(diǎn)設(shè)計(jì)在 50Hz 頻率 0-50Hz（轉(zhuǎn)速 0-1480r/min）范圍內(nèi)電機(jī)作恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)動(dòng)。 本文電動(dòng)機(jī)的輸出功率為 3kW，轉(zhuǎn)速為 1000r/min。 無(wú)錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 8 3.5 主軸的傳動(dòng)設(shè)計(jì) 3.5.1 轉(zhuǎn)動(dòng)方式概述 主軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)方式的選擇，決定于主軸轉(zhuǎn)速的高低，所傳遞扭矩的大小，對(duì)運(yùn) 轉(zhuǎn)平穩(wěn)性的要求及結(jié)構(gòu)緊湊、裝卸維修方便等。 機(jī)床主軸的常用傳動(dòng)方式有：齒輪傳動(dòng)、帶傳動(dòng)、電動(dòng)機(jī)直接傳動(dòng)、空氣渦輪傳動(dòng)、 渦輪蝸桿傳動(dòng)和鏈傳動(dòng)等。 本文根據(jù)同類機(jī)床傳動(dòng)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，初步選擇使用帶傳動(dòng)。 查機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)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(jī)床。 3.5.2 皮帶輪設(shè)計(jì) 本節(jié)設(shè)計(jì)步驟和相關(guān)圖表均參考文獻(xiàn)2,袖珍機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊(cè) 。 3.5.2.1 概述 帶傳動(dòng)是最常用的一種機(jī)械傳動(dòng)，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳動(dòng)平穩(wěn)、能緩沖吸振、能 實(shí)現(xiàn)兩軸距離較遠(yuǎn)的傳動(dòng)。 帶傳動(dòng)的類型很多，主要有以摩擦傳動(dòng)為傳動(dòng)方式的 V 帶傳動(dòng)、平帶傳動(dòng)和圓帶傳 動(dòng)以及以嚙合傳動(dòng)為傳動(dòng)方式的同步帶傳動(dòng)和特種同步帶傳動(dòng)。 本文根據(jù)同類機(jī)床設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)選用普通 V 帶傳動(dòng)。 普通 V 帶是用多種材料制成的無(wú)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(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算 V 帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)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(qiáng)度和使用壽 命。 本文電動(dòng)機(jī)輸出功率 P=3kW，電機(jī)轉(zhuǎn)速 ，主軸轉(zhuǎn)速 。min/102rnmin/160rn (1) 計(jì)算功率 （3.2）PKAc 根據(jù)參考文獻(xiàn)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(xiàn)2中圖 15-1 得出本文應(yīng)選用 A 型。c1n (3) 小帶輪的基準(zhǔn)直徑 為了提高 V 帶的壽命，宜選取較大直徑，基于這個(gè)原則，查參考文獻(xiàn) 2中表 15-7 和 圖 15.1，取 mm。81d (4) 大帶輪的基準(zhǔn)直徑 mm，查參考文獻(xiàn)2中表 15-7，取 mm。.106212 ddn 1802d (5) 帶速 軸承內(nèi)外圈加工專用機(jī)床車架與主軸箱設(shè)計(jì) 9 m/s89.106106ndv (6) 初定中心距 21021(7. dda） mm mm88 208.6mm 596mm0 根據(jù)結(jié)構(gòu)要求選定 mm。50a (7) 初算膠帶基準(zhǔn)長(zhǎng)度 m9722504181850222addLd 由參考文獻(xiàn)2中表 15-3 選取基準(zhǔn)長(zhǎng)度 mm。dL (8) 實(shí)際中心距 264m972105dLa 安裝時(shí)調(diào)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(xiàn)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(xiàn)2中表 15-9c 查得 kW17.0P 無(wú)錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 10 (12) V 帶的根數(shù) 根 。取 根根3 47.389.06.17.05. 21 ZKPLc (13) 單根 V 帶的預(yù)拉力 (3.3)201.5qvKvZPFc 由公式（3.3） ，并根據(jù)參考文獻(xiàn)2中表 15-11 查得 =0.1kg/m。 原式 49N8.996.0238.5 (14) 作用在軸上的力 825.16sin321sin2ZFQ (15) 帶輪的結(jié)構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)零件，通常用來(lái)實(shí)現(xiàn)軸與輪轂之間的周圍固定以傳遞轉(zhuǎn)矩，有的還能 實(shí)現(xiàn)軸上零件的軸向固定或軸向滑動(dòng)的導(dǎo)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(diǎn)：鍵的兩側(cè)面是工作面，工作時(shí)，靠鍵同鍵 槽側(cè)面的擠壓來(lái)傳遞轉(zhuǎn)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(jié) 構(gòu)簡(jiǎn)單、裝拆方便、對(duì)中性較好等優(yōu)點(diǎn)，因而得到廣泛應(yīng)用。 鍵的材料采用抗拉強(qiáng)度不小于 600MPa 的鋼，通常為 45 鋼 6。 故本文鍵的材料選擇 45 鋼。 軸承內(nèi)外圈加工專用機(jī)床車架與主軸箱設(shè)計(jì) 11 3.6.2 鍵的強(qiáng)度計(jì)算 平鍵連接傳遞轉(zhuǎn)矩時(shí)，連接中各零件的受力如圖 3.6 所示。 圖 3.6 平鍵連接的受力情況 對(duì)于本文實(shí)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(qiáng)度條件為 6： （3.4）ppkldT3102 式中： 傳遞的轉(zhuǎn)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(zhǎng)度，單位 mm，圓頭平鍵 ，這里 為鍵的公稱長(zhǎng)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(yīng)力，單位 MPa，見(jiàn)表 3-1。p 表 3-1 鍵連接的許用擠壓應(yīng)力 載荷性質(zhì)許用擠壓應(yīng)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） Pp MadbLkT72.68510.324 無(wú)錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 12 故滿足要求。 3.6.3 鍵的尺寸設(shè)計(jì) 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(méi)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(jié)構(gòu)、配置、精度、安裝、調(diào)整、 潤(rùn)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(dòng)軸承和滾動(dòng)軸承，按照本文要求和同類機(jī)床的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，本文采用滾 動(dòng)軸承。常用的滾動(dòng)軸承有：深溝球軸承、調(diào)心軸軸承、角接觸軸承、圓柱滾子軸承、 調(diào)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(yùn)動(dòng) 滾動(dòng)支承等。 3.8.2 軸承的選擇 主軸部件上的軸承應(yīng)具有旋轉(zhuǎn)精度高、剛度高、承載能力強(qiáng)、抗振性好、極限轉(zhuǎn)速高、 適應(yīng)變速范圍大、摩擦功耗小、噪聲低、壽命長(zhǎng)等性能，同時(shí)應(yīng)該滿足制造簡(jiǎn)單，使用 維修方便、成本低、結(jié)構(gòu)尺寸小等要求。 本文所設(shè)計(jì)的主軸的載荷較大，轉(zhuǎn)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(gè)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(huì)產(chǎn)生附加軸向力，所以本文將成對(duì)使用 6。 根據(jù)同類機(jī)床的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，又因?yàn)橹鬏S裝配軸承部位的直徑 、m701D ，所以由參考文獻(xiàn)3中表 12-24 單列圓錐滾子軸承（外形尺寸摘自 GB/T m62D 軸承內(nèi)外圈加工專用機(jī)床車架與主軸箱設(shè)計(jì) 13 297-1994） 。針對(duì) 、 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(jié) 構(gòu)一般比較簡(jiǎn)單，調(diào)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(duì)使用，也有和其他類型軸承組合使 用的。 本文將成對(duì)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(yù)緊 圓錐滾子軸承常用螺母預(yù)緊，后支承一般用彈簧預(yù)緊，而本文用的是并帽預(yù)緊方式。 3.8.5 圓錐滾子軸承校核 機(jī)床經(jīng)濟(jì)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(jìn)給抗力： y6 無(wú)錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 14 、 、 三力之間的空間關(guān)系如圖 3.9。zFxy 圖 3.9 、 、 三力之間的空間關(guān)系z(mì)Fxy 為了方便計(jì)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(gè)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 軸承內(nèi)外圈加工專用機(jī)床車架與主軸箱設(shè)計(jì) 15 NFxHr 6.8312651 x 170.832 HrVrr .911F2356222 (2) 求軸承的計(jì)算軸向力 1aF和 對(duì)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(dāng)量動(dòng)載荷 21P和 因?yàn)?11.36.97era2208.5NFra 當(dāng) 時(shí)，eFrarP 當(dāng) 時(shí)， 6 raarrY4.0 所以 NFr 62.192.1035.6927.11 FPr2 (4) 驗(yàn)算軸承壽命 因?yàn)?，所以按軸承 1 的受力大小驗(yàn)算21P h107.h62.1906060311 PCnLh 查參考文獻(xiàn)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(guò)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(qiáng)度條件對(duì)軸的強(qiáng)度進(jìn)行 無(wú)錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 16 校核計(jì)算。 (1) 做出軸的計(jì)算簡(jiǎn)圖 軸所受的載荷是從零件傳來(lái)的，計(jì)算時(shí)，常將軸上的分布載荷簡(jiǎn)化為集中力，其作用 點(diǎn)取載荷分布段的中點(diǎn)。作用在軸上的扭矩，一般從傳動(dòng)件輪轂寬度的中點(diǎn)算起。 在做計(jì)算簡(jiǎn)圖時(shí)，應(yīng)先求出軸上受力零件的載荷（若為空間力系，應(yīng)該把空間力系分 解為圓周力、徑向力、軸向力，然后把它們?nèi)哭D(zhuǎn)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(jiǎn)圖，分別求出各面的力、彎矩大小畫(huà)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 軸承內(nèi)外圈加工專用機(jī)床車架與主軸箱設(shè)計(jì) 17 NFC730y C 點(diǎn) 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(diǎn) X 軸的彎矩 mlbazBx 40.2 B 點(diǎn)的合成彎矩 如圖 3.14。 圖 3.14 彎矩合成圖 由 2BzxBM 因?yàn)?mNmNCxz 441063.108.3841 所以 B 224 9.60.6 Cz (3) 做出扭矩圖 如圖 3.15。 無(wú)錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 18 圖 3.15 扭矩圖 mNNnPT 466 10.3102.5.9105.9 (4) 軸的危險(xiǎn)面分析 如圖 3.16 是對(duì)軸危險(xiǎn)面的劃分。 圖 3.16 軸危險(xiǎn)面示意圖 對(duì)于截面 1、2，由于扭矩一樣，軸的外徑一樣大，所以扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力取決于內(nèi) 孔徑，內(nèi)孔徑越大，扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力越大，故截面 2 為危險(xiǎn)截面。 而對(duì)于截面 2、3、4，由于扭矩一樣，軸的內(nèi)孔徑一樣大，所以扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力 取決于外徑，外徑越小，扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力越大，故截面 3 為危險(xiǎn)截面。 綜上所述，截面 3 為危險(xiǎn)截面。 (5) 軸的強(qiáng)度校核 1) 扭矩： 計(jì)算危險(xiǎn)截面 3 并與 10比較即：1 12444 109.601.322 MPaaDTIP 滿足扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件。 2) 彎矩： 根據(jù)分析由圖 3.14 得 B 點(diǎn)彎矩最大所以只需要計(jì)算 B 點(diǎn)彎矩即可，結(jié)果與 比較。113343 9.2685109.212 MPaaDM 軸承內(nèi)外圈加工專用機(jī)床車架與主軸箱設(shè)計(jì) 19 滿足彎矩強(qiáng)度要求。 綜上所述，本文設(shè)計(jì)的軸滿足要求。 3.10 軸上其他零件的設(shè)計(jì)與選擇 3.10.1 滾動(dòng)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(jìn)入軸承，并阻止?jié)櫥瑒┝?失而設(shè)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)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 無(wú)錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 20 3.10.4 主軸箱后前端蓋 尺寸如圖 3.19。 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 軸承內(nèi)外圈加工專用機(jī)床車架與主軸箱設(shè)計(jì) 21 3.10.6 主軸并帽 尺寸如圖 3.21。 圖 3.21 主軸并帽尺寸圖 3.11 主軸箱箱體設(shè)計(jì) 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(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的車 架體采用鑄造加工方法，即通常采用鑄鐵材料。而對(duì)于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的車架則一般采用普通 碳素鋼進(jìn)行焊接制造。 本文根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)和實(shí)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(diǎn) 3.11.3.1 最小壁厚 鑄件的最小壁厚與強(qiáng)度、剛度、材料、尺寸大小及工藝水平等因素有關(guān)。 對(duì)砂型鑄造，灰鑄鐵件的最小壁厚可按當(dāng)量尺寸 從表 3-2 中選取。當(dāng)量尺寸為N (3.5)3/2HBLN 式中， 分別為鑄件的長(zhǎng)、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(dāng)量尺寸 N/m 外壁厚 /mm 內(nèi)壁厚/mm 0.3 6 6 0.75 8 6 無(wú)錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 22 1 10 8 根據(jù)表 3-2 和公式（3.5）得 所以外壁厚和內(nèi)壁厚m35.0103287N 均為 6mm，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)箱體的壁厚取 20mm。 3.11.3.2 加強(qiáng)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(yīng)力集中，故在 主軸前端支承表面安置加強(qiáng)筋，以增加抗變形系數(shù)。 3.11.3.3 箱體的其他設(shè)計(jì) 主軸箱箱體的其他設(shè)計(jì)尺寸如圖 3.22。 圖 3.22 主軸箱箱體尺寸圖 3.12 本章小結(jié) 本章主要進(jìn)行了主軸箱的主軸部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、受力分析、數(shù)據(jù)計(jì)算、校核；傳動(dòng)裝 置-皮帶輪的選擇、數(shù)據(jù)計(jì)算；軸承的選型、受力分析、壽命計(jì)算；主軸箱箱體的結(jié)構(gòu)設(shè) 計(jì)等內(nèi)容。 軸承內(nèi)外圈加工專用機(jī)床車架與主軸箱設(shè)計(jì) 23 4 車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 4.1 概述 本文將采用箱殼式運(yùn)用焊接方法制造的金屬車架。 4.2 車架設(shè)計(jì)的要求 車架作為非標(biāo)準(zhǔn)零件，同樣應(yīng)滿足零件設(shè)計(jì)的一般要求，即功能要求、加工工藝性 要求。車架設(shè)計(jì)用著重考慮車架的剛度、強(qiáng)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(zhì)量輕、成本低、結(jié)構(gòu)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(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的車 架體采用鑄造加工方法，即通常采用鑄鐵材料。而對(duì)于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的車架則一般采用普通 碳素鋼進(jìn)行焊接制造。 本文設(shè)計(jì)的車架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所以將采用普通碳素鋼進(jìn)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(qiáng)度和剛度，一般僅與斷面面積的大小有關(guān)，而與斷面形狀無(wú)關(guān)。 但零件的抗彎、抗扭強(qiáng)度和剛度除了 與其截面面積有關(guān)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(qiáng)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(shí)應(yīng)考慮如下幾個(gè)方面。 (1) 截面形狀應(yīng)與車架所受載荷種類相適應(yīng)。 (2) 截面形狀應(yīng)與車架材料特性相適應(yīng)。鋼材應(yīng)盡量使用拉、壓代替其受彎，鑄鐵應(yīng) 盡可能受壓。 (3) 截面變化應(yīng)符合等強(qiáng)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(nèi)壁，它的功能是加強(qiáng)車架四壁之間的聯(lián)系使它們起到一個(gè) 整體的作用；肋條也叫加強(qiáng)肋，一般布置在內(nèi)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(lái)加強(qiáng)空心斷面車架的整體剛度或局部剛度，同時(shí)也可防止薄壁振動(dòng) 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(nèi)。 本文則在應(yīng)力相對(duì)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(duì)開(kāi)式。 4.4.3 車架壁板上的孔 車架內(nèi)部由于要安裝電氣裝置、液壓系統(tǒng)和傳動(dòng)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(nèi)部肋板上開(kāi)出各種孔。這些孔的形狀、大小及位置 無(wú)錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 24 對(duì)車架的剛度均有接強(qiáng)度與剛度，連接剛度是機(jī)器總體剛度的組成部分，因此直接影響 機(jī)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 素有：連接處的結(jié)構(gòu)、連接件及墊片的剛度、結(jié)合面的表面精度、連接螺栓的數(shù)量、大 小及排列形式，預(yù)緊力的大小等。 為改善車架連接剛度，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意如下幾點(diǎn)。 (1) 結(jié)合面的表面結(jié)構(gòu)中的粗糙度應(yīng)不低于 ，結(jié)合面應(yīng)在同一平面內(nèi)，滿足一m2.3 定的平面度要求。 (2) 固定螺栓的直徑應(yīng)足夠大，數(shù)量足夠，螺栓的布置應(yīng)均勻、對(duì)稱。 (3) 改善連接部位的受力狀態(tài)，并對(duì)螺栓施加足夠的預(yù)緊力。 根據(jù)上述要點(diǎn)，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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shù) 的介紹和車架的時(shí)效處理等。 4.4.5 焊接技術(shù) 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(dāng)厚度大于 20mm，結(jié)構(gòu)剛度最大，車間的溫度低于-5時(shí)要預(yù)熱。 4.4.5.3 Q235-A 的焊接 (1) 焊接電源 焊接 Q235-A 時(shí)對(duì)焊接電源沒(méi)有什么特殊要求，一般的交、直流弧焊機(jī)都可以焊接。 本文采用交流弧焊機(jī)。 (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(hù)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(duì)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(shí)效處理 制造車架時(shí)，焊接（或鑄造） 、熱處理及加工等都會(huì)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(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。如果不進(jìn)行時(shí)效處理，將因內(nèi)應(yīng)力的逐漸重 新分布而變形，使車架喪失原有的精度。 時(shí)效處理就是在精加工之前，使車架充分變形，消除內(nèi)應(yīng)力，提高其尺寸的穩(wěn)定性。 常見(jiàn)的方法有自然時(shí)效、人工時(shí)效和振動(dòng)時(shí)效等幾種，其中人工時(shí)效應(yīng)用最廣。 軸承內(nèi)外圈加工專用機(jī)床車架與主軸箱設(shè)計(jì) 25 本文采用人工時(shí)效對(duì)車架進(jìn)行時(shí)效處理。 4.4.7 車架的尺寸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 具體尺寸設(shè)計(jì)如圖 4.1，4.2，4.3。 圖 4.1 車架框架臺(tái)面板尺寸圖 圖 4.2 車架框架后側(cè)及左側(cè)尺寸圖 圖 4.3 車架框架前側(cè)及右側(cè)尺寸圖 無(wú)錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 26 4.5 本章小結(jié) 本章主要研究了車架的分類、設(shè)計(jì)要點(diǎn)以及本文采用材料的選擇，制造方法等內(nèi)容。 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(jiǎn)稱 UG)，是由美國(guó) Unigraphics Solutions(UGS)公司推出的面向制造 業(yè)的高端軟件。UG 是當(dāng)今應(yīng)用最廣泛、最具競(jìng)爭(zhēng)力的 CAE/CAD/CAM 大型集成軟件之 一。其囊括了產(chǎn)品設(shè)計(jì)、零件裝配、模具設(shè)計(jì)、NC 加工、工程圖設(shè)計(jì)、模流分析、自動(dòng) 測(cè)量和機(jī)構(gòu)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(dòng)機(jī)，日產(chǎn)，克萊斯勒，以及美國(guó)軍方。幾乎所有飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)和大部分汽車發(fā)動(dòng) 機(jī)都采用 UG 進(jìn)行設(shè)計(jì)，充分體現(xiàn) UG 在高端工程領(lǐng)域，特別是軍工領(lǐng)域的強(qiáng)大實(shí)力。在 高端領(lǐng)域與 CATIA 并駕齊驅(qū) 14。 UG 面向過(guò)程驅(qū)動(dòng)的技術(shù)是虛擬產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)，在面向過(guò)程驅(qū)動(dòng)技術(shù)的環(huán)境中， 用戶的全部產(chǎn)品以及精確地?cái)?shù)據(jù)模型能夠在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)全過(guò)程的各個(gè)環(huán)節(jié)保持相關(guān)，從而 有效地實(shí)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(kuò)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(shù)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(guò)圖標(biāo)來(lái)實(shí)現(xiàn)，并且在進(jìn)行對(duì)象 操作時(shí)，具有自動(dòng)推理的功能。同時(shí)，每個(gè)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(shí)體建模、特征建模、自由建模、自由曲面建 模等先進(jìn)的造型和輔助功能。草圖工具適合于全參數(shù)化設(shè)計(jì)；曲線工具雖然參數(shù)化功能 不如草圖工具，但用來(lái)構(gòu)建線框圖更為方便；實(shí)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(shí)體、線框架構(gòu)等功能；自由曲面工 具是架構(gòu)在融合了實(shí)體建模及曲面建模技術(shù)之上的超強(qiáng)設(shè)計(jì)工具，能設(shè)計(jì)出如工業(yè)造型 設(shè)計(jì)產(chǎn)品的復(fù)雜曲面外形。 UG NX 以基于特征（如孔、凸臺(tái)、型膠、槽溝、倒角等）的建模和編輯方法作為實(shí) 體造型基礎(chǔ)，形象直觀，類似于工程師傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，能用參數(shù)驅(qū)動(dòng)。 (3) 集成的工程設(shè)計(jì)功能 UG NX 工程制圖模塊由實(shí)體模型自動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)和國(guó)際標(biāo)注尺寸、形位公差和漢字說(shuō)明等。此外還可以直 接對(duì)實(shí)體做旋轉(zhuǎn)剖、階梯剖和軸測(cè)圖挖切生成各種剖視圖，增強(qiáng)了繪制工程圖的實(shí)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。 軸承內(nèi)外圈加工專用機(jī)床車架與主軸箱設(shè)計(jì) 27 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(shè)置定位約束，從而將各組件 定位在當(dāng)前環(huán)境中。 5.2 主要零部件的三維建模 UG 為用戶提供了強(qiáng)大、廣泛的產(chǎn)品設(shè)計(jì)應(yīng)用模塊，它具有高性能的機(jī)械設(shè)計(jì)和制圖 功能。 一般來(lái)說(shuō)，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(yīng)用領(lǐng)域有不同的特征，其分類方法也各不相同，對(duì)于機(jī)械產(chǎn)品的實(shí)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(shù)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(jìn)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(zhǎng)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(nèi)外圈加工專用機(jī)床車架和主軸箱的建模過(guò)程。 5.2.1 車架建模 (1) 車架框架臺(tái)面板的建模 根據(jù)第四章的數(shù)據(jù)，已知臺(tái)面板的尺寸。 1) 新建文件系統(tǒng)彈出文件新建對(duì)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(jìn)入建模環(huán)境。 2) 點(diǎn)擊“插入” “草圖” ，彈出創(chuàng)建草圖對(duì)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(huà)出側(cè)面圖，如圖 5.1 所示。 圖 5.1 車架框架臺(tái)面板草圖 3) 點(diǎn)擊 按鈕，點(diǎn)擊 按鈕，彈出“拉伸”對(duì)話框，選擇曲線為上一步的 草圖，指定矢量為 Z 方向，開(kāi)始距離為 0，結(jié)束距離為 20，點(diǎn)擊確定，臺(tái)面板實(shí)體創(chuàng)建 成功，如圖 5.2 所示。 無(wú)錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 28 圖 5.2 車架框架它臺(tái)面板拉伸的實(shí)體 4) 點(diǎn)擊 按鈕，彈出如圖 5.3 所示的對(duì)話框，類型選擇為“螺紋孔” ，指定點(diǎn)選為 上一步確定的中心，螺紋尺寸選為 M14，點(diǎn)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(duì)話框 軸承內(nèi)外圈加工專用機(jī)床車架與主軸箱設(shè)計(jì) 29 圖 5.4 車架框架臺(tái)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(duì)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(jìn)入建模環(huán)境。 2) 點(diǎn)擊“插入” “草圖” ，彈出創(chuàng)建草圖對(duì)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(huà)出正面圖。 3) 點(diǎn)擊 按鈕，點(diǎn)擊 按鈕，彈出“拉伸”對(duì)話框，選擇曲線為上一步的草 圖，指定矢量方向，點(diǎn)擊確定，主軸箱箱體實(shí)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(shí)體 圖 5.6 主軸三維實(shí)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(shè)計(jì)簡(jiǎn)介 裝配模塊是 NX 中集成的一個(gè)應(yīng)用模塊，它幫助部件裝配的建構(gòu)、在裝配上下文中對(duì) 各個(gè)部件的建模以及裝配圖紙的零件明細(xì)表的生成。UG 軟件是模擬真實(shí)產(chǎn)品裝配過(guò)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(guò)程定義 了新的裝配術(shù)語(yǔ) 15。 UG 根據(jù)裝配體與零件之間的引用關(guān)系，提供了 3 種建立裝配體的方法，即自底向上 設(shè)計(jì)（Bottom-up)、自頂向下（Top-down）設(shè)計(jì)和混合裝配方法。 無(wú)錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 30 (1)自底向上裝配指首先在設(shè)計(jì)過(guò)程中設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(gè)可以直接用于加工的零件模型。 這樣在虛擬裝配操作中，設(shè)計(jì)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(jié)合在一起的裝配方法，即首先創(chuàng) 建幾個(gè)主要的零部件模型，將它們組裝在一起，然后在裝配體中設(shè)