1、毕 业 设 计 毕业设计题目：轿车轮毂轴承单元铆合装配专用设备的 液压系统设计 轿车轮毂轴承单元铆合装配专用设备的 液压系统设计 摘要：汽车轮毂轴承单元的铆合装配具有显著的优点，但目前国内仍然没有用于汽车轮毂轴承 单元的铆合装配的专用设备，本设计填补了这一空白。本文从汽车轮毂轴承单元的发展开始， 逐步介绍了轮毂轴承单元的产品特点，摆辗技术的国内外概况，摆辗加工基本原理和特点；介 绍了对总体方案的分析与设计以及机床床身基础件的装配图设计、液压元件在这一设备中所起 到的重要作用，将着重介绍油路的设计分析，液压元器件的设计计算。 关键词：汽车、轮毂轴承单元、旋压、液压系统、设计 The design
2、 of hydraulic system to spinning equipment for automobile wheel bearing units riveting assembly Abstract: the riveting assembly of automobile wheel bearing units has significant advantages, but there still no special equipment used for domestic automobile wheel bearing units of the riveting assembly
3、, this designed to fill this gap. This paper begin from the car wheel bearing units of development, gradually introduced the characteristics of a wheel bearing unit product, rotary forging technology profile at home and abroad, basic principles and characteristics of rotary forging processing; focus
4、 on the overall programme of analysis and design and machine tool bed Based on the design of the assembly, hydraulic components in this equipment is very important, Circuit design analysis, design and calculation of the hydraulic components. Key words: automobile；Hub Bearing Unit；spinning；Hydraulic
5、system; design 目录 一 绪 论 （5） 1.1 课题的来源与意义 （5） 1.1.1 汽车轮毂轴承单元的发展概况及性能比较 （5） 1.1.2 当前汽车轮毂轴承单元的装配形式 （7） 1.1.3 轮毂轴承单元旋压铆合技术的优越性 (8) 1.1.4 本课题的研究意义与主要任务 （10） 1.2 轴承铆合技术和设备在国内外发展概况 (10） 1.3 汽车轮毂轴承的形状和工艺分析 (11） 1.3.1 轿车轮毂轴承的形状 (11） 1.3.2 工艺分析 (11） 1.3.3 汽车轮毂轴承单元的 3D 建模与分析(11） 1.4 轴承单元轴铆合装配的认识 (12） 1.4.1 轴承单
6、元轴铆合装配的过程 (12） 1.4.2 轮毂轴承单元轴铆合装配旋压过程的分析（13） 二 摆动辗压基本原理及工艺特点(14) 2.1 摆动辗压的工作原理（14） 2.2 摆动辗压的特点（16） 2.3 摆辗的力能参数计算（16） 2.3.1 接触面轮廓曲线方程 （16） 2.3.2 摆辗的接触面投影面积（17） 三 轮毂轴承铆合装配专用设备总体方案 （20） 3.1 铆合机的主要技术指标（20） 3.2 总体方案的论证设计（20） 3.2.1 运动功能分析（21） 3.2.2 机床总体结构布局设计（22） 3.3 机床整机装配示意图（23） 四 液压系统设计计算 （24） 4.1 设计要求（
7、24） 4.2 工况分析确定主要参数（24） 4.2.1 载荷的组成和计算（24） 4.2.2 初选系统工作压力（25） 4.3 计算液压油缸的主要结构尺寸（25） 4.3.1 主油缸主要结构尺寸设计（25） 4.3.2 送料油缸主要结构尺寸设计（29） 4.4 计算各液压缸所需要的流量（29） 4.4.1 主油缸流量计算（29） 4.4.2 送料油缸流量计算（30） 4.5 基本方案确定，液压系统图（30） 4.6 液压元件的选择与专用元件设计（31） 4.6.1 液压泵的选择（31） 4.6.2 油管尺寸的确定（32） 4.6.3 液压油箱的容量设计 （33） 五 液压系统的性能验算（33
8、） 5.1 系统压力损失计算（33） 5.2 系统发热温升计算（34） 5.2.1 发热功率计算（34） 5.2.2 散热功率计算（35） 六 液压油站设计（35） 6.1 机床液压站的结构型式（35） 6.2 液压油箱的结构设计（36） 6.3 集成油路的选择（39） 6.4 液压站的结构设计（40） 6.4.1 液压泵的安装方式（40） 6.4.2 泵组联接（40） 七 总结 （41） 八 致谢 （42） 九 参考文献 （42） 一 绪 论 1.1 课题的来源及意义 1.1.1 汽车轮毂轴承的发展概况及性能比较 汽车轮毂轴承单元是汽车的重要安全零件，其作用主要是承受汽车的重量并为 轮毂的传
9、动提供精确的向导。轮毂轴承既承受径向载荷又承受轴向载荷，因此对汽 车轮毂轴承的性能要求是结构紧凑、重量轻和可靠性高。汽车轮毂轴承的结构紧凑 可以减少零件的加工时间，但是零件的加工会变得复杂，同时轮毂轴承的结构紧凑 可以提高轴承的装配时间和提高装配精度。重量变轻了，可以减小零件的加工质量 和汽车的重量使得燃油量减少，经济效益提高，环保方面也符合现代的社会要求。 可靠性的提高还会使得轮毂轴承的安全性提高，零件传递力矩的效率也会提高。在 社会的不断发展和对轮毂轴承的要求中，轮毂轴承有了很大程度的变化和发展。自 从 1938 年 SKF 公司开发出轮毂轴承单元以来，国外生产的轮毂轴承单元已经开发到 第
10、六代的新型轮毂轴承单元，其中第一、二、三代的轮毂轴承已经大量应用到市场 当中，其余的新型轮毂轴承应用范围还比较小。 a 第一代轮毂轴承 b 第二代轮毂轴承 c 第三代轮毂轴承 图 1-1 轮毂轴承单元示意图 第一代轮毂轴承组件（如图 1-1.a）是由 SKF 在 1938 开始生产，这是用于轿车 车轮的双列角接触球轴承。第一代轮毂轴承单元以双列角接触球轴承为基础。其设 计针对轿车车轮的特殊运行特征进行优化，尤其是对拐弯过程中施加在轴承上的力 矩载荷提供支持。轴承的主要部件，即一个外圈和两个内圈中配备轴承球组，并设 定正确的间隙。轴承的接触角根据车轮载荷状态的特征进行优化。第一代轮毂轴承 单元采
11、用终身润滑和密封。选用的滑脂可保证最长的工作寿命和最小的假硬化风险。 第二代轮毂轴承单元（如图 1-1.b）是在第一代装置的设计和经验基础上改进而 成。其外圈含有一个整体式凸缘，以取代分离轮毂的功能。带凸缘的外圈设计成轻 质结构部件。外圈的滚道经过感应淬硬处理，以提高轴承性能。轴承的凸缘质地坚 硬，上有螺纹孔或短柱及一个插孔，以用于安装制动器和车轮并对中。其他设计细 节与第一代轮毂轴承单元相似。第二代轮毂轴承单元通常带旋转的外圈，用于非主 动前轮或后轮。可在装置中配置一个 ABS 传感器。也可提供适用于主动车轮的替代 轴承。在这种应用配置中，外圈用螺钉固定到悬挂系统架上，而内圈旋转。 第三代轮
12、毂轴承组件（如图 1-1.c）由 SKF 在 1979 年开始生产，这是专为轿车 生产的轻型车轮轴承组件，在两个环上均配有法兰。第三代轮毂轴承单元系以双列 角接触球轴承为基础设计，是一种全面合成的车轮轴承系统。其内圈和外圈都有法 兰或凸缘。轴承的动态载荷承载能力得到充分加强，这是因为轴承中有一道容纳内 向球组的独立内圈。这道内圈通过干涉配合法来安装，整个装置必须轴向夹紧。外 圈的凸缘用螺钉固定到悬挂系统架上。旋转的内圈配有坚硬的凸缘、插孔及其他螺 纹孔或螺柱，用于安装到制动器和车轮上。在主动车轮应用中，扭矩通过一个渐开 线花键传递到内圈。凸缘、插孔和花键的尺寸则按用户要求制造。型轮毂轴承单元
13、采用终身润滑和密封，对主动和非主动车轮均适用。1993，装有传感器的第三代轮 毂轴承组件首次用于防抱死刹车系统。 第四代轮毂轴承单元 HBU4（如图 1-2.a）：第四代是把等速万向节与轴承做成 整体化，这种形式废除轮毂花键轴，更加小型化，安装更加合理。未来的汽车轮毂 轴承，总的发展趋势是微型化、多功能化、集成化和智能化。 a HBU4 b HBU5 c HBU6 图 1-2 正在设计开发的新一代轿车轮毂轴承示意图 随着现代社会的需求，除了第一到第四代轮毂轴承单元以外还出现了第五代 （Integrated brake drum，制动转子一体化，1997） ；第六代（Integrated bra
14、ke disk 制动盘安装组合） 。轮毂轴承单元的发展是汽车的快速发展的重要组成部分。 1.1.2 当前代汽车轮毂轴承单元的装配形式 轮毂轴承单元是一个由多个零件合成的组件，经过预先调节并一次性终身润滑。 润滑后要进行装配以使轮毂轴承获得最佳的预紧量和防止轮毂轴承的松脱。目前， 国内外大多数的汽车企业大多都应用第三代的轮毂轴承单元，轮毂轴承单元的装配 一直是一个值得深入着重深入研究的一个问题。一个轮毂单元的装配好坏，装配形 式直接影响到该单元的使用寿命，更直接关系到汽车的安全性，可靠性。当代国内 外轮毂轴承的装配形式只有有两种：一种是锁紧螺母连接，另一种是轴断铆合紧固 连接。 （如图 1-3
15、所示） 1.锁紧螺母形式 2.铆合紧固形式 图 1-3 轴端铆合装配可采用旋压成形（又称为摆辗）工艺（如图 1-4 所示）进行，其特 点是：传统的模压使整个工件压缩，产生塑性变形，当运用于轴承上时，在加工过 程中变形往往超出中心区域，在这种巨大压力作用下，球与滚道受到挤压，在加工 过程中轴承很可能损坏；而旋压成形只在局部产生变形，所需的压力很小，通过控 制加载的压力，就可实现轴承的装配。 图 1-4 轴铆合旋压成形工艺示意图 轴铆合装配通过轴端的旋压成形，使带凸缘的内圈产生塑性变形，从而与小内圈 压紧。这种方式的优点在于：因去掉螺母，从而有助于减小轮毂单元的重量和尺寸， 降低成本，使紧固部分更
16、加紧凑，提高燃油经济性，而且旋压过程中对轴向载荷 （卡紧力）可实时精确控制，消除零件制造误差的影响，从而使预紧量的波动大大 减少，保证每个轮毂单元都在装配后获得最佳预紧量，提高轴承使用寿命，并使韦 布尔分布曲线的斜率变大，产品可靠性得到显著提高；由于铆合联接是不可逆装配， 不会因使用过程中的振动等因素发生变化，从而消除螺纹防松结构中可能的卸载隐 患，大大提高可靠性，也就提高了产品的安全性。这种装配技术克服了现有的螺母 卡紧式的缺点，具有诸多优势： 省材用于非驱动轮的轴铆合式轮毂轴承单元可比传统的螺母卡紧式单元减轻 重量 400g 以上； 节能轴铆合式装配节省单元的零件数量，简化工艺，能减少制造
17、环节的能量 消耗；使用轻量化的轴铆合式轮毂单元可减轻轿车车轮质量，降低燃油消耗率，节 省燃油； 安全不可逆的铆合装配，能避免螺纹防松结构所存在的安全隐患，提高汽车 使用的安全性； 高效制造一个螺母需用时 1 分钟，车削凸缘轴上的螺纹需用时 30 秒以上， 再完成单元装配及轴向卡紧力的调整需用时 2 分钟以上；而轴铆合式装配省去了螺 母制造的螺纹车削，整个装配过程用时在 57 秒以内，单是装配效率就可提高 20 倍 以上！ 环保降低整车燃油消耗的同时，减少了汽车的排放，有利于环保； 近净成型无切削加工方法，可实现净形加工。 由于轴铆合装配方式的先进性，其代表了轿车轮毂单元装配技术的发展方向，在
18、新一代轿车轮毂单元中必须采用轴端铆合装配，因为包含外圈、滚动体、凸缘轴和 小内圈的轴承组件是新一代轿车轮毂单元的基础，这些组件在装配成一个单元的过 程中，采用铆合装配是保证其高性能的关键，因而掌握旋压铆合装配技术，具有十 分重要的意义。 1.1.3 轮毂轴承单元旋压铆合技术的优越性 传统设计的轮毂单元在装配时两个内圈是用锁紧螺母牢固地连接在一起的，如 图 1-5（a）所示。这种方式所存在的缺点是：需要在装配的时候通过控制螺母的预 紧量来控制轮毂单元的轴向卡紧力，由于单元中的零件存在制造误差而使卡紧力的 控制不精确，预压量的波动较大，从而导致轴承的负游隙量偏离最优值而使轴承寿 命下降，寿命离散度
19、大大增加，使得其韦布尔分布中的斜率较大，90%可靠性下降； 在使用过程中，由于螺纹卡紧采用的螺纹防松结构可能因振动等因素而松动，从而 导致预载荷卸载，严重时甚至失效，存在重大安全隐患。而新的结构是通过轴端的 旋压成形，使带凸缘的内圈产生塑性变形，从而与小内圈压紧。这种方式使车轮支 架和车轮法兰不再是安装驱动轴之后才相互连接而是经卷边铆接成为具有正常功 能的轮毂轴承单元，大大减轻了下一步的装配工作。采用轴铆合装配方式，对非驱 动轮而言（如图 1-5（b）所示） ，可直接去掉螺母；对驱动轮而言（如图 1-5（c） 所示） ，因为不再需要较大的拧紧力矩，可以使用轻型螺母将驱动轴固定在车轮法兰 中，驱
20、动轴带齿的轴颈也可大大缩短，从而有助于减小轮毂单元的重量和尺寸，降 低成本，使紧固部分更加紧凑，提高燃油经济性。而且旋压过程中对轴向载荷（卡 紧力）可实时精确控制，消除零件制造误差的影响，从而使预紧量的波动大大减少， 保证每一个轮毂单元都在装配后获得最佳预紧量，这意味着可以大大提高轴承使用 寿命，并使韦布尔分布曲线的斜率变小，90%可靠性得到显著提高；且由于铆合联接 是不可逆装配，不会因使用过程中的振动等因素发生变化，从而消除螺纹防松结构 中可能的卸载隐患，大大提高可靠性，也就提高了产品的安全性。 （a） （b） （c） 图 1-5 另一方面，因为轮毂单元的最薄弱的环节不是锁紧位置，而是凸缘根
21、部，而通过 FEM 分析可知，小内圈在汽车行驶过程中所承受的轴向载荷不是很高，通过对当前 的轮毂单元的结构分析，我们认为其轴承组件部分还可进一步精减，只要将带凸缘 的轴在端部直接旋压成滚道形状，就可省略小内圈，达到轴承组件零件数目的绝对 最小化，进一步精减轮毂单元的结构，提高可靠性，降低生产成本。 1.1.4 本课题的研究意义与主要任务 轮毂轴承单元的铆合技术显然在当代和将来的汽车发展中都起到十分重大的作 用，但是当代的中国的大部分工厂都没有相应的专用铆合设备或者是工厂因受到技 术的封锁而不能引进国外的设备和技术。国内的轮毂轴承的市场大部分都由国外的 厂家占用。 本课题是为填补这一空白的轮毂轴
22、承铆合专用设备的液压系统进行设计。轮毂 轴承单元专用铆合设备的铆合过程的压力都由液压系统的主油缸提供，其工作远远 压力高于其他的工作要求。工进是的速度要实现对不同的轮毂轴承单元可调整。快 退时要有较快的速度进行，以省加工时间，使工作效率的到提高。送料缸除了要快 速上、下料外，还要求工作时的速度要平稳。为满足以上的要求，本课题要对主油 缸，送料缸和液压系统的各组成元件的连接和型号进行选择和设计。 1.2 轴承铆合技术和专用设备在国内外发展概况 国外对轮毂单元轴铆合技术的研究，最初报道是由 NSK 公司于 2001 年前后成功 开发了端部旋压成形的铆装第三代轮毂轴承，此后 KOYO、SKF 等国际
23、著名的轴承制 造企业也相继推出了轴铆装的轮毂轴承。但是，出于各自的发展战略和利益的竞争， 轮毂轴承的轴铆装工艺技术对中国是保密的，而轴承则只以成品的形式以较高的价 格提供给中国的中高档汽车市场，就连掌握了其核心技术的外国公司在我国兴建的 轿车轮毂轴承合资企业，所提供的技术也是传统的“螺帽卡紧式”装配技术。所以， 到目前为止，国内的轿车轮毂轴承生产企业尚未能掌握轴铆合装配技术，更缺乏对 轿车轮毂单元实施铆合装配的关键设备，从而成为限制我国新型轿车轮毂轴承产品 竞争力的技术瓶颈。 中国的摆辗研究开始于 70 年代初期。我国的摆辗理论研究和工艺应用研究方面 已达到世界先进水平。但由于缺乏资金，缺少机
24、械设备专业制造厂的参与，由使用 单位将国外主要用于冷摆辗的摆辗机结构简化或者照搬而制造出摆辗机用于热摆辗， 结果不合理，制造水平低等原因使得轴承易坏、导轨易损。刚度低，其结果造成产 品精度低，设备维修频繁而不能正常生产。因此，80 年代中期以来，中国摆辗设备 的研制开发处于停止状态，而只是进口瑞士和波兰的摆辗机。我们应当吸收国外的 经验，由机械设备专业制造厂制造 I 型摆辗机用于热摆辗，则能克服上述缺点，促 进这种先进的塑性加工工艺在我国的推广应用。 1.3 轿车轮毂轴承的形状和工艺分析 1.3.1 轿车轮毂轴承的形状 如图 1-6 所示,汽车轮毂轴承单元轴铆合装配工艺主要是将图 A 中的法兰
25、盘内圈 1 铆合成图 B 所示的的形状。此零件是筒形件，材料为 50 号钢适合于摆辗成形，而 且只对轴端进行铆合加工因此可一次摆辗成形。 对此零件的摆辗加工是轴向铆装，适于采用立式加工避免受自身重力的影响。 A B 图 1-6 铆装轮毂轴承单元对比 1.3.2 工艺分析 (1)材料 旋压的零件为法兰盘外圈，法兰盘外圈的材料为50#-55#，毛坯锻造后进 行正火处理，硬度不大于HB210，可在常温下旋压，一次旋成。 (2)几何要素 几何要素是机床设计的主要依据，机床形式、规格、精度等都要由它 来决定。如图1-6为法兰盘外圈的几何要素 (3)零件极限尺寸统计与机床几何尺寸 在同一机床上加工零件的范
26、围太 大，会使 机床过于复杂，从而给设计、制造、使用带来不必要的麻烦。因此，应将零件的形 状分类，尺寸分级，把机床系列化来解决这一矛盾。机床的几何尺寸一般是由零件 极限尺寸决定的，旋压力的大小主要由零件的最大厚度来决定；铆头到工作台的距 离主要由旋压件的最大长度确定。 1.3.3 汽车轮毂轴承单元的 3D 建模与分析 对加工对像的深入了解是设计设备的第一步。为了对加工对象有一个非常清晰的 认识与研究。我们利用 CAD 技术， 采用国际先进的 3D 设计软件 pro/engineer 进行 汽车轮毂轴承单元的 3D 建模，并对产品的装配关系结构进行必要的分析。 图 1-8 铆合装配式第三代汽车轮
27、毂轴承 3D 模型 图 1-8 所示为铆合式第三代轮毂轴承单元（非驱动轮）3D 模型示意图，该轴承 单元用 pro/engineer 软件进行 1 ：1 的绘画,一共有 11 个零件。在画零件实体过程 中，我们设计小组发现实体模型与实物某些细节部分不相符，经过到工厂进行实物 观察，作了修改。模型装配先加载内法兰盘 1，再装内圈 2、密封圈 3，接着装,保 持架 4 与滚珠 5 的组合体，紧接着装法兰外圈 6；下道“工序”再装保持架 7 与滚 珠 8 的组合体，再次装另一个内圈 9，最后装感应圈 10 与感应圈外罩 11。装配过程 中的定位都采用设计的定位基准。装配时发现最难的部分是保证滚珠的压
28、力角。每 个零件都是按工程图所给的尺寸画出来的，装配才发现有的零件之间产生干涉现象。 从以上在实体建模与虚拟装配过程中发现的问题中看出，CAD 可以发现产品设计的 不足，有利于指导产品设计，可以降低开发成本，缩短开发周期。 1.4 轴承单元轴铆合装配的认识 1.4.1 轴承单元轴铆合装配的过程 在韶关东南轴承有限公司参观中，了解到以普通车床改装的简易旋压试验装置。 通过实地考察了解到轴承单元轴铆合装配的铆接过程，由于铆接力的作用， （图 1-8 所示）内半兰盘（图中 B 部分）产生了径向的塑性铆合变形，实际变形效果如图中 B 所示。由于摆动旋压具有力量大的特点，铆接非常快，整个纯铆接时间仅为
29、8 秒 多，而且铆接过程未产生任何切屑。因此，摆动旋压是一种高效、清洁和安全的加 工技术。 图 1-9 压制成形的轮毂轴承 1.4.2 轮毂轴承单元轴铆合装配旋压过程的分析 传统的轴铆装工艺采用所谓的 “回转式锻压 ” 或“摇摆模锻”。在这种方法中， 冲头与轮毂轴的 圆柱形端头之间的相对旋转运动使轴端形成规定的形状。如铆装 过程的示意图（图 1-9）。冲头中心轴 OB与轮毂中心轴 OA的夹角为 。冲头围绕着 O点在轮毂轴上方作轨迹运动。当冲头压人轮毂轴时，轮毂轴逐渐被旋压成图示虚 线形状 。 图 1-10 铆接过程示意图 与整体表面压锻方法比较 。铆装工艺的优点在于减小了加工载荷 (冲头 压
30、力 P)，这是因为减小了冲头与工件之间的接触面积。虽然由于冲头呈 倾角 加工载荷减小，但铆装过程中对组件施加的轴向和径向载荷会对轴承性能造成 潜在的不利影响 ，如滚动体和滚道变形或产生压痕。因此必须精确控制冲头的 压力才能消除这些不利影响，精确控制冲头压力是稳定轴承性能的关键因 素 。在旋压过程中轮毂轴的变形可分为三个阶段 ： （1）第一阶段，冲头下降，与轮毂轴接触，变形开始； （2）第二阶段，变形进一步扩展,轮毂轴沿径向扩展,与内圈倒角接触； （3）最后是第三阶段，铆装过程完成。 在第一阶段中，几乎所有的冲头压力都用于轮毂轴的最初成形，内圈载荷很小 且恒定。进入第二阶段，冲头压力传递到内圈，
31、内圈载荷迅速增大。在第三阶段， 冲头压力使内圈载荷逐渐增大直至饱合。铆装结束后，甚至冲头已抬起，内圈载荷 仍未消除，仍保留某些载荷。 传统的模锻使整个工件压缩，产生塑性变形。因此，加工大尺寸工件时，需要很 大的压力，而且当运用于轴承上时，变形往往超出中心区域。在这种巨大压力作用 下，球与滚道受到挤压，在加工过程轴承很可能损坏，而铆接工艺只在局部产生变 形并且只用很小的压力。通过控制加载的压力，这种加工用于轴承的装配十分适合。 通过重载下的运转耐久性试验检验了铆压成形缘的疲劳强度和内圈抗蠕变能力，进 行静强度试验以考察铆压成形缘的静强度以及轴承的力矩载荷刚变试验，因为轴承 的刚性会影响车辆转弯时
32、的操纵稳定性，结果表明，轴铆合装配式轮毂轴承性能合 格。 由于此工艺要求，所以本旋压机床必须具有以下特点： 1）动力头能产生足够的径向力、轴向力，电动机要有足够的功率。进给采用液 压传动并能进行无级调速。 2）机床的床身、动力头、工作台等部份要有足够的刚度，以减少在加工中主轴 与工作台的变形、偏摆。 3）主轴需采用重型滚动轴承承受较大的工作压力。对轴承需进行良好的冷却与 润滑。 4）为保证产品质量、提高效率、减轻体力劳动，应采用半自动或自动工作循环。 二 摆动辗压基本原理及工艺特点 2.1 摆动辗压的工作原理 摆动辗压又称旋转锻造(Rotary Forging)，是 20 世纪 60 年代发展
33、起来的金属压 力加工新工艺，也是锻件生产行业中的特种锻造成形工艺，可用于中小型锻件精化 生产。 摆动辗压和我们日常生活中常见的擀饺子皮道理相似。所谓摆动辗压，是利用一 个带圆锥形的上模对毛坯局部加压，并绕中心连续滚动的加工方法摆动辗压工作 原理如图 2-1 所示。 1 上模；2 毛坯；3滑块：4 油缸 图 2-1 摆动辗压工作原理示意图 图 2-1 中，带锥形的上模其中心线 OZ 与机器主轴中心线 OM 相交成了角，此角 称摆角。当主轴旋转时，OZ 绕 OM 旋转，于是上模便产生了摆动。与此同时，滑块 3 在油缸 4 作用下上升对毛坯施压，这样上模母线就在毛坯上连续不断的滚动，最 后达到整体成
34、形的目的。 摆头运动轨迹不仅对金属流动和填充影响很大, 而且对电机功率及设计刚度等均 有影响, 特别是对于形状不同的锻件成型影响更大。 因此, 摆头要设计出不同的轨 迹以适应不同形状的锻件需要, 目前常用的四种摆头轨迹为: 圆轨迹、多叶玫瑰线 轨迹、螺旋线轨迹和直线轨迹, 如图 2-2 所示. 本文设计的冷摆碾机属于通用型, 摆头轨迹可以用以上四种轨迹。 实现摆头的四种轨迹, 可以有多种方法, 最常用的是内、外偏心套法, 如图 2-2 所示. 采用偏心套的方法, 就是将摆头的一端置于内偏心套内, 通过内偏心套和外 偏心套不同的相对转动,合成出四种不同的摆头轨迹。 内、外偏心套不同的相对转 动主
35、要是用它们的速比来表现的, 即： 图 2-2 摆头的四种轨迹 1)圆轨迹：当内、外偏心套的速比 1AB 时，摆头轨迹为圆轨迹； 2)直线轨迹：当内、外偏心套的速比 AB 时，摆头轨迹为直线轨迹； 3)螺旋线轨迹：当内、外偏心套的速比 0.85AB 时，摆头轨迹为螺旋线轨迹； 4)多叶玫瑰线轨迹：当内、外偏心套的速比 1.7AB 时，摆头轨迹为多叶玫瑰 线轨迹。 2.2 摆动辗压的特点 （1）省力。因摆辗是以连续局部变形代替常规锻造工艺的一次整体变形，因此 可以大大降低变形力。实践证明，加工相同锻件，其辗压力仅是常规锻造方法变形 力的 1/51/20； （2）产品质量高，节省原材料，可实现少无切
36、削加工。如果模具制造尺寸精度 很高，且进行过抛光，则辗压件垂直尺寸精度可达 0.025mm，表面粗糙度可达 R0.40.8m。 （3）摆动辗压适合加工薄而形状复杂的饼盘类锻件。加工薄饼类锻件，摆辗所 需的变形力比常规锻造力小很多，而且工件愈薄，用摆辗法成形愈省力。 （4）劳动环境好，劳动强度低。摆辗时机器无噪声、震动小，易于实现机械化、 自动化。 （5）设备投资少，制造周期短，见效快，占地面积小。 2.3 摆动辗压的力能参数计算 2.3.1 接触面轮廓曲线方程 摆辗过程中工件与铆头接触的端面为螺旋曲面，其螺距为每转进给量 S（mm/s） 。 因 S 的大小与工件半径相比很小（ ） ，可以把工件
37、的这个端面近似为平面。/140sR 在图示 2-3 所示的三维坐标系中，该平面方程为（将螺旋曲面简化为螺旋面）： coinzx 摆辗的摆动模锥面方程为 22()zxytg 图 2-3 摆辗的接触面积 联立上式，解得接触轮廓曲线方程 22 2coscsxytgt0cos1当 时 ，(70.92518)如 时 ， 时 , 上式可简化为： 21sxtgYt 2.3.2 摆辗的接触面投影面积 (1) 圆盘件 其受力后的投影图如土 2-4 所示。在滚压过程中，忽略工件和模具的弹性变形， 也忽略工件在径向的塑性变形，则 AOB 是过圆心的直线。 图 2-4 摆辗的接触投影分析图 接触面投影面积由 AOBC
38、DA 轮廓围成，忽略辗压引起的工件外轮廓变形，则工件 轮廓方程为： 22xyR 联立 （ADC 的曲线方程）21sxtgyt 求得 C 点坐标为： tancsxR21csRtgyt A 点坐标为： 2Asxtg0Ay 定义： /R 由几何关系： BOC 则： 111coss()cos()2xRtg 截面轮廓曲线 转化为极坐标方程：ADC1cosR (2) 环形件 其投影分析图如图 2-5 所示，由前面可以知： 图 2-5 投影分析图 1cos()1AOD 联立 22xyr1stgt 求得 A 点坐标为： Asxrtg21Asrtgyt (3)接触面积系数 接 触 面 积 与 坯 料 原 始 面
39、 积 之 比2/F触 （ R） 波兰马尔辛民克教授提出的公式： 0.45/(tan)s 胡克民公式： 32241()(0)2tansR其 中 当 是变值时， 也是变值 三 轮毂轴承铆合装配专用设备总体方案 3.1 摆辗机的主要技术指标 序 号 要求 数值 1. 1 1. 2 1. 3 1. 4 1. 5 1. 6 旋压铆合直径 最大铆接力 油泵最大输出压力 功耗 自动方式 轴承变形情度 内孔 16mm，外径 28mm 150KN 5MPa 7.5kW 0.001 2 .1 2. 2 2. 3 2. 4 2. 5 2. 6 2. 7 2. 8 2. 9 生产效率 旋压铆合最大行程 滚碾压头到工作
40、台距离 工作台升降距离 主轴到床身立柱距离 滚压头伸出长度 工作台尺寸 机床外形尺寸 机床净重 450 个/小时 2530mm 0250mm 0250mm 200mm 取 100120mm 400200 7207202500 10002200 3. 1 3. 2 3. 3 3. 4 3. 5 安全可靠 容易传送轴承 外形美观、噪音小 故障自检、易排除 损坏零件易更换 3.2 总体方案的论证设计 由于汽车轮毂轴承单元为粗短零件且需要的铆接力较大，综合考虑卧式、立式 的优缺点，选用立式机床。而立式机床又可分单立柱式和多立柱式，下图为立式方 案的简图： 图 3.2 确定方案：四柱立式结构 单柱式方案
41、：一根立柱既要承受拉伸力，又要承受切应力，立柱弯曲变形情度 较大。对于小功率的情况，变形情度可以控制在允许的范围之内，另外结构紧凑， 节省空间，操作方便，开敞性好，工件装卸方便；但刚性不好，对中性差；并在加 工过程中，由于工作台处于悬臂，而使工作台受力不均，产生震动和噪音，影响了 零件的加工精度，难保零件的合格。 多立柱式方案：机床对中性好，刚度强，钢性特佳，结构永不变形，使用寿命 长。适用于大平面、大出力之裁断作业。一种液压机工作台四柱支撑结构，在液压 机下梁顶出缸接触面上至少设置有四组支撑柱，各组支撑柱分为上支撑柱和下支撑 柱，上支撑柱与液压机移动工作台连接固定，下支撑柱连接固定在下梁与下
42、梁顶出 缸接触面上，在上支撑柱和下支撑柱之间设置有一定的间隙，与下梁顶出缸连接的 液压垫上开有大于上支撑柱和下支撑柱直径的导向孔。其优点在于：可大大降低了 液压机移动工作台上面板的厚度，不仅节省材料、降低了制造成本，同时还能保证 机器的强度和加工精度，因此该结构具有较为广阔的发展前景。综合考虑，选择四 柱式液压机床结构。 机床方案设计包括运动功能分析，机床布局，机床总体结构设计，在设计过程 中充分考虑到加工操作方便，加工质量好，制造成本合理。 3.2.1 运动功能分析 本机床主运动为电动机主轴带动铆头旋转，进给运动设计为液压缸驱动工作台 进行铆接，同时考虑到缩短铆接工作行程，设计工作台升降机构
43、形式，调节工作台 与动力的距离，减少铆接过程的空行程。使铆接过程更节省时间。整个过程的运动 置于动力头内。旋压机床需要两个运动即主轴旋转运动和主轴纵向往复运动来完成 铆接。 3.2.2 机床总体结构布局设计 机床的总体布局设计需要根据工作的要求，充分考虑到操作方便，加工效率高， 性能稳定、安全，加工质量好等因素；对于立式铆接摆辗机包括主传动部分、进给 传动部分、床身本体、电控与液压系统，液压站和电控箱，开关等。主传动系主要 布置在动力头处，包括电动机、偏心机构。进给传动系统采用液压系统进行驱动。 另外，主传动、进给传动要考虑各自的稳定性以及配合的，为节省空间，电控与检 测系统包含于床身本体。对
44、于液压站其包括了液压系统的供油装置、控制调节装置 等，将其独立于机床之外，可以使安装维修方便，液压装置的振动、发热都与机床 隔开。考虑到工人操作的方便和效率的提高，选用用脚踏开关作为操作的控制，结 合安全操作，脚踏开关开关设置在底座的开槽内。 根据运动系统组合的不同，拟定以下布局方案。 图 3.3 摆辗机方案确定形式 动力头与液压缸部分分开，主轴只作旋转运动而不作上下往复运动，铆合时由 液压缸推动工作台实现向上进给运动。这种立案让动力头只负责旋转轨迹运动，而 纵向往复运动则由工作台来完成。大大简化了动力头里面的机构，使得整个机械机 构更加简单，另外用液压系统实现工作台的纵向往复运动也是比较容易
45、实现的。 与传统铆合机床相比，这种设计结构更加简单，把两个运动分开，省去了原来 复杂的结构。由于铆头只要实现螺旋线摆动，结构简化了许多，对轴承和整体的精 度和工艺要求也降低了许多，降低制造成本的同时也使机器维修起来更加方便。工 作台把原先四柱或单柱支持改成液压升降机构实现上下位移，实现起来很简单，液 压系统不复杂，更加有利于现代化生产。 四柱式液压机床结构的特点：精密四柱导向承载机构有润滑加油系统，保证机床 长期使用寿命； 更加独特的是，四柱尾部有定位套，确保机床在承受侧向负荷时， 工作可靠,四柱式结构简单、经济、实用。框架式结构刚性好、精度高、搞偏载能力 强。 3.3 机床整机装配示意图 摆辗机主要包括床身立柱、导轨、工作台、手轮、工作台支承、床身底座、液 压元件以及各类附属元件等。 图 3.4 机床总体方案设计图 1. 主电机 YL-160 2.铆头 3. 床身立柱 4.步进电机 5.工作台 四 液压系统设计计算 从这里开始就开始进入到本文最着重介绍部分。液压系统的设计是整个机床设 计的
