張華棟，楊立潔，王桂梅

(河北工程大學(xué) 機(jī)械與裝備工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038)

0 引言

軸承與軸承套為過盈配合，過盈裝配方式主要包括裝配工裝、溫差裝配、壓裝機(jī)壓入。裝配工裝即用榔頭敲擊工裝，使其裝配到位，工作效率低[1]；溫差裝配利用材料的熱脹冷縮物理性質(zhì)裝配，由于加熱后的材料產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力冷卻后會(huì)產(chǎn)生變形，影響零件的裝配精度；壓裝機(jī)壓入是目前主要流行壓裝方法。和溫差裝配相比，它受環(huán)境的影響較??；和裝配工裝相比，由于設(shè)計(jì)了專門的設(shè)備和夾具，對(duì)零件的影響較小[2]。

目前軸承壓裝多采用兩臺(tái)壓裝機(jī)對(duì)稱安裝方式，設(shè)備的重復(fù)利用率低而且在壓裝軸承全過程中同步精度不高，干擾因素多[3]，并且陶瓷托輥坯料脆性大，在軸承壓裝時(shí)抵抗沖擊的能力較弱?，F(xiàn)在亟需一種高效的專用機(jī)床可以實(shí)現(xiàn)一臺(tái)軸承壓裝機(jī)一次裝夾即可將一對(duì)軸承勻速高精度地壓入軸承套內(nèi)。

本文利用虛擬設(shè)計(jì)的方法，采用三維繪圖軟件SolidWorks對(duì)陶瓷托輥專用軸承壓裝機(jī)進(jìn)行了主軸系統(tǒng)、夾具裝置等的建模、虛擬裝配、運(yùn)動(dòng)仿真以及運(yùn)動(dòng)分析[4]，驗(yàn)證了軸承壓裝機(jī)的可行性。

1 陶瓷托輥及專用軸承壓裝機(jī)介紹

1.1 陶瓷托輥

陶瓷托輥主要由瓷體，深溝球軸承，軸承套，轉(zhuǎn)軸，塑料迷宮式密封圈組成的組合構(gòu)件[5]。陶瓷托輥的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.轉(zhuǎn)軸 2.軸承套 3.瓷體 4.深溝球軸承 5.塑料迷宮式密封圈圖1 陶瓷托輥

1.2 軸承壓裝機(jī)

傳統(tǒng)的軸承壓裝機(jī)一次只能壓裝一側(cè)的軸承，生產(chǎn)效率比較低[6]。陶瓷托輥轉(zhuǎn)軸的兩端都需要壓裝軸承，軸承需要分別和轉(zhuǎn)軸、軸承套過盈配合。壓裝之前需要將轉(zhuǎn)軸托起，使轉(zhuǎn)軸的中心線與瓷體的中心線重合。兩端的軸承同時(shí)壓入軸承套內(nèi)，實(shí)現(xiàn)軸承與轉(zhuǎn)軸，軸承與軸承套的過盈配合。根據(jù)軸承壓裝工藝設(shè)計(jì)了軸承壓裝機(jī)，其主要由床身、夾具裝置，主軸系統(tǒng)等組成。具體的軸承壓裝機(jī)運(yùn)動(dòng)規(guī)律如圖2所示。

圖2 陶瓷托輥軸承壓裝機(jī)運(yùn)動(dòng)規(guī)律

2 主軸系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

2.1 主軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主軸系統(tǒng)是陶瓷托輥專用軸承壓裝機(jī)的重要組成之一，其采用液壓傳動(dòng)方式。主軸系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)主軸位移設(shè)定，壓裝速度調(diào)節(jié)，陶瓷托輥轉(zhuǎn)軸的位置固定等功能。該主軸系統(tǒng)主要由液壓缸、接近開關(guān)、擋塊、壓桿、活塞桿、箱體、雙桿雙作用液壓缸、接頭等組成。其二維設(shè)計(jì)圖如圖3所示，三維虛擬設(shè)計(jì)圖如圖4所示。

1.液壓缸 2.接近開關(guān) 3.擋塊 4.壓桿5.活塞桿 6.箱體 7.雙桿雙作用液壓缸 8.接頭圖3 主軸系統(tǒng)二維圖

圖4 主軸系統(tǒng)三維圖

箱體6位于床身導(dǎo)軌上，箱體的移動(dòng)通過絲杠螺母傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)。工作時(shí)電機(jī)帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)使箱體在導(dǎo)軌上移動(dòng)。壓裝不同規(guī)格的陶瓷托輥毛坯軸承，由于毛坯的長度不同，則箱體的移動(dòng)距離不同。當(dāng)兩個(gè)箱體同時(shí)向床身中間移動(dòng)接近陶瓷托輥毛坯時(shí)，絲杠停止轉(zhuǎn)動(dòng)，箱體停在陶瓷托輥毛坯附近，為安裝軸承做準(zhǔn)備。

兩箱體內(nèi)分別安裝雙桿雙作用液壓缸7，與普通雙桿雙作用液壓缸的不同之處在于液壓缸的活塞桿5內(nèi)部中空，壓桿4穿過活塞桿的孔并與活塞桿的孔相配合使壓桿在活塞桿孔內(nèi)移動(dòng)。壓桿的作用是固定毛坯內(nèi)轉(zhuǎn)軸的位置。操控電磁換向閥可實(shí)現(xiàn)壓桿的前進(jìn)或者后退運(yùn)動(dòng)，使轉(zhuǎn)軸固定或釋放。不同型號(hào)的陶瓷托輥轉(zhuǎn)軸直徑不同，為了保證壓桿的直徑與轉(zhuǎn)軸的直徑相同，壓桿的桿端鉆孔并車出內(nèi)螺紋與陶瓷托輥轉(zhuǎn)軸直徑相同的桿相配合以保證軸承壓入軸承套。軸承放置在壓桿上通過活塞桿將軸承壓入軸承套。其工序是壓桿前進(jìn)將轉(zhuǎn)軸的位置固定，使轉(zhuǎn)軸的中心線、壓桿的中心線和活塞桿的中心線重合，然后活塞桿前進(jìn)將軸承壓入軸承座內(nèi)，轉(zhuǎn)軸固定與軸承壓制動(dòng)作協(xié)調(diào)，不會(huì)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)干涉。為了保證雙液壓缸同步運(yùn)動(dòng)，液壓系統(tǒng)中配置電液比例控制系統(tǒng)。對(duì)壓裝軸承的速度和位移連續(xù)控制，實(shí)現(xiàn)了勻速高精度地壓裝軸承。

2.2 主軸速度、加速度仿真分析

完成主軸系統(tǒng)的三維建模，利用SolidWorks對(duì)主軸系統(tǒng)的三維模型干涉檢查[7]。保證零件在沒有干涉的情況下對(duì)主軸系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。壓裝速度影響裝配過程的摩擦系數(shù)、接觸表面的溫度等。壓裝速度過大，將產(chǎn)生大量的熱難以散去，破壞材料的化學(xué)以及機(jī)械性能；壓裝速度過小使摩擦系數(shù)增加，接觸面的應(yīng)力變大。因此壓裝軸承時(shí)要求平穩(wěn)壓入。本文主要以主軸為研究對(duì)象，對(duì)主軸的速度進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析，保證軸承在壓入軸承套之前速度達(dá)到穩(wěn)定[8]。為了提高軸承的壓裝質(zhì)量，減小軸承壓裝過程中對(duì)陶瓷托輥毛坯產(chǎn)生沖擊，對(duì)主軸運(yùn)行的加速度進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真分析。主軸的運(yùn)動(dòng)函數(shù)由step函數(shù)驅(qū)動(dòng)，并在主軸最前端設(shè)置參考點(diǎn)得到如圖5所示的主軸速度與時(shí)間之間的函數(shù)關(guān)系圖像和如圖6主軸加速度與時(shí)間的函數(shù)關(guān)系圖像。

圖5 主軸運(yùn)行速度圖像

圖6 主軸運(yùn)行加速度圖像

圖5中0～2s為主軸空載運(yùn)行階段，速度上升至壓裝軸承需要的速度5mm/s；2～3s為恒速壓裝軸承階段；3～4s軸承壓裝完畢，速度減為0。在主軸運(yùn)動(dòng)的起點(diǎn)和終點(diǎn)，速度沒有發(fā)生突變，因此主軸運(yùn)動(dòng)不存在剛性沖擊。

圖6中在主軸運(yùn)動(dòng)初始加速度由0mm/s2上升至4mm/s2，存在柔性沖擊，但是在軸承壓裝過程中并不存在柔性沖擊，因此可以保證軸承壓裝質(zhì)量。經(jīng)檢驗(yàn)主軸運(yùn)行速度、加速度曲線符合實(shí)際工況的要求。

2.3 軸承壓裝力仿真分析

在過盈聯(lián)接中，多數(shù)情況下包容件為輪轂或厚壁圓筒，被包容件為軸或厚壁圓筒[9]。本論文中軸承壓入軸承套中，其包容件為軸承套，被包容件為軸承。軸承與軸承套通過過盈聯(lián)接后的壓裝力是需要計(jì)算的參數(shù)。避免了工人憑借閱歷和經(jīng)驗(yàn)選擇壓力機(jī)的噸位造成壓裝力過大或過小的問題[10]。本文以目前生產(chǎn)的最大的陶瓷托輥D159—d30為研究對(duì)象進(jìn)行最大軸承壓裝力的計(jì)算，計(jì)算公式為：

Ft=Pfmax×π×df×Lf×μ

(1)

式中,Pfmax—結(jié)合表面承受的最大壓力，N/mm2；df—結(jié)合直徑，mm;Lf—結(jié)合長度，mm；μ—結(jié)合表面摩擦因數(shù)，取值范圍見表3。

包容與被包容系數(shù)c1、c為：

(2)

(3)

式中，D1、d—軸承套外徑和軸承內(nèi)徑(實(shí)心軸取d=0)；v1、v—泊松比。

根據(jù)包容與被包容系數(shù)c1、c以及表1、表2確定最大結(jié)合面承受的最大結(jié)合壓力為：

(4)

式中，δmax—最大過盈量，mm；E1、E—軸承套和軸承的材料彈性模量。

壓裝要求壓裝時(shí)壓力機(jī)的壓力應(yīng)為所需壓入力的3～3.5倍，并結(jié)合公式(4)得出壓力機(jī)的壓力:

F=λFt=5972.264N

(5)

各零件的主要尺寸、材料參數(shù)、常用材料的摩擦系數(shù)，分別如表1～表3所示。

表1 裝配件的主要尺寸參數(shù)

表2 裝配件的主要材料參數(shù)

表3 材料摩擦系數(shù)

為了便于仿真分析，假設(shè)軸承內(nèi)圈、外圈、滾動(dòng)體的材料均為GGr15，軸承可以簡化為圓柱體[11]。利用SolidWorks的SimulationXpress分析向?qū)Р寮?duì)軸承應(yīng)力仿真分析，仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 軸承仿真應(yīng)力圖

仿真結(jié)果顯示軸承承受的最大應(yīng)力發(fā)生在軸承邊緣，最大應(yīng)力為4.273MPa，小于理論結(jié)合表面承受的壓力5.793MPa。結(jié)果證明軸承壓裝力為5972.264N是合理的。

3 夾具裝置虛擬設(shè)計(jì)

夾具的設(shè)計(jì)能夠影響到毛坯和毛坯內(nèi)轉(zhuǎn)軸的位置精度。若設(shè)計(jì)不當(dāng)，容易使夾持的工件產(chǎn)生偏差導(dǎo)致后續(xù)的工序操作產(chǎn)生錯(cuò)誤而導(dǎo)致托輥的報(bào)廢，甚至?xí)l(fā)生產(chǎn)事故[12]。夾具裝置主要包括毛坯定位機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)軸舉升機(jī)構(gòu)兩部分。其中轉(zhuǎn)軸舉升機(jī)構(gòu)主要包括：液壓缸7、液壓缸連接塊8、托輥轉(zhuǎn)軸滑塊9、緊縮螺帽10、滑桿11、托輥轉(zhuǎn)軸V型塊12；毛坯定位機(jī)構(gòu)主要包括：托輥毛坯V型塊13、托輥毛坯滑軌14 、夾具平臺(tái)15。其二維設(shè)計(jì)圖如圖8所示，三維虛擬設(shè)計(jì)圖如圖9所示。

7.液壓缸 8.液壓缸連接塊 9.托輥轉(zhuǎn)軸滑塊 10.緊縮螺帽 11.滑桿 12.托輥轉(zhuǎn)軸V型塊 13.托輥毛坯V型塊 14.托輥毛坯滑軌 15.夾具平臺(tái)圖8 夾具裝置二維圖

圖9 夾具裝置三維圖

夾具位于箱體的內(nèi)側(cè)并且可以在導(dǎo)軌上移動(dòng)，可滿足不同型號(hào)的陶瓷托輥毛坯的加工要求。托輥毛坯V型塊13用于放置毛坯且高度可以通過螺栓調(diào)節(jié)，目的是使陶瓷托輥毛坯的中心線與壓桿的中心線重合保證軸承順利壓入軸承套內(nèi)。托輥轉(zhuǎn)軸V型塊12與托輥轉(zhuǎn)軸滑塊9通過螺釘連接，并且兩者可以在液壓缸7的作用下沿著滑桿11將毛坯內(nèi)的轉(zhuǎn)軸托起。不同型號(hào)的陶瓷托輥毛坯直徑不同，舉升裝置的運(yùn)動(dòng)行程不同，通過調(diào)整接近開關(guān)的位置確定舉升裝置的行程，目的是使轉(zhuǎn)軸的中心線與陶瓷托輥毛坯的中心線重合。

由于空氣具有可壓縮性，因此氣壓傳動(dòng)工作速度穩(wěn)定性稍差。相比于氣壓傳動(dòng)，液壓傳動(dòng)動(dòng)作響應(yīng)速度快，能迅速的換向和變速并且調(diào)節(jié)比較簡單，操縱比較方便、省力。舉升機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)采用液壓傳動(dòng)方式，其上升下降運(yùn)動(dòng)通過電磁換向閥換向?qū)崿F(xiàn)。電磁換向閥左位得電，液壓缸進(jìn)油，舉升裝置上升；電磁換向閥右位得電，液壓缸回油，舉升裝置下降。

4 軸承壓裝機(jī)虛擬樣機(jī)

虛擬樣機(jī)如圖10所示。主軸箱以及夾具根據(jù)托輥的型號(hào)移動(dòng)至合適的位置。機(jī)械手爪抓起托輥毛坯放置在調(diào)整恰當(dāng)?shù)膴A具的V型塊上。通過電磁換向閥換向舉升裝置上升將毛坯內(nèi)的轉(zhuǎn)軸托起至毛坯中心，兩端的壓桿向床身中心移動(dòng)將轉(zhuǎn)軸固定，舉升裝置下降至最低點(diǎn)防止軸承壓裝過程中產(chǎn)生干涉。調(diào)整行程開關(guān)的位置控制活塞桿運(yùn)動(dòng)的行程以便將軸承壓入軸承套內(nèi)。整個(gè)陶瓷托輥的壓裝過程由PLC控制。

1.床身 2、3.主軸系統(tǒng) 4、5.夾具裝置 6.電機(jī) 7.絲杠 8.帶輪圖10 虛擬樣機(jī)圖

5 結(jié)束語

陶瓷托輥軸承壓裝機(jī)是壓裝陶瓷托輥軸承的專用設(shè)備。本文應(yīng)用SolidWorks軟件對(duì)陶瓷托輥專用軸承壓裝機(jī)的床身以及專用夾具裝置和主軸系統(tǒng)等建模摒棄了以往軸承壓裝設(shè)備的重復(fù)利用率低，壓裝軸承過程中同步精度不高，干擾因素多等缺點(diǎn)；對(duì)主軸運(yùn)動(dòng)速度、加速度仿真曲線的研究驗(yàn)證了軸承壓裝的平穩(wěn)性；對(duì)軸承壓裝力進(jìn)行了仿真分析確定了軸承壓裝力的合理值。該軸承壓裝機(jī)可實(shí)現(xiàn)一次裝夾將一對(duì)軸承勻速高精度地壓入軸承套內(nèi)，為以后軸承壓裝設(shè)備地研發(fā)提供了新的思路。