GBW92外圆滚压装置设计论文+DWG图纸.docx

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GBW92外圆滚压装置设计论文+DWG图纸

GBW92外圆滚压装置设计（论文+DWG图纸）

摘要

本说明书详细介绍了车滚压的加工原理，而且以活柱筒为例，详细设计了一个用于活柱筒外圆加工的车滚压装置，最后仔细分析了本装置的适用范围和经济价值等内容。

活柱筒的外圆加工通常采用（车—磨）等工序，但是本装置采用一种新的方法——滚压加工，来实现外圆表面的粗糙度的要求，而且滚压加工还有提高工件硬度、耐磨性、耐腐蚀性等在切削加工中无法得到的特性。

本装置只需对普通车床加以改造，把大托板上的刀架换成本装置，就可以实现精密加工的效果。

本装置适用于几乎所有外圆表面加工，而且对那些对表面有较高要求的工件，更能发挥出本装置的优势。

本装置是一种工艺装备，而且结构简单，对于一般的厂家都有能力自行设计并制造出适合其产品的车滚压装置。

关键词：

车滚压、外圆、滚子、粗糙度

Summary

Thespecificationexpoundsthelathing-grindingprocessingprinciple,takesInnerpropdrumasanexampleindesigningalathing-grindingdeviceusedinouter-circleprocessingofInnerpropdrumindetails,andatlastanatomizestheapplicationscopeandeconomicvaluemultipliedwithotherinformationofthisinstallation.Theouter-circleprocessingofInnerpropdrumusuallyusesaworkingprocedure,calledLathing—Grindingandsoforth.However,thisdevicementionedaboveadoptsanewwaynamedRollingprocessing,aimingatachievingtherequestsofcoarsenessdegreeofouter-circle,improvingtheunobtainablecharacteristicsoftheworkpiecesintheprocessofCutting,suchashardness,abrasiveresistanceaswellastarnishresistanceandsoon.TheprecisionfinishingcouldcomeintoeffectaslongastheenginelathesarereconstructedandthetoolholdersonthesplintsareexchangedwiththeLathing-Grinding,whichcouldapplytoeveryouter-circlesurfaceprocessingandmoreovermakefulluseofitwithreferencetothoseworkpieceswhosesurfaceprocessingcallsforahigherdemand.Almosteveryecumenicalmanufacturercouldhavethecapabilitytoproducesuitablelathing-grindingdevicesallbythemselves,becausethisdevice,astechnologicalequipment,isofsimpleconfiguration.

Keywords:

Lathing-Grinding、Outer-circle、Roller、Coarsenessdegree

摘要……………………………………………………………………………Ⅰ

Summary………………………………………………………………………Ⅱ

第1章绪论…………………………………………………………………1

1.1选题意义……………………………………………………………1

1.2滚压加工的概况……………………………………………………1

1.2.1滚压加工的概念……………………………………………1

1.2.2滚压加工的原理……………………………………………1

1.2.3滚压加工的特点及其应用场合……………………………2

1.2.4滚压加工的分类……………………………………………2

1.3本文主要研究内容…………………………………………………4

第2章设计方案的确定……………………………………………………5

2.1设计参数……………………………………………………………5

2.2设计方案的确定……………………………………………………5

第3章工作参数的选择……………………………………………………7

3.1滚压力………………………………………………………………7

3.2过盈量……………………………………………………………7

3.3滚压速度……………………………………………………………8

3.4滚压进给量…………………………………………………………8

3.5切削用量……………………………………………………………8

3.6工件原始表面质量…………………………………………………9

3.7冷却液………………………………………………………………9

第4章主要结构的确定及校核……………………………………………10

4.1滚子设计及计算……………………………………………………10

4.1.1滚子的设计…………………………………………………12

4.1.2滚子的失效分析……………………………………………12

4.2滚压器的尺寸计算…………………………………………………13

4.3轴承的选择及计算…………………………………………………15

4.3.1轴承的受力分析……………………………………………15

4.3.2轴承寿命计算………………………………………………16

4.4导轨的选定…………………………………………………………16

4.5其余结构的确定……………………………………………………17

4.5.1滚压过盈量的调节机构……………………………………17

4.5.2吃刀深度的调节机构………………………………………17

4.5.3车刀的选用…………………………………………………17

4.5.4挡屑装置……………………………………………………18

4.5.5冷却装置……………………………………………………18

第5章外圆滚压加工注意事项……………………………………………19

第6章车滚压的加工效果…………………………………………………20

6.1尺寸精度和表面粗糙度………………………………………………20

6.2金属内部的物理变化…………………………………………………20

6.3表面性能的变化………………………………………………………21

第7章车滚压装置的用途…………………………………………………22

第8章经济价值分析………………………………………………………23

结论……………………………………………………………………………24

致谢……………………………………………………………………………25

参考文献.………………………………………………………………………26

专题快速制模技术…………………………………………………………27

附录1……………………………………………………………………………36

附录2……………………………………………………………………………42

第1章绪论

1.1选题意义

对于活柱筒的外圆表面加工，按照传统加工方法（车—磨），虽然也能够满足设计要求，但是，随着产量的增加，设备需要量也加大，辅助时间加长。

在这种情况下，我们可以利用CA6140等普通车床，加装一种外圆车滚压装置。

该装置对外圆柱面同时进行切削和滚压加工，能获得一定的精糙度和抗疲劳强度。

通过这个装置，不仅可能稳定地控制了活柱筒的表面质量，而且提高了加工效率,进而降低了生产成本。

1.2滚压加工的概况

1.2.1滚压加工的概念

滚压加工是用滚柱滚压金属表面，将表面凸起部分碾压到凹陷部分，加工成平滑如镜的表面。

与切削加工不同，滚压加工是一种塑性加工。



　　滚压加工的工件不仅表面粗糙度瞬间可以达到Ra0.1～0.8μm，而且由于加工硬化提高其耐磨耗性的同时疲劳强度提高30%，拥有在切削加工中无法得到的特性。

由于可简单而低成本的进行零部件的超精密加工，滚压加工日益被以汽车产业为首的精密机械、化学、家电等产业广泛应用，发挥其优势。

1.2.2滚压加工的原理

图1-1滚压加工原理图

如图所示，根据金属变形的理论，工作表面在外力的作用下，被滚压金属的原子间距离会暂时发生变动或晶粒间产生滑移。

当外力达到一定数值时，被加工表面金属除产生弹性变形外，还会有塑性变形（即金属的残余变形）。

由于塑性变形，不仅零件被加工表面的形状发生了变化，而且，其组织结构和物理性能也发生了变化，使金属被滚压层的组织变得紧密。

晶粒变细、晶粒形状也沿着变形最大的方向延伸。

同时在被滚压金属表面层内产生极大的压缩应力，使金属表面得到强化，提高了表面层的硬度；熨压平了微观不平度，大大降低了零件的表面粗糙度。

被滚压金属表面的强度极限、屈服极限和疲劳极限行也都有所提高，但其相对延伸率和冲击强度则有所降低。

这就使零件的抗腐蚀能力有所增加，使用性能也得到了改善。

滚压加工时，在碾入区域滚柱将与切削加工面接触并渐渐加压，在塑性变形区域接触压力超过材料的屈服点，产生局部塑性变形。

在滚柱下端最大负载作用后，在平滑区域开始弹性复原，滚柱渐渐与加工表面分离。

在滚压器的滚压下，工件表面的不平度波峰和波谷被熨平和填平，故在一定的有效范围内，提高了工件的加工精度。

1.2.3滚压加工的特点及其应用场合

1.滚压加工的特点

滚压加工是一种无屑光整加工方法。

它是在常温状态下，利用硬材料（如淬火钢、硬质合金以及红宝石等）制成的工具，对被加工零件表面施加一定的压力，使表面层金属产生塑性变形，改变金属表面层的组织结构和物理性质，以达到光整表面，校正工件几何形状，提高加工精度的目的。

由于滚压的结果，零件表层金属中产生了极大的压缩应力，因而强化了表面层金属，提高了强度极限、屈服极限和疲劳极限，使用零件表面产生一层冷硬层，增加了其耐磨性和谢腐蚀性能。

从而，改善了零件的使用性能。

2.滚压加工的应用场合

滚压加工常用于加工内圆表面、圆柱面、圆锥面、开式圆弧表面、丝杆螺纹表面、齿轮齿形表面和平面以及一些不易加工的特殊形状表面等到。

工件的材料可以是钢、铸铁或有色金属。

滚压加工工艺简单，易于掌握，又不需要昂贵的专用设备，大、中、小型工厂企业均可采用，适用性强，是一种生产效率高能保证产品质量，提高经济效益的加工方法，具有较高的应用价值。

1.2.4滚压加工的分类

1.滚压加工的分类

滚压加工在目前还没有统一的分类方法。

按加工原理大致可分为单珠（柱）式滚压加工、多珠（柱）行星式滚压加工、旋风式滚压加工、脉冲式滚压加工、轮式滚压加工、镗滚压复合加工以及车滚压复合加工等。

单珠（柱）式滚压加工主要用于外圆、内孔、平面和丝杠螺纹表面的滚压加工，多珠（柱）行星式滚压加工主要用于直径较大的内孔表面的加工；旋风式滚压加工主要用于外圆表面的加工，特别是用于细长杆圆柱表面的加工，效果更为显著；脉冲式滚压加工用于内孔表面加工，并能加工不通孔和非对称间断表面类型的孔，对于壁厚不均匀的内孔，采用脉冲式冯压加工，能获得较细的内孔表面粗糙度和较高的精度；轮式滚压加工用于大直径深孔的加工，对于直径大于400mm，孔深超过去10m的大直径深孔，采用轮式滚压加工，能获得较理想的内孔表面粗糙度和精度；镗滚复合加工用于内孔加工，深孔加工特别常用。

2.车滚压加工

车滚压加工是由车滚压机床来实现的，车滚压机床主要由滚压器、车刀架、顶尖、冷却系统和普通车床组成，其中车刀架位于滚压器前，车刀紧挨着滚压器，使车削滚压同时顺序进行。

3.车滚压的加工条件

（1）加工前表面

　　由于滚压加工是利用滚柱碾压的加工方法，所以加工后的表面粗糙度受凸起部分的高度及形状（即加工前状态）的影响。



　　如果加工前表面状态粗糙（凸起部分高，凹陷部分深），则不能将凸起部分完全添埋凹陷部分，造成加工表面粗糙。

　　另外，凸起部分的形状也影响加工后的表面。

由车床或镗床单点切削得到的规则的凹凸形状，且为容易碾压的高度时，可得到最理想的表面。

一般加工前的表面状况越好，加工后的表面状况越好，同时滚压头的磨耗也少。

如果需要，可增加一道工序。



（2）加工前尺寸

　　由于滚压加工是利用滚柱碾压的加工方法，所以加工前后工件的直径将发生变化（内径将扩大，外径将减小）。

为了能加工到尺寸公差范围内，应考虑这个变化量决定前工序的尺寸。

直径的变化量与工件的材质、硬度、滚压量有关，所以最初进行2～3次试加工后决定其尺寸。



　（3）驱动机械

　　滚压加工与切削加工不同，不需大扭矩，小功率车床也可以使用。



　　（4）加工部分的壁厚

　　滚压加工是用滚柱滚压加工部分的表面，使其致密化。

所以，为了能够承受加工压力，待加工部分应有充分的壁厚（内径的20%）。

壁厚太薄或部分薄时，加工后将发生起伏或真圆度下降。



　　通常按以下方法解决这个问题：

①减少滚压量；②利用夹具支撑外周；③在削薄壁厚以前实施滚压加工。

　　（5）加工部分的硬度

　　滚压头可加工的工件硬度上限值为40HRC，但是也特制加工高硬度工件（硬度上限值为55HRC）用的滚压头。

滚压加工高硬度工件时，加工部分由于承受压力大，工具寿命缩短。

所以为得到所需精度的加工面，主要措施是减少滚压量。



　　（6）转速和进给量

　　向右旋转滚压头进行滚压加工；也可固定滚压头，工件旋转也可得到同样结果。

转速与进给速度根据加工直径不同而不同。

4.车滚压加工的优点

一、滚压效率明显高于磨削，而且质量稳定；

二、造价低，调整方便，减少辅助时间；

三、滚压后表面得以强化提高活柱简的使用寿命，经济效益显著。

1.3本文主要研究内容

一、采用合理的结构，同时进行车削和滚压加工；

二、设计合适的滚子以及所需的相关的计算；

三、采用合理的冷却系统；

四、采用有效的微量进给系统；

五、采用合理的结构便于机械的安装、维修和调节。

第2章设计方案的确定

2.1设计参数

设计内容：

活柱筒的外圆加工

工件材料：

27SiMn

加工方法：

车滚压

加工要求：

外径为

内径为75mm

粗糙度Ra0.8μm

直线度为

选用机床：

CA6140

2.2设计方案的确定

活柱筒外圆的车滚压加工是用车滚压机床来实现的，车滚压机床就在普通车床加装车滚压装置，车滚压装置是由车刀和滚压器组成的，车刀在滚压器前面，使车削滚压同时顺序进行。

装置后面用一特殊的堆堵用来同车床卡盘一起定位活拄筒，此外还有冷却系统是用来降低车削和滚压温度的。

如下图所示，该装置安装在车床大托板的燕尾槽导轨上，其车削动作是由摇动车刀架手柄实现的，摇动手柄使车刀径向进给或后退，并按安装在车刀架上的百分表指示来控制加工尺寸，保证滚压余量。

滚压动作是由均习分布的滚子来实现的，滚子被支承架限制在等分的圆周上，工作时径向滚压力由跑道承受，因滚子在360°度圆周上均布，使向心力具有自动定心作用，滚压力的轴向分力则传给套，再通过止推轴承传给轴承套，轴承套通过调整螺母传递给外壳。

跑道内孔有个小锥度，通过调整螺母调节滚子在跑道上的相对位置，从而实现微量调节。

工作时，车床主轴上的卡盘卡住活柱筒不用加工的一头，工件的另一头用与工件加工要求的尺寸一致的一个特制的长锥堵顶着。

长锥堵的长度应略长于滚压装置，这样当滚压完毕后可以把滚压装置完全退到锥堵上，以便换件，继续下一个工件的加工。

为了防止车削过程中铁屑和冷却液四外飞溅，在前后加装挡板，为了便于在加工过程中观察加工情况，把位于可视车削过程的部位换成一个可方便打开的挡板。

图2-1车滚压装置简图

第3章工作参数的选择

3.1滚压力

滚压力是滚压过程中的主要参数，滚压力的大小直接关系到工件表面的变形程度和加工效率，滚压力的确定是比较复杂的，因为影响滚压力的因素很多．材料的强度和硬度越高，原始表面粗糙度值越大。

滚压元件直径越大，进给量越大，则滚压力相应的也越大。

滚压力选取过大，滚压后粗犍度不但得不到降低，相反会引起表面金属疲劳，出现起皮现象。

滚压力的选择是有一定范围的，直观的办法是调节滚压量来控制滚压力的大小，并根据滚压后的零件表面粗糙度来判断滚压力是否合适。

3.2过盈量

滚压过盈量的选择，原则上应尽量使用较小的滚压力，保证精度和粗糙度的要求。

选择过盈量不仅要考虑工件的塑性变形量，而且要考虑到工件在半径方向上的弹性变形量。

活柱筒外圆滚压装置的安装尺寸为被加工圆柱筒的最小尺寸。

以尾座孔活顶尖外套直径来调整滚柱所在圆直径，每次调整到滚压试件的尺寸及粗糙度满足要求后，再投入批量生产。

根据文献[1]，滚压的过盈量按下式选取：

式中：

—过盈量，滚压前滚子的对刀尺寸与车刀对刀尺寸之差；

—压下量，滚压后轴径实际尺寸与滚压前车刀对刀尺寸之差；

—弹性恢复量，在挤压作用下，

高度内，一部分金属产生塑性变形产生

，一部分产生弹性变形

。

—扩张量，其大小与机床工艺刚度，切削用量（

）大小，工件的外形是否规则，弯曲度大小有关。

根据不同的工件材质，

、

、

选取不同数值，根据文献[1]，过盈量一般选取

=0.15~0.25mm为宜，后面就以

=0.25mm来计算。

3.3滚压速度

滚压速度对加工表面的粗糙度及强化程度的影响不大，增大滚压速度可提高生产效率。

但速度过高会引起振动，同时还会增高工件与工具的温升。

经过多次试验,将活柱筒滚压速度定为72～78m／min。

3.4滚压进给量

图3-1进给量与残留高度的关系

进给量是滚压加工中的主要工艺参数它直接影响到滚压后工件表面的粗糙度和加工效率。

从中可以看出，决定残留高度h的因素为滚压元件圆弧半径R和进给量,进给量愈小,则表面残留高度h愈小。

因此，较小的进给量有利于降低表面粗糙度，但进给量增大可提高生产率。

由于滚柱滚压接触面积较大,能承受较大滚压力,可选取较大的进给量。

通过试验，对进给量的选择一般为f=（0.01～0.02）dmm／r，取f=0.3mm／r试验效果良好。

3.5切削用量

有关试验证明，加工高强度低合金结构钢27SiMn时，欲保证高质量、高效率条件下刀具的耐用度（t=40min）,选用普通硬质合金刀片远远满足不了要求，刀具常因过大磨损导致轴的粗造度值上升，故采用YW2、726等普通硬质合金涂层刀片，能取得满意的效果。

根据文献[1]记载，切削深度为

=2~3mm。

由于切削和滚压是同时进行的，二者必然是同一进给量和切削（滚压）速度。

所以车刀切削速度也为72～78m／min，已知工件直径为92mm,转化为转数n=250~270r/min,查CA6140主要技术参数可得，相应的转数V有250r/min，所以滚压时选取车床转数为250r/min，进给量取f=0.3mm／r即可。

3.6工件原始表面质量

活柱筒材料是27SiMn，调质硬度HB270—310,因而可塑性较差，如果滚压前加工表面过于粗糙，滚压力大，将导致滚柱磨损，影响滚压质量。

一般滚压预加工表面粗糙度以Ra6.3

最佳。

3.7冷却液

合理选择使用冷却润滑液，可使切削温度降低至约150ºC，使切削力降低15％一30％，提高刀具和滚柱的使用寿命，并能清除切屑和减小摩擦，从而提高滚压质量。

通常选用一般的防锈乳化液为宜，可由车床水泵供给，但应有沉淀过滤装置，保持乳化液的清洁。

第4章主要结构的确定及校核

4.1滚子设计及计算

第5章外圆滚压加工注意事项

一、外滚压加工配套设备精度要求：

车床主轴径向跳动在0.04mm以下,尾架中心与主轴中心同轴度要求0.03mm。

车床导轨刚性要求较高，其直线度为0.06mm/m。

这样才能保证滚压加工尺寸精度和表面精度的稳定性。

二、滚压加工中要使用冷却液。

一般采用乳化液来降低滚压加工过程温度和冲掉工件外圆表面的屑末，特别是当车削～滚压联合使用时，要以一定的压力进行冷却润滑，并冲掉车削下来切屑。

否则，这些切屑会夹杂到滚压装置中去，影响滚压加工效果，甚至划伤滚压装置的滚柱，使滚压加工无法进行。

三、滚压加工中途不宜停车。

不然，滚压装置中的滚柱会在工件停留处压出一道环形槽而无法消除。

若遇到特殊情况一定要停车时，应及时退出滚压装置。

四、提高工件表面粗糙度，有利于滚压加工效果。

在预加工粗糙度达Ra1.6时，只要过盈量合适，粗糙度可达Ra0.2以上。

但当预加工粗糙度只有Ra6.4～Ra3.2，加工表面有振动乱刀纹时，那么较深的刀纹不能被滚压光，这只有增加过盈量再次滚压。

如果孔的椭圆度和锥度过大，滚压后上述缺陷仍然存在，同时粗糙度大。

因此，预加工表面最好小于Ra3.2，几何精度在一、二级以上，能获得小的粗糙度，较理想的精度。

五、滚压的次数不宜太多。

一次滚压效果最为显著，可降低粗糙度2～3级。

二、三次次之。

车滚压一般就加工一次，如果效果不理想，也是调结其它参数。

第6章车滚压的加工效果

6.1尺寸精度和表面粗糙度

事实试明，用该装置滚压后，尺寸能稳定地控制在轴的尺寸公差范围内，而且表面粗糙度也能稳定达到。

滚压时，滚柱将零件表面的波峰压下，产生塑性变形，填入波谷中去，从而使表面粗糙度提高。

如下图所示：

图6-1滚压时零件表面情况

影响表面粗糙度的主要因素：

一、原始表面质量：

滚压前车削的表面质量必须达到Ra3.2μm以上，且要求整个表面均匀、平整、无划伤，经滚压后才可以保证加工件达到粗糙度Ra0.8μm。

二、滚压过盈量：

过盈量的大小直接影响着金属的变形。

过盈量太小不能使原始表面的波峰压下去，达不到理想的粗糙度；过盈量太大，零件表面局部应力很大，以到长超过材料本身的强度，造成零件表面破裂、剥落，反而破坏了表面粗糙度。

三、加工零件的材料机械性能：

主要是材料的硬度及延伸率。

一般软而塑性好的材料比较容易提高表面粗糙度，宜采用较大的滚压过盈量。

6.2金属内部的物理变化

在车滚压加工过程中，车刀的车削作用使加工面产生了冷加工硬化，滚压使原有的金属表面进一步产生塑性变形，冷加工硬化程度加强，改变了表层金属材料的机械性能（屈服极限、强度极限提高，延伸率、冲击韧性降低）。

一般冷硬层的厚度在1.5mm左右，冷硬层的硬度分布为表层最硬，约比心部提高25﹪左右，延壁厚方向硬度向心部递减，直至与心部硬度相同。

金属表面经过滚压加工以后产生了塑性变形，变形随深度的增加而减少。

塑性变形区再往里是弹性变形区，当外力消除后，变形也就消除了。

在塑性变形区中，表层产生很大的残余压缩应力。

6.3表面性能的变化

经过车滚压装置加工的零件的表面耐磨性、耐蚀性和疲劳强度均的提高。

以下介绍表面性能提高的原因。

耐磨性提高的原因：

零