滚针轴承使用寿命的研究设计.docx
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滚针轴承使用寿命的研究设计
摘要
滚动轴承的寿命定义为从轴承开始工作到轴承滚道轮或滚动体的表面,因疲劳最先出现表面剥落的总转数(或者在一定转数下的总旋转时间)。
但是,即使尺寸、结构、材料、热处理完全相同条件的轴承运行时,寿命也会有所不同,不是一定的。
这是因为材料的疲劳限度本身就存在差异。
这正文中我们将从设计入手,以CF10BUURM螺栓轴承为例。
通过对外圈、螺栓轴、保持架的设计与研究与CNC编程探索IKO轴承的秘密。
在尺寸精度上,将尺寸控制在公差范围内,保证滚针轴承转动时游隙和摩擦系数。
除了设计我们还要考虑的是:
轴承正确的储存,表面的清洁,轴承的选配,安装前的准备,谨慎的安装和拆卸,还有正确的润滑。
关键词:
滚针轴承;疲劳寿命;轴承设计;CNC编程
Abstract
Bearinglifeisdefinedasthetotalnumberofrevolutions(ortotalservicehoursataconstantrotationalspeed)beforeasignofthefirstflakingappearsontherollingsurfaceofracewayorrollingelements.However,evenwhenbearingsofthesamesize,structure,materialandheattreatmentaresubjectedtothesameconditions,thebearingliveswillshowvariation.Thisresultsfromthestatisticalnatureofthefatiguephenomenon.
Inthistext,wewillstartfromdesign.TakeCF10BUURMboltbearingasanexample.Throughthedesignandresearchofexternalring,shaftbolt,cageandCNCprogrammingwewillfindthesecretofIKObearing.Onthedimensionalaccuracy,wemustcontrolthesizeoftolerancerangetoensuretheneedlerollerbearing'sclearanceandfrictioncoefficient.
Wealsoneedtoconsidersomethings,suchasstoringitinaprofessionalroom,surfacecleaning,bearingselection,thepreparationbeforeinstallation,installationanddismantlementcarefully,andcorrectlubrication.
Keywords:
Needlerollerbearings;fatiguelife;bearingdesign;CNCprogramming
1绪论
轴承即使在正常的条件下使用,套圈和滚动体的滚动面也会因受到交变应力作用而发生材料疲劳,以致造成剥落。
疲劳剥落是滚针轴承的主要失效形式,因此,轴承的寿命一般情况指其疲劳寿命。
疲劳寿命的定义为:
一套轴承,其中一个套圈(或垫圈)或滚动体的材料出现第一个疲劳扩展迹象之前,一个套圈(或垫圈)相对另一个套圈(或垫圈)的转数。
在某些特定情况下,轴承也可能因磨损过度或丧失必须的精度而失效,这时轴承的寿命是指磨损寿命或精度寿命,需另行考虑
理论上IKO滚针轴承CF10BUURM的使用寿命为20000~80000小时,但是,实际的寿命取决于许多因素——过早的轴承失效会导致代价高额的设备停工,有时甚至还会导致更严重的后果。
令人满意的IKO滚针轴承使用寿命始于正确的轴承选择。
从一开始,轴承设计师通过为不同应用选择正确的轴承来延长轴承使用寿命和设备性能。
这个过程要考虑许多因素,例如载荷、硬度、轴承寿命预测、运行环境等等。
1.1本课题的研究内容和意义
本文主要从设计入手,深入解析IKO滚针轴承,CF10BUURM的使用寿命比国内相同型号产品高3到4倍的原因。
螺栓型滚针轴承可以分为五大类:
标准凸轮从动轴承系列、C-Lube自润滑凸轮从动轴承、CFS系列袖珍凸轮从动轴承、双列圆柱滚子凸轮从动轴承NUCF、英制系列CR。
标准凸轮从动轴承又可以分为:
标准凸轮从动轴承CF、偏心杆端凸轮从动轴承CFES、附带偏心套的凸轮从动轴承CFE、附带推力垫圈的凸轮从动轴承CF…W、集中配管用凸轮从动轴承(CF-RU1,CF-FU1)、简易安装用凸轮从动轴承CF-SFU。
在这里我们主要讨论的是标准凸轮从动轴承CF。
CF10BUURM,这里的10是代表尺寸,也就是杆端直径的大小。
B代表的是杆端顶部带六角孔。
UU代表的轴承带密封圈密封,R是指外圈外径面是球面。
M这里代表细牙螺纹。
这个轴承可以分为外圈、螺栓轴、密封垫片、侧板、保持架、滚针、螺母七个部分,其中螺母是标准件,不需设计其他的我们将在正文中一一计算与设计。
其中外圈和螺栓轴将进行数控车编程。
1.2国内外的发展概况
随着人类文明的不断进化和科学技术的高速发展,世界轴承工业从弱小起步,由昔日少数几家小厂发展到现今遍布全球。
可以说,世界轴承工业在不断的发展壮大中,为世界的工业、农业、国防和科学技术的发展进步做出了巨大的贡献。
1.2.1国外滚动轴承工业的发展
轴承工业中实力较强的企业有德国的INA公司、日本的IKO公司、以及美国的TIMKEN公司等,这些公司代表了世界轴承工业的发展水平和前沿。
1946年威廉•舍弗勒博士和乔治•舍弗勒博士兄弟二人在德国赫尔佐根奥拉赫(Herzogenaurach)创立INA公司。
并在1949年就证明了突破思维框架的意义。
彼时,他对滚针和保持架组件的研发,导致滚针轴承在工业领域应用的一大突破,填补了该领域的空白。
乔治•舍弗勒的创新精神和对成功的渴望成为INA公司在全球35家工厂永恒的企业文化的一部分。
INA在全世界范围开发并生产滚动轴承、滑动轴承、直线运动产品和汽车发动机部件。
作为一个研制与开发方面的合作伙伴,从系统发展的初始阶段开始,INA就与客户紧密合作。
每天都会有针对用户的新解决方案诞生,这也意味着每年有1,000种以上新产品投放市场。
INA大力投资研发部门,最近特别注重在德国、亚洲和北美的新研发中心的建设。
INA品牌广泛用于汽车工业包括发动机、变速箱和底盘,以及工业部门。
INA在精密产品成型方面有着同行不可比拟的技术优势并依此为客户提供极佳性价比的解决方案。
在工业领域,四个行业管理部门分别在生产机械、动力传输与铁路、重工业和消费产品领域引导着INA和FAG两个品牌的市场推广。
IKO是日本汤姆逊公司的注册商标,是一个以科技和技术开发为导向的工业配件制造厂商,产品以针状轴承和导轨轴承为主。
IKO东晟轴承日本东晟株式会社IKO是一家有五十多年历史,以生产滚针轴承和直线导轨轴承见长的专业轴承制造商,在世界各地均享有崇高的声誉,是日本生产滚针轴承历史最悠久、品种最齐全、专业化水平最高的生产厂家;IKO卡法创造的四列圆柱滚子重载导轨享誉世界。
其产品广泛用于机床以及其他各行业领域。
IKO轴承出品的产品已成为优质名牌产品的代表,通过全球的营销网络实现为用户方便、快捷的服务承诺。
IKO针状轴承以其特殊的内部构造实现机械设计的小型、轻量化。
导轨轴承以滚针轴承所赋予的高品质为基础,以独特的机械设备做精密加工,以最新机器来作品质评价,产品永远维持着高性能及高品质的水准。
1.2.2国内滚动轴承工业发展
中国是世界上较早发明滚动轴承的国家之一,在中国古籍中,关于车轴轴承的构造早有记载。
从考古文物与资料中看,中国最古老的具有现代滚动轴承结构雏形的轴承,出现于公元前221~207年(秦朝)的今山西省永济县薛家崖村。
新中国成立后,特别是上世纪七十年代以来,在改革开放的强大推动下,轴承工业进入了一个崭新的高质快速发展时期。
中国轴承工业的发展历程,大致可以分为五个阶段:
第一章 萌芽阶段(1949年以前)
新中国成立前,我国轴承工业发展十分缓慢。
第二章 奠基阶段(1949~1957年)
1949年,瓦房店轴承厂恢复生产,成为中国第一家独立生产轴承的企业。
随后哈尔滨轴承厂于1951年4月建成并投入生产。
1953年上海市轴承行业形成秦福兴轴承厂、上工轴承厂、荣泰新机器厂和金兴铁工厂4个中心厂及10多个卫星厂。
在原苏联的援助下,全国156项重点工程之一的洛阳轴承厂1954年3月底破土动工,1957年开始试制普通轴承13.6万套。
至此,我国轴承工业瓦房店、哈尔滨、洛阳、上海四个生产基地初步形成,为轴承制造业的发展奠定了基础。
第三章 体系形成阶段(1958~1977年)
以四个生产基地为核心,辐射全中国的生产热潮,主机配套的新产品的发展迅速。
轴承的配套产业也开始蓬勃发展。
第四章 快速发展阶段(1978~2000年)
这一阶段轴承工业通过技术改造和引进,改善了生产布局,增强了生产能力,提高了经济效益。
与国外先进的生产厂家进行交流,轴承设计水平已逐步接近,或部分达到了国外同类产品的先进水平。
第五章 向世界轴承工业强国迈进(2001后)
2000年以后中国经济迅速腾飞,轴承行业也不例外,中国的轴承出口量大幅增加,以2013年4月份的德国汉诺威工业博览会来讲。
来自中国的参展商有734家,展览面积1.2万平方米。
据不完全统计,其中轴承企业有上百家。
中国正在有制造大国向着轴承工业强国迈进。
1.3本课题应达到的要求
1、通过螺栓型滚针轴承CF10BUURM的设计探索尺寸对滚针轴承使用寿命的影响。
2、熟练掌握CNC数控仪表车的编程。
3、熟练掌握切削尺寸,磨削尺寸的精度。
4、掌握保持器冲压模具的设计。
5、熟练掌握各个零件的加工工序、和工艺。
2整体设计计算
2.1CF10BUURM外形尺寸
平挡圈型滚轮滚针轴承的基本尺寸d、D、B、C、r,应符合GB6445-1996的规定:
D=22,d2=10,B=36,B2=23,C=12,
=0.3,d1=17,G:
M10×1,
=12
2.2滚动体的相关计算
2.2.1滚针直径DW的计算
的取值精度为0.1,允差统一取为-0.01
(2-1)
为:
0.2
为:
0.3
1≤
≤1.5
按靠近原则,至GB309中的优选尺寸,
取1.5
2.2.2滚针长度Lw的计算
Lw的取值精度为0.1,允许公差按表1选取
当有保持架时
KL1是轴承挡边厚度与轴承外圈高度的关系值
KL2是保持架的窗梁厚度系数
KL1、KL2的值查表2-2和表2-3
Lw=C-2·KL1-2·KL2
=12-2x2-2x1
=6
表2-1:
允差(mm)
滚针公称长度
滚针长度允差
超过
到
上差
下差
3
6
0
-0.18
6
10
0
-0.22
10
18
0
-0.27
18
30
0
-0.33
30
50
0
-0.39
50
80
0
-0.46
表2-2KL1系数
轴承公称内径d
KL1值
超过
到
-
6
1.5
6
15
2
15
-
2.5
表2-3KL2系数
外圆公称宽度
KL2值
超过
到
-
20
1
20
24
2
24
30
4
2.2.3滚针中心园直径DPW的计算
(取值精度0.001,允差统一取为
±0.025)
当已知滚针组内径
和滚针组外径
时,
(2-3)
=(12+15)/2
=13.5
2.2.4滚针数Z的计算
(取值精度1)
有保持架时
(2-4)
=3.14×13.5/2.5
=16.956
根据元整的原则,查GB309,取Z=17
2.3额定载荷
2.3.1径向额定动载荷
(2-5)
(图纸上标注Cr值以KN为单位,四舍五入至小数点后1位)式中,
----考虑到轴承设计、轴承材料和制造技术的进步,提高了计算额定动载荷Cr的系数,使它增大了
倍,
值查表2-4。
---与
和
有关,
值见附表1,中间值用线性插值法求取。
=
/
=1.5/13.5=0.11
查附表1得:
=88
=5-2×0.3=4.4(2-6)
i:
轴承中滚动体的列数
=5.43KN
表2-4ISO281规定的bm值和寿命相对增加量
轴承类型
增寿量
径向轴承
径向和角接触沟型球轴承,及调心球轴承
(有装球缺口和外球面轴承除外)
1.3
2.20
有装球缺口的轴承
1.1
1.37
外球面球轴承
1.0
1.00
圆柱滚子轴承、圆锥滚子轴承和实体套圈滚针轴承
1.1
1.37
球面滚子轴承
1.15
1.59
冲压外圈滚针轴承
1.0
1.00
推力轴承
推力球轴承
1.3
2.20
圆柱滚子轴承和滚针轴承
1.0
1.00
圆锥滚子轴承
1.1
1.37
球面滚子轴承
1.15
1.59
2.3.2径向额定静载荷
(2-7)
把查表和计算的数值带入公式得:
3外圈的设计
3.1尺寸的参数符号
----外圈滚道直径,mm
E------外圈滚道宽度,mm
D1----外圈密封槽直径,mm
b1-----外圈密封槽宽度,mm
b2-----外圈台阶宽度,mm
D2-----外圈台阶直径,mm
C-------外圈公称宽度,mm
D-------轴承公称外径,外圈公称外径,mm
3.2外圈的尺寸设计
3.2.1外圈滚道直径的计算
=12
(3-1)
=12+3
=15
在滚针轴承的外圈滚道设计中应满足外圈壁厚,(D-De)≥轴承的总壁厚(D-d)
的45%。
即:
22-De≥(22-10)×45%=5.4
7≥5.4
所以滚道直径De取15。
3.2.2外圈滚道宽度的设计计算
(3-2)
=12-2×2
=8
3.2.3外圈台阶高度和直径的设计
因为两边台阶对称,所以台阶的高度为外圈公称宽度和外圈滚道宽度差的一半。
即:
b2=1/2(C-E)=1/2×(12-8)=2
外圈台阶直径D2设计,因为挡圈外径d1=17。
装配时平挡圈与内螺栓轴承采取过盈配合,而且平挡圈的内径为12,小于滚道直径De,所以外圈台阶直径D2只需要满足D2>d1.且D2小于D,因此我们取D2=18
3.2.4外圈密封槽宽度b1和外圈密封槽直径D1的取值
b1=0.6b2=1.2
D1一般取值大于D2且小于0.85D所以我们取D1的值为18.7
3.3加工时的注意事项
3.3.1外表面倾斜度对轴承质量的影响
我们定义外圈外表面素线对基准端面的倾斜度变动量SD,虽然有关标准暂未作规定,但是如果在生产制造过程中若不严格控制,将会对轴承的安装使用性能造成较大的影响。
(具体如图1)
(3-3)
图3.1表面倾斜度SD
1、外表面倾斜度对轴承径向游隙的影响
当轴承外表面倾斜度越大,轴承安装后径向游隙减小的就越多,径向游隙过小或负值,将对轴承产生预紧载荷,不仅影响旋转灵活性,而且由于磨损加剧,工作温度升高。
将产生抱轴,轴承的使用寿命将大大缩短。
2、外表面倾斜度对轴承径向跳动的影响
当这个轴承的螺栓固定时,轴承顶端的径向跳动最大,但由于测量时测的是轴承中部的径向跳动,实际的径向跳动量大于中部的测量值。
所以即使中部达标,端面的跳动也比中部大,径向跳动量过大,会降低运动精度,产生振动及噪声,磨损加剧,降低轴承的使用寿命。
3、如何解决表面倾斜度的影响
(1)在仪表车上完成割断时,粗车端面的刀具和切割的刀具要尽量保持垂直。
(2)在M7475B平面磨床上以粗车的端面为基准面,软磨非基准端面严格控制平行度。
(3)在M1083A无芯磨床上软磨外径。
(4)热处理过后,在M7475B平面磨床上精磨平面,保证尺寸。
(5)在M1420外圆磨床上,磨外圆,保证垂直差和同心度。
(6)粗磨滚道、滚道超精、终磨外圆。
3.3.2材料的选择
滚针轴承在工作时承受着高而集中的交应变力同时,在滚动体和套圈之间还产生强烈的摩擦,因此,滚针轴承材料要具有高的硬度和耐磨性,高的弹性极限和接触疲劳强度,足够的韧性和一定的耐腐蚀性,可以承受冲击载荷,具有良好的综合力学性能。
所以我们外圈选择硬度和可塑性都比较高的SUJ2。
SUJ2的化学成分:
碳(C)0.95-1.10,
硅(Si)0.15-0.35,
锰(Mn)≤0.50,
硫(S)≤0.025,
铬(Cr)1.30-1.60,
钼(Mo)≤0.08,
镍(Ni)≤0.25,
铜(Cu)≤0.25
3.4加工工序
工序一割断、下料(保证管料高度12.6)
工序二在M7475B上软磨平面(高度12.3)
工序三在M1083A无芯磨床上软磨外圆(保证尺寸22.25)
工序四在CNC数控仪表车CJK0660上车加工成型
工序五淬火(硬度60-64HRC)
工序六在M7475B平面磨床上磨两端面,平行度0.02
工序七精磨两端面,达到尺寸(11.9—12)
工序八在M1420外圆磨床上,修整垂直差,保证尺寸
工序九在MZ208B上磨内孔,达到尺寸(15.01—15.02)
工序十在MZ208B上超精内孔,保证尺寸在(15.005—15.01)
工序十一终磨外径,保证尺寸(21.99—22)
工序十二修整外圆弧,R=500
工序十三清洗防锈,备用。
3.5CNC编程
“CNC”是英文ComputerizedNumericalControl(计算机数字化控制)的缩写。
传统的机械加工都是用手工操作普通机床作业的,加工时用手摇动机械刀具切削金属,靠眼睛用卡尺等工具测量产品的精度的。
现代工业早已使用电脑数字化控制的机床进行作业了,数控机床可以按照技术人员事先编好的程序自动对任何产品和零部件直接进行加工了。
这就是我们说的“数控加工”。
数控加工广泛应用在所有机械加工的任何领域,更是模具加工的发展趋势和重要和必要的技术手段。
数控机床是按照事先编制好的加工程序,自动地对被加工零件进行加工。
我们要考虑的条件有加工工艺路线(根据定位基准选择最优路线)、工艺参数、刀具的运动轨迹、位移量、切削参数如:
主轴转数、进给量、背吃刀量等。
以及辅助功能如:
换刀、主轴正转、反转、切削液开、关等。
这种从零件图的分析到制成控制介质的全部过程叫数控程序的编制。
数控机床与普通机床加工零件的区别在于数控机床是按照程序自动加工零件,而普通机床要由人来操作,我们只要改变控制机床动作的程序就可以达到加工不同零件的目的。
因此,数控机床特别适用于加工小批量且形状复杂要求精度高的零件
由于数控机床要按照程序来加工零件,编程人员编制好程序以后,输入到数控装置中来指挥机床工作。
程序的输入是通过控制介质来的[1]。
1、确定加工蹊径
按先主后次,先粗后精的加工原则确定加工蹊径,采取稳固循环指令对外形状举行粗加工,再精加工。
2、装夹要领和对刀点的选择
采取气动夹具夹紧,对刀点选在工件的右端面与反转展转轴线的交点。
3、选择刀具
根据加工要求,选用三把刀,1号为粗加工平面车刀,2号为镗孔车刀,3号为切槽刀。
采取试切法对刀,对刀的同时把端面加工出来。
4、确定切削用量
粗车加工平面倒角,主轴转速为1200r/min,直线进给速率为150。
镗孔车台阶加工时,主轴转速1200r/min,直线进给速度为50。
切槽时,主轴转速为1200r/min,直线进给速率为50。
5、步骤式样
N0010M08
N0020M03S1200
N0030T01
N0040G00X24
N0050G00Z0
N0060G01X14F150
N0070G00Z0.7
N0080G00X18.5
N0090G00Z0
N00100G03X22.4W-2.5R2.5F150
N0110G00Z50
N0120T02
N0130G00X15.5
N0140G00Z2
N0150G01Z-2.2F250
N0160G00X13
N0170G00Z1
N0180G00X17
N0190G01Z-2.2F250
N0200G00X13
N0210G00Z1
N0220G00X20.3
N0230G01Z0.1F300
N0240G01X18W-1.0F150
N0250G01Z-2.2F250
N0260G00X16.5
N0270G01X14.8W-0.7F150
N0280G01Z-13.0F250
N0290G00X13
N0300G00Z30
N0310T03
N0320G00X14.5
N0330G00Z-2.2
N0340G01X18.7F50
N0350G00X17.9
N0360G01Z0F200
N0370G00X15
N0380G00Z70M05
N0390M09
N0400M11
N0410M00
N0420M10
N0430M00
N0440M08
N0450M03S1200
N0460T02
N0470G00X15.5
N0480G00Z1
N0490G01Z-2.3F200
N0500G00X13
N0510G00Z1
N0520G00X17
N0530G01Z-2.3F200
N0540G00X13
N0550G00Z1
N0560G00X20.5
N0570G01Z0.05F350
N0580G01X18.0W-1.1F150
N0590G01Z-2.3F200
N0600G00X16.5
N0610G01X14.5W-0.8F150
N0620G00X13
N0630G00Z20
N0640T03
N0650G00X14.5
N0660G00Z-2.3
N0670G01X18.7F50
N0680G00X17.9
N0690G01Z0
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