高速铁路轴承外圈淬火压床开发设计

1、济南大学泉城学院毕业设计6- -济南大学泉城学院毕业设计-I -/、八1前言11淬火压床设计引言1.1.1铁路货车轴承现状滚动轴承作为铁路货车的关键部件， 直接关系到车辆运行的安全，始终是中国铁 路部门关注的重点。但过去多年来，轴承质量由于受到密封装置、轴承润滑脂、保持 架质量的影响，不能满足铁路运输发展对货车的需求， 每年均会发生几起滚动轴承热 轴、切轴事故。近几年来，随着我国国民经济快速发展以及中国铁路跨越式的发展， 中国铁路的滚动轴承事业也步入了快车道， 在铁路有关部门组织和各研究所的积极配 合下，解决了一系列制约着滚动轴承发展的瓶颈问题，可以说，中国铁路货车滚动轴承事业走过了一条极其不

2、平凡的道路， 并正在生机勃勃的快速向前发展。纵观我国铁 路货车滚动轴承的发展历程，也就只是轴承结构的变化、保持架材质的变化、轴承密 封装置的改进以及轴承润滑脂的优化和检修技术标准的不断完善和发展的历程。滚动轴承在中国铁路货车的应用比较晚， 载货车滑动轴承转化的初期，滚动轴承主要采用 进口。1978年，滚动轴承开始在新造、厂修货车上小批量装车运用、试验，当时滚动 轴承的型号主要有97720、197720、97726、197726和97730等；从1980年开始在新造 货车上大量装车使用，当年新造货车滚动轴承数量已达到4000辆。用滚动轴承代替滑 动轴承是铁道部制定的一项重大技术政策，它可以减少列

3、车的启动阻力和运行阻力， 增加列车牵引吨位，减少事故，保证行车安全，提高运行数度，加快车辆周转，节省 材料，降低运营成本，延长货车的检修周期。铁路货车在装用滚动轴承后，其技术经济效果是相当明显的。减小列车启动和运 行阻力，增大列车的牵引重量。列车的运行阻力是由轮轨间、轴承内的摩擦阻力以及 风力等组成。减小各项相对阻力，可明显增大牵引重量，节约能源，提高运输效率。 铁路货车由装用滑动轴承改用滚动轴承是取得明显效果的重要途径。一般情况下，滚动摩擦系数比滑动摩擦系数低得多，相差一个数量级。因此，滚动轴承列车的启动和牵引阻力都将比滑动轴承列车大大减小。滑动列车启动阻力大，列车在低速运行时的 阻力也就大

4、，特别是在冬季更为显著。列车启动困难，牵引重量受到限制。随着列车 运行速度的不断提高，轴承摩擦阻力占列车总运行阻力的比例减小。 节约能源和减少 材料的消耗，滚动轴承化所节约的能源和材料也是相当可观的。由于滚动轴承列车的启动阻力和运行阻力都比较小，减小了机车的功率消耗，提高了机车的动力利用效率， 因而能节约大量的能源。另一方面，由于装用滚动轴承，还可以节约大量的润滑油和 有色金属，大大减少材料消耗。货车装用滚动轴承后大大减少了润滑油的消耗量。此 外，由于滚动轴承装用润滑脂，很少漏油，也可消除因漏油玷污钢轨而降低机车的牵 引力。装用滚动轴承后可以大量减少燃油事故，极大的提高运营的安全性和经济性。

5、滚动轴承比滑动轴承具有优良的技术性能。 装用滚动轴承的车辆，燃轴事故率大大减 少。根据每年进行的统计调查显示，装用滚动轴承的火车运营过程中因轴承技术故障 而引发的事故大大减少。目前我国高铁轴承仍然全部依靠进口 ，未来三年我国高铁轴承市场将超过20亿元. 在总需求中,晋西车轴,轻轨等城市轨道交通车辆对轴承的急需，确定由轴研科技作为项目牵头负责单位，但涨幅最大的均为所谓的高铁概念，目前我国时速160公里以上客 车用轴承全部靠进口，在轴承行业开展高速铁路轴承的研发工作.由于我国轴承产业 发展跟不上,可靠性低，目前时速在300公里以上高铁所用车轴全部进口 ，但不清楚结果 怎么样.我国生产的轴承产品在性

6、能与价格比，中国轴承产业协会开展高速铁路轴承会 商，如中国南车，可能几年内也无法大量生产出给高铁配套的轴承.反映在市场上，轴承的结构优化设计和仿真分析等工作。根据铁道部相关人员表述，到2012年我国将建成1.3万公里客运专线，时速350公 里的线路将达到8000公里，时速250公里的线路将达到5000公里。时速350公里的高 速动车组将成为未来铁路客运专线的主力。 对中国北车和中国南车而言，只有提升动 车组生产能力才能够满足中国高速动车组的强劲需求。高速动车组不仅在国内方兴未艾，而且国外相关国家均表现出了对中国高速动车组的浓厚兴趣，未来中国高速动车组有望输出产品和技术。动车组和大功率机车的核心

7、技术已为我所有。高速动车组的总成、车体、转向 架、牵引变流、牵引控制、牵引变压、牵引电机、列车网络控制和制动系统等核心技 术，大功率电力机车的总成、车体、转向架、主变压器、网络控制、主变流器、驱动 装置、牵引电机、制动系统等核心技术，大功率内燃机车的柴油机、主辅发电机、交 流传动控制等核心技术，以及大量的配套技术，我们已经掌握。运用这些技术生产的 时速200公里及以上动车组和大功率机车的国产化率可达到 70%以上。然而，虽然国 内已经能够生产出具有自主知识产权的高速铁路动车组整车，但在高速铁路轴承的国产化应用方面仍处于空白。目前国内动车组轴承全部使用进口轴承。因此大力发展高速铁路轴承的国产化已

8、是势在必行。可想而知，前景也非常的广阔。目前，铁路货车用滚动轴承替代滑动轴承已经成为必然趋势。在我国目前运用的铁路货车上，装用的滚动轴承有几种形式，但主要的型式是197726型无轴箱双列圆锥 滚子轴承。铁路轴承所用的的材料为渗碳轴承钢(G20CrNiMoA )，其渗碳厚度为1.5mm2.3mm,工作表面的淬火回火硬度为 HRC6064,心部硬度为HRC3545。 由于轴承钢在淬火时会畸变大，变形十分严重，进而造成大量废品。所以，轴承行业 普遍采用淬火模具来强行阻止其变形。目前，国外普遍采用淬火压床来完成铁路轴承的淬火工艺。国内同行在淬火压床模具设计方面也做了大量工作，并取得了一定成效。在此基础

9、上，通过计算，设计了 一种外动内静式的模具，即把模具分成为两个模芯，模具内芯是一个整体，外芯为 济南大学泉城学院毕业设计- -块活动块，并与内芯通过锥面配合。该设计既可进退自如，通过锥面配合也便于脱模， 又使模具与轴承材料保持良好接触， 从而既完成淬火工艺，保证了轴承的精度，又能 提高模具的使用寿命。1.1.2铁路货车滚动轴承外圈简介铁路货车轴承的外圈是一个带有两个圆锥滚道的套筒，由于轴向力一般只是轴 载荷的30%,所以滚道母线与轴承中心线的夹角（即轴承接触角）不大，一般的都在 1013范围以内。当接触角过小时，在轴向力的作用下，容易产生楔套作用，进 而导致外圈和内圈组件卡死。反之，接触角过大

10、，会使轴承受力恶化，进而降低轴承 使用寿命。197726轴承的接触角为10，外圈的两端设有牙口，用来安装密封罩。为 了防止密封罩松动而引起的油脂泄露， 应使牙口的配合宽度尽量加大，一般牙口的宽 度为1215mm, 197726轴承为13mm，同时加工精度要高。由于外圈代替了轴箱， 因 此应尽量提高外圈的刚性，减小使用中和压装密封罩时的变形， 外圈的壁厚应尽可能 大一点为好。5为了降低外圈端面与承载鞍推力挡肩间接触面单位面积压力，并减少挡肩的磨 损，应使外圈端面面积尽可能的加大。17外圈材料采用渗碳轴承钢（197726轴承外圈材质为20CrNi2MoA ），经过渗碳淬 火热处理之后，获得表层硬心

11、部分的良好结构，以适应铁路货车滚动轴承恶劣使用条 件的要求。材料名称：（渗碳）轴承钢牌号：G20CrNiMoA标准： GB/T 3203-1982特性及适用范围：渗碳轴承钢是一种常用的优质合金渗碳钢，渗碳处理后材料表面有相当高的硬 度、耐磨性和接触疲劳强度，同时其心部还保留良好的韧性，能承受高的冲击负荷， 主要用于汽车轴承等耐冲击、耐磨损零件的材料。13化学成份：碳C :0.170.23（允许偏差: 0.02）硅Si：0.150.40（允许偏差: 0.03）锰Mn :0.600.90（允许偏差: 0.04）硫S : 0.020（允许偏差:+0.005）磷P : 1176(120)伸长率S 5

12、(%):9断面收缩率 书(%):45冲击韧性值 a kv (J/cm2): 78(8)试样尺寸： 试样尺寸为15mm热处理规范：淬火，第一次温度为880土 20 E，第二次温度为790 20C,油冷;回火, 温度为150200E ,空冷。金相组织：马氏体。1.2淬火压床技术现状机床产业为机械制造业提供了制造装备，从经济的角度来说，机床产业对发展国 民经济，增强综合国力和发展高新技术起到重要的作用。16我国机床产业的总体设计 制造水平与工业发达的国家相比，还有较大的差距，其主要表现为现在的设计方法落 后，设计资料老化，以及设计标准不能和国际上的发达国家接轨。在我国加入WTO之后，为了使我国的机械

13、生产行业得以高速发展并且和国际发达国家在经济和国力上 接轨，我国对机械行业的制造装备(机床产品)给予了高度关注，加快促进我国机床 设计制造水平的提高，增强机床产品的国际竞争力，力求在机床设计方面做到：为机 床设计人员提供正确的设计思想，开发科学的方法，提高资料的标准。1.3淬火压床性能简介本淬火压床为半自动淬火压床， 除了工件装卸外，其它操作都是自动的。机床的 传动全部采用电气、液压控制，实现自动工作循环。这样有助于被淬火零件的精度控 制和质量的稳定，又可减轻工人的劳动强度。本机床上下模均采用液压传动，可在上 料位置与工作位置间移动。先把一批淬火零件加热至淬火温度，然后逐个放入本压床， 在压床

14、内冷却，进而完成淬火工序。液压运动控制装置：该装置与电气配合以保证机 床自动循环的完成。控制站板：通过该控制站板，集中操纵机床的的全部动作。冷却 油量控制装置：通过三个不同通径电磁阀的相互结合来实现冷却油量的控制。2铁路货车轴承外圈淬火压床总体设计2.1设计要求首先，要满足用户的各种需求，确定机床的加工范围、工件淬火精度和生产的经 济性等因素。其次，应合理的安排工件的传动位置，尽量用较短的传动链，以简化机床的结构， 并提高传动精度和传动效率。最后，通用机床必须满足各种参数标准和关于机床布局的规定，要求机床结构简单。2.2淬火压床总体结构布局本淬火压床主体结构主要由机床床身、控制箱、淬火模具、工

15、作台、开合油池、 液压操纵板、冷却油集配箱等结构构成。淬火压床床身采用板焊结构，是全机床的承 载框架。封闭油罩内冷却油液采用自下而上的浸没循环流动冷却方式，垂直于工件入油，且在整个冷却过程中冷却油定向流 动，冷却效果好，被淬件硬度均匀，变形小。 模具采用液压脱料，脱模可靠，装卸件容易且便于工人操作。工件内外周同时浸油冷 却，模具材料采用GCr15钢淬硬，耐磨寿命长，工件形状保持性好，淬火件的尺寸稳定。机床的液压系统主要由动力元件（油泵）、执行元件（油缸或液压马达）、控 制元件（各种阀）、辅助元件和工作介质等五部分组成。液压油箱在液压系统中的主 要作用是储油、散热、分离油中所含空气及消除泡沫。选

16、用油箱时首先要考虑其容量， 一般的移动式设备取泵最大流量的23倍，固定式设备取34倍；其次考虑油箱的油 位,当系统全部液压油缸伸出后油箱油面不得低于最低油位，当油缸回缩以后油面不得高于最高油位；最后考虑油箱结构，传统油箱内的隔板并不能起到沉淀脏物的作用， 应沿油箱纵轴线安装一个垂直隔板，此隔板一端和油箱端板之间留有空位使隔板两边 空间连通，液压泵的进出油口布置在不连通的一端隔板两侧， 使进油和回油之间的距 离保持最远，从而使液压油箱多起到一些散热的作用。3铁路货车轴承外圈淬火压床工艺分析3.1淬火压床淬火过程简介铁路货车轴承外圈淬火压床主要由加压、淬火、退料等部分组成。3.1.1加压部分该机床

17、是一种封闭油浸没式的流动油液冷却、 自动脱料式固定模具压淬的自动淬 火压床。工作的时候压床的工作台向外伸出， 停在待料位置。加热后的工件放入工作 台后，开合油池打开，淬火循环开始。动横梁快速向下移动，在接近工作台面时减速， 使油罩下沿与工作台面密圭寸，与油罩下移同步，上模具插入工件，定心并用事先调定 的力使上下模具同时压紧工件，此力既不能使红热工件变形，又要有足够的支撑力阻 止工件淬火过程中的收缩。3.1.2淬火部分淬火上下模具加压后，冷却油液按最大的流量接通，此时冷却油液经过配油箱、 工作台、模具内腔、工件内、外周等，并以很快的速度浸没冷却工件并形成液流，当 油面高出旁溢口时，溢油经过机身立

18、柱流向底座，再经过泄油管道流回油池。自冷却 开始，电控系统就进入冷却倒记时，到总冷却时间的某一中段，如3min，由计时器发令关闭配油阀，使最大油流减弱以维持冷却油流，直到预置的冷却时间为0 （采用倒计时法），冷却油夜关闭，停止冷却供油，回流泄油阀开启，延时数秒后，使油罩 内的余油回流干净，发出信号使动横梁上升，此时油罩提起，脱模油缸工作使工件与 模具分离。油罩上升到位后发出信号，使工作台移出并由人工或机械手取出淬火后的工件并送入清洗辊道，一个淬火过程循环就结束了，工作台最后停留在移出待料位 置。3.1.3退料部分工件淬火完成后，冷却油回流入油箱，上下淬火模具分别退回，淬火模具的外芯 在弹簧收缩

19、力的作用下向中心收缩，使外圈易于脱模。3.2淬火压床设计要点由于液压缸工作时浸在油中及液压胶圈许用温度的限制，则淬火介质的温度需控制在60C以内。这就要求淬火介质的容积应尽量大，并且选用较大换热面积的换热器 用以冷却淬火介质。工件加热时表面形成氧化皮，淬火时沉浮在油中，因此液压缸在 油中工作需加防尘结构。压模淬火冷却时发生冷却不充分，只有将冷却油液通入到模 具内部，由内向外喷流，这样才能使其冷却能力成倍增加，使工件内部同时冷却。内部通油不仅可以冷却模具和工件，还可以将粘附在模具上的氧化皮冲掉，从而保证工 件淬火后尺寸的稳定性。3.3淬火后达到的技术指标经压床淬火后，工件心部硬度达到3545HR

20、C,表面硬度达到6064HRC。心部 组织达到2-3级（1-3级为合格）。椭圆度最大不超过0.2mm。淬火后尺寸离散度小于 0.3m m。淬火后无裂纹，同一端面硬度差不超过 1HRC，可见淬火压床的冷却均匀性 好。采用本淬火压床及解决了变形问题，又使冷却速度快，冷却均匀性好。使工件既 能淬透淬硬，又不产生裂纹，因此大幅度提高了轴承套圈的淬火质量。3.4淬火压床液压系统简介液压传动控制是工业中经常用到的一种控制方式，它采用液压完成传递能量的过 程。因为液压传动控制方式的灵活性和便捷性，液压控制在工业上受到广泛的重视。 液压传动是研究以有压流体为能源介质， 来实现各种机械和自动控制的学科。 液压传

21、 动利用这种元件来组成所需要的各种控制回路，再由若干回路有机组合成为完成一定控制功能的传动系统来完成能量的传递、转换和控制。从原理上来说，液压传动所基 于的最基本的原理就是帕斯卡原理，就是说，液体各处的压强是一致的，这样，在平 衡的系统中，比较小的活塞上面施加的压力比较小， 而大的活塞上施加的压力也比较 大，这样能够保持液体的静止。所以通过液体的传递，可以得到不同端上的不同的压 力，这样就可以达到一个变换的目的。 我们所常见到的液压千斤顶就是利用了这个原 理来达到力的传递。该设备采用液压传动控制，用三个液压缸分别控制压模、起模和淬火油池的开合， 即将轴承外圈在加热设备中加热到800810C,再

22、装入压床中，通过模具控制其变形， 在通入4060C的淬火油进行淬火冷却。因此，淬火压床中的油路设计特别是油缸设 计在本设备中是非常重要的，由于其特殊的工作环境，要求对工作的活塞、钢筒、有 效的工作距离及油路的流量等都要做特别的考虑。93.4.1液压系统的组成液压系统主要由：动力元件（油泵）、执行元件（油缸或液压马达）、控制元件 （各种阀）、辅助元件和工作介质等五部分组成。（1）能源装置（或称动力元件）：液压动力元件是为液压系统产生动力的部件， 主要包括各种液压泵。液压泵依靠 容积变化原理来工作，所以一般也称为容积液压泵。齿轮泵是最常见的一种液压泵， 它通过两个啮合的齿轮的转动使得液体进行运动。

23、其他的液压泵还有叶片泵、柱塞泵， 在选择液压泵的时候主要需要注意的问题包括消耗的能量、效率、降低噪音。它的作用是把液体利用原动机的机械能转换成液压力能；是液压传动中的动力部分。常见的 是液压泵。（2）执行装置（或称执行元件）：液压执行元件是用来执行将液压泵提供的液压能转变成机械能的装置，主要包括液压缸和液压马达。液压马达是与液压泵做相反的工作的装置，也就是把液压的能量 转换称为机械能，从而对外做功。把液体压力能转化成机械能的装置，其中，油缸做直线运动，马达做旋转运动。一般常见的形式是液压缸和液压马达。（3）控制调节装置（或称控制元件）：液压控制元件用来控制液体流动的方向、压力的高低以及对流量的

24、大小进行预期 的控制，以满足特定的工作要求。正是因为液压控制元器件的灵活性，使得液压控制 系统能够完成不同的活动。液压控制元件按照用途可以分成压力控制阀、 流量控制阀、 方向控制阀。按照操作方式可以分成人力操纵阀、机械操纵法、电动操纵阀等。它们的作用是根据需要无级调节液动机的速度，并对液压系统中工作液体的压力、流 量和流向进行调节控制的装置。这类元件主要包括各类控制阀或者由各种阀构成的组 合装置。这些元件的不同组合组成了能完成不同功能的液压系统。（4）辅助装置（或称辅助元件）：除了上述的元件以外，液压控制系统还需要液压辅助元件。这些元件包括管路和 管接头、油箱、过滤器、蓄能器和密封装置。通过以

25、上的各个器件，我们就能够建设 出一个液压回路。所谓液压回路就是通过各种液压器件构成的相应的控制回路。根据不同的控制目标，我们能够设计不同的回路，比如压力控制回路、速度控制回路、多 缸工作控制回路等。（5）传动介质：传动介质（即各种液压工作介质）是指各类液压传动中的液压油或乳化液， 它经 过油泵和液动机实现能量转换。3.4.2液压传动的基本特征（1）力比例关系液压传动区别于其它传动方式的基本特征一：力（或力矩）的传递是靠液体压力来实现的，或者说，力（或力矩）的传递是按帕斯卡原理（即静压传递原理）进行 的。因此，有人把液压传动称为“静压传动”。帕斯卡原理（即静压传递原理）：“在密闭容器内，施加于静

26、止液体上的压力将以等值同时传到液体各点”。结论：在液压传动中工作压力取决于负载，而与流入的液体多少无关。注意：负载包括： 有效负载、无效负载（如摩擦力）以及液体的流动阻力。（2）运动关系液压传动区别于其它传动方式的基本特征二：运动速度（或转速）的传递是按照“容积变化相等”的原则进行的。基于此，有人把液压传动成为“容积式液体传动”。在流体力学中，把单位时间内流过某一通流截面 A的流体体积称为流量，则流量(3.1)q = v2 A结论：活塞移动速度正比于流入液压缸中油液流量 q,与负载无关。也就是说，活塞 的运动速度可以通过改变流量的方式进行调节。基于这一点，液压传动可以实现无级 调速。活塞的运动

27、速度反比于活塞面积，可以通过对活塞面积的控制来控制速度。（3）功率关系由前述可得：(3.2)P=Fv=Wv=pq上式说明，在不计各种功率损失的条件下，液压传动系统的输出功率 Wv等于输 入功率Fv,并且液压传动中的功率可以用压力p和流量q的乘积来表示。总结上述：在 液压传动中压力p和流量q是最基本、最重要的两个参数。343液压系统的总体方案液压工作过程：工作台液压缸：后退前进；动横梁：下降一一上升；模具缸：下降一一上升；综上所述，考虑到系统的流量很大，变量泵不好选，这种方案的经济性好，系统 效率高，因此从提高系统的效率，节省能源的角度考虑，采用单个定量泵的、供油方 式不太适，宜选用双联式定量叶

28、片泵作为油源。344液压缸的各项参数分析根据分析此设备的负载，按类型属组合机床类，所以初选液压缸的工作压力为4.0MPa计算液压缸的尺寸动横梁(3.3)A =F/P =12086.90/400000 =0.003022( mm2)D = . 4A/ ：二 4 0.003022/3.1415926 = 0.0620(m)按标准取：D =63 (mm)工作台A = F / P = 2484.45/400000 =0.000621 (mm2)D = 4AM - 4 0.000621/3.1415926 = 0.0281(m)按标准取：D =32 (mm)模具油缸：A 二 F/P = 27873.88

29、/400000 =0.0006968(mm2)D=4A/二=4 0.0006968/3.1415926 = 0.094(m)按标准取：D =100( mm)根据快上和快下的速度比值来确定活塞杆的直径：横梁：D2/(D2 -d2) =75/65得 d=23.00(mm)按标准取：d=25(mm)无杆腔面积A=二 D2 /4 =3.1415926 63 63/4 = 3117.25 (mm2)有杆腔面积A (D2 -d2)/4=2626.37(m2)工作台由于其前进与后退速度相同(3.4)(3.5)(3.6)(3.7)根据设计手册确定d/D=0.5-0.58所以：按标准取：d=18 （mm2）无杆

30、腔面积 A fQ2/4 =3.1415926 32 32/4 =804.25 （mm2）有杆腔面积Am（ D2 -d2）/4 =3.1415926 （32 32-18 18）/4=549.78（ mm2）模具油缸：2 2 2 D /（D -d）=65/50d=48.04（mm）按标准取：d =50（mm）无杆腔面积2 2AmD /4 =3.1415926 100 100/4 =7853.98（mm ）有杆腔面积A=恵（D2 -d2）/4 =3.1415926 （100 100-50 50）/4=5890.49（mm2）活塞杆稳定性校核动横梁因为活塞杆总行程为250（ mm）,而且活塞杆直径25

31、（ mm）,d = 250/25=10,不需要进行稳定性校核。工作台因为活塞杆总行程为500（ mm），而且活塞杆直径18（ mm），d = 500/18=27.78,因为工作台液压缸的活塞杆主要受力为水平方向，因此不需 要进行稳定性校核。模具油缸：因为活塞杆总行程为280（ mm），而且活塞杆直径50（ mm），1 d = 280/50=5.610不需要进行稳定性校核。求液压缸的最大流量动横梁q=Av=3117.25 0.0001 0.075 10 60=14.03（L/min）工作台q=Av=804.251 0.0001 0.060 10 60=2.90（L/min）模具油缸：q=Av=7

32、853.98 0.0001 0.065 10 60 =30.63（L/min）钢筒壁及法兰的材料选45钢，活塞杆材料选Q235。液压缸其它参数的选择活塞的最大行程L已由要求给定动横梁：L=250( mm)工作台：L=500( mm)模具油缸：L=280( mm)小导向长度当活塞杆全部向外伸时，从活塞支承面中点到导向套滑动面中点的距离称为最小 导向长度H。如果导向长度过小，将使液压缸的初始挠度值增大，影响液压缸的稳定， 因此设计时必须保留有一最小导向长度。对于一般液压缸，当液压缸的最大行程为L， 缸筒直径为D时，最小导向长度为：H亠220 2动横梁：H=250/20+63/2=12.5+32.5

33、=45(mm)所以取H=50mm工作台：H=500/20+32/2=25+16=41(mm)所以取H=50mm模具油缸：H=280/20+100/2=14+50=64(mm)所以取H=70mm活塞的宽度的确定 取B=0.7D动横梁：B=0.7D=0.7 63=44.1(mm)取 B=45mm工作台：B=0.7D=0.7 32=22.4(mm)取 B=25mm模具油缸：B=0.7d=0.7 100=70(mm)取 B=70mm活塞杆长度的确定活塞杆的长度L活塞杆长度应大于最大工作行程、导向长度、缸头、缸盖四者长 度之和。既ll+h+l盖+ L头但是为了使其能够工作，必须和工作台相连接，所以还 应

34、支出一部分。考虑实际工作环境和连接的需要，取这部分长度动横梁与模具油缸为 50mm，工作台为30mm。所以活塞杆的总长动横梁L=250+50+84+77+50=511(mm)工作台L=500+50+43+40+30=663(mm)模具油缸L=280+70+133+122+50=655(mm)液压缸筒长度的确定L=活塞最大行程+活塞宽度+活塞杆导向长度+活塞杆密封长度。动横梁L=250+45+50+10=355(mm)工作台L=500+25+50+10=585(mm)模具油缸L=280+70+70+10=430(mm)3.4.5密封件的选择液压系统中密封件的作用是防止工作介质的内外泄漏，以及防止

35、灰尘，金属屑等异物侵入液压系统。能实现上述作用的装置称为密封装置， 其中起密封作用的关键元 件密封元件，简称密封件。系统的内外泄漏均会使液压系统容积效率下降，或达不到要求的工作压力，甚至使液压系统不能正常工作。外泄漏还会造成工作介质的浪费， 污染环境。异物的侵入会加剧液压元件的磨损，或使液压元件堵塞，卡死甚至损坏， 造成系统失灵。一般的液压系统对密封件的主要要求是：1在一定的压力，温度范围内具有良好的密封性能；2有相对运动时，因密封件引起的摩擦应尽量小，摩擦系数应尽量稳定；3耐腐蚀、耐摩性能好，不易老化，工作寿命长，磨损后能在一定程度上自动补偿；4结构简单，装拆方便，成本低廉。4铁路货车轴承外

36、圈淬火压床模具设计4.1模具材料的选择模具材料可从模具钢中进行选择， 模具钢大致可分为冷作模具钢、热作模具钢和 塑料模具钢3类，用于锻造、冲压、切型、压铸等。铁路轴承淬火机床模具所用的模 具钢为热作模具钢。114.2热作模具钢二十世纪三十年代铝合金压铸工艺迅速发展，急切需要发展具有良好耐热性、耐热疲劳和抵抗铝液冲蚀的新型热作模具钢，美国开发了一系列中铬合金系热作模具 钢，其中H13钢得到了最为广泛的应用。钢主要含 Cr、Mo、V等合金元素，具有良好 的工艺性以及使用性能。由于其优良的热性和热抗冲击性能，H13目前已逐步替代因韧性和热疲劳不足而引起失效的3Cr2W8V钢来制造有色金属压铸模；与传

37、统得热锻 模用热作钢5CrNiMo、5CrMnMo钢相比，H13钢具有更好的热强性。作为当前世界范围内使用最为广泛的热作模具钢，H13钢除了常用于制作热挤压模、铝合金压铸模、热锻模之外，还可用作冷挤压模、塑料模等，是冷热兼用的模用钢。 据资料介绍,日本铝合金压铸模的平均使用寿命在11万次左右,瑞典8407制造的铝压 铸模的使用寿命达20万次，相比之下，我国铝合金压铸模的平均使用寿命只有 6万次, 最差的仅几千次模具就失效了 ，这与国产H13钢的质量有很大关系。我国自上世纪八 十年代引进H13钢，目前H13钢已经占据国内热作模具钢的主导地位，许多钢厂能生产 H13钢。但与进口的优质H13钢相比，

38、国产H13钢的整体质量存在明显的差距。 因而尽 管进口优质钢的价格数倍于国产 H13钢，但高可靠性和高寿命的保证使得进口H13钢在国内高档热作模具市场占有相当大的份额。 现代制造业的发展不断地对热作模具钢 性能提出了更高的要求。世界各国主要采用以下两种途径提高模具钢的性能以满足工 业界的要求，一是优化模具钢的成分开发新钢种，二是改进模具生产流程和工艺制技 术。4.3模具材料选择模具材料应该选用冷热疲劳抗力、断裂韧性、热稳定性高的热作模具钢。 H13(4Cr5MoV1Si)是目前应用较广泛的材料，据介绍，国外 80%的型腔均采用H13, 现在国内仍大量使用3Cr2W8V，但3Cr2W8VT_艺性

39、能不好，导热性很差，线膨胀系 数高，工作中产生很大热应力，导致模具产生龟裂甚至破裂，并且加热时易脱碳，降 低模具抗磨损性能，因此属于淘汰钢种。马氏体时效钢适用于耐热裂而对耐磨性和耐 蚀性要求不高的模具。钨钼等耐热合金仅限于热裂和腐蚀较严重的小型镶块，虽然这些合金即脆又有缺口敏感性，但其优点是有良好的导热性，对需要冷却而又不能设置 水道的厚压铸件压铸模有良好的适应性。因此，在合理的热处理与生产管理下，H13仍具有满意的使用性能。H13钢的优点H13钢与传统的3Cr2W8V钢相比，它除了具有相当高的强热性和热硬性外，其高温韧性和热疲劳抗力都更高。此外，H13钢比3Cr2W8V钢还具有更大导热系数，

40、更小 的线膨胀系数，更低的淬火温度，以及更小的密度，而且价格更便宜。这一系列优点 使H13钢比3Cr2W8V钢在制造热作模具钢时内在潜力更大。因此，本文决定以H13钢作为研究对象，并对其进行淬火、回火工艺研究，结果表明，H13钢采用二级盐浴分级淬火，比采用一级盐浴分级淬火能使 H13钢获得更大的冲击韧性。另外，对 H13钢 分别进行了硫氮碳(SNC)共渗加氧化处理、稀土(RE)-SNC共渗处理及稀土(RE)-SNC 共渗加氧化处理等表面处理工艺试验； 并对处理试样分别进行了热疲劳性能、耐磨性以及高温抗氧性等方面的试验，试验结果表明，在空气氧化条件下，添加稀土的SNC共渗加氧化复合处理试验的渗层

41、热疲劳性能比未添加稀土(RE)的SNC共渗加氧化复合处理及随后未经氧化处理的(RE)-SNC共渗的试样高，同时稀土 (RE)-SNC共渗加氧 化复合处理也能使H13钢的耐磨性和高温抗氧化性得到明显提高。压铸模使用条件极为恶劣。以铝压铸模为例，铝的熔点为580-740 C，使用时，铝液温度控制在650-720C。在不对模具预热情况下压铸，型腔表面温度由室温直升 至液温，型腔表面承受极大拉应力。开模顶件时，型腔表面承受极大压应力。数千次 的压铸后，模具表面便产生龟裂等缺陷。由此可知，压铸使用条件属于急热急冷。模具材料应选用冷热疲劳抗力、断裂韧 性、热稳定性高的热作模具钢。H13(4Cr5MoV1S

42、i)是目前应用较广泛的材料，据介绍， 国外80%的型腔均采用H13，现在国内仍大量使用3Cr2W8V，但3Cr2W8VT_艺性能 不好，导热性很差，线膨胀系数高，工作中产生很大热应力，导致模具产生龟裂甚至 破裂，并且加热时易脱碳，降低模具抗磨损性能，因此属于淘汰钢种。H13钢的相关参数H13是美国的牌号,国产的牌号为4cr5mosiv.其线膨胀系数是 温度线膨胀系数 TOC o 1-5 h z 20-20010.920-30011.420-40012.220-50012.820-60013.320-70013.6热处理后的硬度为 回火温度硬度(hrc)200553005340052500556

43、0050700304.6对模具强度和刚度的要求12模具由于受到较大的挤压力，工作时就会产生弹性变形。为了提高工件的淬火精 度就必须增大横截面积，从而提高模具的整体刚度，并进行强度和刚度的计算。为了 提高接触刚度，可以增大结合面积，进而降低应力，并对模具锥面采用抛光处理等工 艺。强度要求主要为模具材料的变形强度，其应力不得超过材料的屈服点，即二-二 0对于刚度要求，挤压产生的变形量不得超过设计所要求的变形量，即yy，其中y为设计中所允许的变形量。4.7模具设计中相关系数的确定 4.7.1材料的成形膨胀系数一轴承外圈淬火前、后的温度分别为800820r和6040C。即模具的工作温度在 701000

44、 r之间，由此就可确定出材料的成形膨胀系数一。4.7.2合金的弹性模数E15根据有关资料可以查出，E=(1.5-2.8) 1011 Pa模具材料为H13，可取E=2.1 1011Pa 4.7.3轴承淬火前后的收缩量可通过线性膨胀量 L来确定收缩量：(4.1)AL = ctT X AT式中:敢模具材料成形的膨胀系数;观工件淬火前后的温度差。H13其线膨胀系数是温度线膨胀系数 TOC o 1-5 h z 20-20010.920-30011.420-40012.220-50012.820-60013.31000-700 _ aj-18.6 700-200 _ 13.6-10.9fii= 2022

45、X 1严“：T=20.22 10 930=0.0188(mm2)A=Ji(D2 d2) = 3.14x(52900 37249)44=23659.5 10(mm2)(4.2)4.7.4钢与钢之间的摩擦系数为f.f=0.154.7.5模具受到的挤压力在自然冷却的情况下，轴承外圈的线性收缩量为厶1，而实际允许的线性收缩量为：1 =0.015mm。通过计算，确定l l，即模具能够起到阻碍工件变形的作用，从而达到设计的有关要求。此时模具受到的挤压力为：(4.3)F =ALEA/L式中： L模具阻碍工件变形量的大小;E工件（轴承外圈）的弹性模量；A工件形心处的横切面积；L工件的线性长度。AL =A1 A

46、l二 I =0.014mm2=0.0188-0.014=0.0048(mm )2 2A 二(D -d ) 3.14 (52900 -37249)6/2、A=23659.5 10(mm2)44F= LEA/L =0.0048 2.1 1011 3.14 (2302-1932) 10上/(3.14 230 4)=33022.4 (N)4.7.6模具接触面锥度北图4.1铁路轴承外圈淬火机床模具内芯铁路轴承外圈淬火机床模具内芯如图4.1所示。由模具内芯受力分析可知。挤压力 F的竖直方向的分力F2=Fsin(水平分力对称分布，相互抵消，这里不考虑)，则模具 正常工作的条件是：F -F2+ Ff (4.4

47、)式中：F外界的作用力；F2挤压力的竖直分力；IFf模具内芯圆锥面的摩擦力Ff的垂直分力，=Ffcos。Ff = Ff =33022.43 0.15=4953.4N则上式可写成为：F ZF sina +F f cosa1.963 104 _33022.43 sin： +4953.4 cos：当:27时，上式成立。在铁路轴承外圈淬火机床模具设计中取:-=20图4.2铁路轴承外圈淬火机床模具外芯组合4.8模具部件设计模具的部件包括抱紧弹簧、起模弹簧、导向板、挡块、模具内芯和6块模具外芯等。4.8.1弹簧设计整个模具上有抱紧弹簧和起模弹簧两个弹簧零部件。抱紧弹簧的作用是使模具外芯始终保持向中心收缩的

48、趋势，并且通过抱紧弹簧的作用，将外芯紧箍在内芯上，在 模具内芯向外撤出时，能够在虎克力的作用下使模具外芯沿径向往里收缩。但是，抱紧弹簧的弹簧力又不能太大，当内芯插入外芯时，应保证虎克力能够被轻松克服，否 则就不能使外芯外圆柱面紧贴在轴承外圈的内壁上了，从而无法保证工件的热处理质量。起模弹簧的作用是在起模时吊起模具的外芯，同定型底板共同作用，使模具外芯运动时能保持原来的形状推出和进入，而不至于产生过大的偏差。4.8.2模具上油槽的设计模具内淬火油是从工作面板中部的油孔进入的。为了使淬火油能够顺利的到达轴承外圈并对其进行淬火，在模具内芯与模具外芯对应位置开有12个油孔。为了提高淬火质量，在模具外芯

49、的外壁上还开了纵向油槽。4.8.3导向板的设计为了使模具外芯保持均布且在运动时保持径向运动的关系，在模具外芯的下部开 了长方形导向槽。槽的侧面和下表面是工作表面可减轻淬火模具的重量，又可作为淬 火油的油路通道。4.9结果实践证明压模与工件一同浸于淬火油中，工件冷却过程应力分布均匀，这就保证了工件的 淬火精度。淬火模具外芯采用6块活动块装配，拆卸方便，磨损后可分别更换，降低 了成本，提高了模具的整体使用寿命。5总 结毕业设计是我们大学教育的一个重要环节， 是对大学这几年所学知识，特别是机 械制图、机械工程材料、机械设计、互换性与技术测量、模具制造 工艺学、冲压工艺与模具设计机械设计手册铁路货车滚

50、动轴承等专业 知识的总结和检验，也使我们提高了自己的设计能力，同时积累了宝贵的设计经验。经过紧张的工作，毕业设计已接近尾声。在毕业设计过程中，我先通过查阅参考 资料对模具以及目前国内外铁路货车滚动轴承的发展现状有了初步了解，通过翻译外文文献提高了自己专业英语的水平；然后通过到济南国际机床展了解了机床以及模具 的最新发展动向；最后根据零件尺寸和材料，分析其加工工艺性，计算相应尺寸，选 择相应机床床身及模具零部件，绘制淬火压床床身、开合油池以及模具装配图和非标 准零件的零件图。同时，我从毕业设计中还学习到了许多的课本中得不到的知识。这主要体现在一下几个方面：1、巩固了过去所学知识大学里所学的知识内

51、容多，知识体系比较复杂，这使得同学们难于掌握基本的理 论基础知识。而通过本次设计，可使我们更透彻的理解所学的知识， 并且巩固自己的 已所学的专业基础知识。2、提高了设计的能力本次设计中，从开始的查阅资料，到后来的方案提出、论证和计算，再到最后的 装配图、零件图设计。所有这些在老师和同学的指导下， 并通过自己的努力都有了较 好的结果。这些都实实在在的提高了我的设计能力。3、提高了绘图能力本次设计中，我绘制了压床床身、开合油池、模具装配图和一些非标准零件的零 件图。这些绘图过程不仅锻炼了我手工绘图能力，同时也提高了我使用CAD和CAXA等绘图软件绘图的能力。最后，通过本次设计，我深刻的体会到理论知

52、识与实践之间的差距，以及自己在专业知识上的不足。今后我一定会更加注重认真学习和实践，用实践来指导自己。参考文献王守仁，杨丽颖铁路轴承淬火压力机床模具设计机床与液压，2004,5: 126-128.张光荣.CZY型铁路轴承淬火压床金属热处理，2000,10 : 35-37.李作田等卧式旋转淬火压床设计轴承2001,5 : 16-21.张光荣渗碳钢轴承套圈液压二工位淬火压床与模具轴承.2010,3:57-61. 李作田，倪雅勤渗碳钢双列圆锥磙子轴承外圈淬火压模设计轴承.2000,5: 35-38.武飚，樊玉福大型轴承套圈渗碳、淬火及模具设计应用热加工工艺.2002,2 : 61-63.张光荣气动肘

53、杆式淬火压床与模具轴承.2010,2:15-19.张光荣四工位轴承套圈淬火机床轴承.2009,11:15-17.张光荣全自动铁路轴承套圈淬火压床.2009,7:17-20.中国机械工程学会，中国模具设计大典委员会中国模具设计大典M.江西：江西科学技术出 版社,2003,3:23-27.黄毅宏模具制造工艺M.北京：机械工业出版社，2004:29-32 冯柄亮等模具设计与制造简明手册M.上海：上海科技业出版社，2002:78-109储凯等主编机械工程材料M.重庆：重庆大学出版社，1998:33-56廖念创互换性与技术测量M.北京：机械工业出版社，1982:66-78许文越实用模具设计与制造手册M.

54、北京：机械工业出版社,2000.Departme nt of Mecha ni cal Engin eeri ng, Toyohashi Uni versity of Tech no logy, Toyohashi, Aichi 441-8580,Japa n.Merklein M, Lechler J, Geiger M (2006) Characterisation of the Flow Properties oftheQue nche nable Ultra-High Stre ngth Steel 22M nB5. CIRP Ann als Man ufacturi ng Techn ology55/1:229 t232.致 谢在这次毕业设计中，因为有了老师们辛勤的指导和同学们热心的帮助，所以我 才能够顺利圆满的完成。在此，我要向他们表达我最真挚的谢意。首先，感谢我的导师王砚军老师，没有他孜孜不倦的教诲，我的设计工作肯定不 会顺利完成的。在毕业设计期间，王老师对我的学习给予了极大的关怀和帮助，这使我学到很多从书本上是学不到的知识，把我四年的知识综合应用起来。王老师严谨求 实的治学