新型外球面軸承磨床的設(shè)計(jì)
2009-03-13 一、問題的提出
帶座外球面軸承自20世紀(jì)70年代在我國問世以來，由于具有良好的軸線可調(diào)性，已被越來越多地應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)。這種軸承軸線的可調(diào)性，既決定于軸承外圈與軸承座之間的尺寸要求，更取決于兩者之間球面曲率的配合。由于目前的加工方法在磨削機(jī)理上沒有重大突破，使得在解決外球面軸承外圈球面曲率的加工合格率上，始終成為我國軸承行業(yè)一道難以逾越的障礙。
二、不同磨削方法的分析與比較
目前，加工這種外球面軸承外圈采用的方法基本有以下兩種:
1.擺動(dòng)磨法 擺動(dòng)磨削機(jī)床具有較強(qiáng)的切削能力，故磨削速度快，加工時(shí)間短。用擺動(dòng)磨加工球面軸承外圈，既要保證擺動(dòng)工件球心與砂輪軸線處于同一水平連線，又要與砂輪橫向中心剖面相重合。實(shí)際加工中，由于機(jī)床自身擺動(dòng)平面處的振動(dòng)及工件的不等寬性，很難保證其球面曲率的一致性(見圖1)。
帶座外球面軸承自20世紀(jì)70年代在我國問世以來，由于具有良好的軸線可調(diào)性，已被越來越多地應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)。這種軸承軸線的可調(diào)性，既決定于軸承外圈與軸承座之間的尺寸要求，更取決于兩者之間球面曲率的配合。由于目前的加工方法在磨削機(jī)理上沒有重大突破，使得在解決外球面軸承外圈球面曲率的加工合格率上，始終成為我國軸承行業(yè)一道難以逾越的障礙。
二、不同磨削方法的分析與比較
目前，加工這種外球面軸承外圈采用的方法基本有以下兩種:
1.擺動(dòng)磨法 擺動(dòng)磨削機(jī)床具有較強(qiáng)的切削能力，故磨削速度快，加工時(shí)間短。用擺動(dòng)磨加工球面軸承外圈，既要保證擺動(dòng)工件球心與砂輪軸線處于同一水平連線，又要與砂輪橫向中心剖面相重合。實(shí)際加工中，由于機(jī)床自身擺動(dòng)平面處的振動(dòng)及工件的不等寬性，很難保證其球面曲率的一致性(見圖1)。
圖1 擺動(dòng)磨法示意圖
2.切入磨法 在這種磨削方法中，軸承外圈的球面曲率取決于砂輪被修整的形狀。磨削時(shí)，由于軸承外圈本身的余量不等及形狀不同，因此固有砂輪的形狀隨時(shí)都可能被破壞。該加工方法效率低，砂輪修整頻繁，其球面曲率也難以保證，一般都不采用。
以上兩種磨削方式，雖都可加工球面軸承外圈，但受其磨削方式的限制，無法解決與球面軸承座的配合，更無法從根本上保證球面曲率的穩(wěn)定合格率。
筆者利用范成磨削原理，改盤形砂輪為空心柱體狀砂輪，使其沿工件橫向切入，并采用使砂輪回轉(zhuǎn)軸線與軸承外圈回轉(zhuǎn)軸線相交進(jìn)行磨削的方法設(shè)計(jì)了外球面軸承專用磨床，解決了這種軸承球面曲率的合格率問題。所設(shè)計(jì)的機(jī)床傳動(dòng)原理圖見圖2。
以上兩種磨削方式，雖都可加工球面軸承外圈，但受其磨削方式的限制，無法解決與球面軸承座的配合，更無法從根本上保證球面曲率的穩(wěn)定合格率。
筆者利用范成磨削原理，改盤形砂輪為空心柱體狀砂輪，使其沿工件橫向切入，并采用使砂輪回轉(zhuǎn)軸線與軸承外圈回轉(zhuǎn)軸線相交進(jìn)行磨削的方法設(shè)計(jì)了外球面軸承專用磨床，解決了這種軸承球面曲率的合格率問題。所設(shè)計(jì)的機(jī)床傳動(dòng)原理圖見圖2。
1.床身；2.手柄；3.電磁無心夾具；4.工件；5.電感測頭；6.主動(dòng)測量儀；7.砂輪；8.縱向滑臺(tái)；9.磨頭裝置；
10.磨頭電動(dòng)機(jī)；11.橫向滑臺(tái)；12.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)；13.皮帶輪；14.主軸箱；15.主軸電動(dòng)機(jī)
圖2 機(jī)床傳動(dòng)原理圖
三、機(jī)械部分設(shè)計(jì)
1.主軸及夾具
由于外球面軸承外圈為薄壁小型導(dǎo)磁工件，因此工藝上采用無心夾具。無心夾具由殼體、線圈鐵心、磁極、磁盤及兩可調(diào)支承組成。工件通過兩支承來定位，其支承位置可根據(jù)工件直徑的不同而調(diào)整。使用電磁吸盤無心夾具磨削的Z大好處是:其加工精度不受機(jī)床主軸回轉(zhuǎn)精度的影響，因而可以獲得很高的加工精度。
主軸旋轉(zhuǎn)由0.75kW電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過雙速皮帶輪和一組減速齒輪使主軸獲得166r/min和280r/min兩種轉(zhuǎn)速，以滿足不同尺寸工件的需求。為克服主軸上的軸向力，提高主軸旋轉(zhuǎn)精度，支承選用5級(jí)精度雙列短圓柱滾子軸承與兩對(duì)角接觸球軸承相配合。
2．縱、橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)
磨床的縱、橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)分別由手動(dòng)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，兩者均采用滑動(dòng)導(dǎo)軌。
縱向進(jìn)給由于其承受載荷較大，又有運(yùn)動(dòng)精度要求，故采用矩—山形導(dǎo)軌。縱向進(jìn)給滑板由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過減速機(jī)構(gòu)、絲杠螺母機(jī)構(gòu)帶動(dòng)滑板做縱向移動(dòng)。為調(diào)整需要，在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行時(shí)(斷電狀態(tài))，還可通過手輪及離合器使縱向滑板做手動(dòng)進(jìn)給，整個(gè)縱向移動(dòng)量大行程設(shè)計(jì)為150mm。橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)置于縱向進(jìn)給滑板上，是為滿足被加工件寬度變換而設(shè)置的。由于調(diào)整次數(shù)不多，采用手動(dòng)螺母調(diào)整：為克服較大的軸向抗力，橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的導(dǎo)軌設(shè)計(jì)成燕尾型，既可防止顛覆力矩，又可滿足使用要求。
3．磨頭裝置
磨頭作為切削工具的主要部分，置于橫向滑板上。為使磨頭獲得高轉(zhuǎn)速，采用轉(zhuǎn)速為2880r/min的電動(dòng)機(jī)，通過皮帶來驅(qū)動(dòng)。為提高磨削精度，以兩對(duì)5級(jí)精度角接觸球軸承為支承，磨頭前裝有空心柱形砂輪(以磨削直徑100mm為例，其砂輪尺寸為?35mm×?50mm×70mm)及砂輪防護(hù)罩。
四、電控部分設(shè)計(jì)
為有效地控制被加工件的徑向尺寸，使用了電感測頭及主動(dòng)測量儀，用于磨削過程中尺寸的連續(xù)測量，并和數(shù)控裝置、伺服機(jī)構(gòu)共同組成了一個(gè)簡單的閉環(huán)控制系統(tǒng)(見圖3)。
1.主軸及夾具
由于外球面軸承外圈為薄壁小型導(dǎo)磁工件，因此工藝上采用無心夾具。無心夾具由殼體、線圈鐵心、磁極、磁盤及兩可調(diào)支承組成。工件通過兩支承來定位，其支承位置可根據(jù)工件直徑的不同而調(diào)整。使用電磁吸盤無心夾具磨削的Z大好處是:其加工精度不受機(jī)床主軸回轉(zhuǎn)精度的影響，因而可以獲得很高的加工精度。
主軸旋轉(zhuǎn)由0.75kW電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過雙速皮帶輪和一組減速齒輪使主軸獲得166r/min和280r/min兩種轉(zhuǎn)速，以滿足不同尺寸工件的需求。為克服主軸上的軸向力，提高主軸旋轉(zhuǎn)精度，支承選用5級(jí)精度雙列短圓柱滾子軸承與兩對(duì)角接觸球軸承相配合。
2．縱、橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)
磨床的縱、橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)分別由手動(dòng)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，兩者均采用滑動(dòng)導(dǎo)軌。
縱向進(jìn)給由于其承受載荷較大，又有運(yùn)動(dòng)精度要求，故采用矩—山形導(dǎo)軌。縱向進(jìn)給滑板由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過減速機(jī)構(gòu)、絲杠螺母機(jī)構(gòu)帶動(dòng)滑板做縱向移動(dòng)。為調(diào)整需要，在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行時(shí)(斷電狀態(tài))，還可通過手輪及離合器使縱向滑板做手動(dòng)進(jìn)給，整個(gè)縱向移動(dòng)量大行程設(shè)計(jì)為150mm。橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)置于縱向進(jìn)給滑板上，是為滿足被加工件寬度變換而設(shè)置的。由于調(diào)整次數(shù)不多，采用手動(dòng)螺母調(diào)整：為克服較大的軸向抗力，橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的導(dǎo)軌設(shè)計(jì)成燕尾型，既可防止顛覆力矩，又可滿足使用要求。
3．磨頭裝置
磨頭作為切削工具的主要部分，置于橫向滑板上。為使磨頭獲得高轉(zhuǎn)速，采用轉(zhuǎn)速為2880r/min的電動(dòng)機(jī)，通過皮帶來驅(qū)動(dòng)。為提高磨削精度，以兩對(duì)5級(jí)精度角接觸球軸承為支承，磨頭前裝有空心柱形砂輪(以磨削直徑100mm為例，其砂輪尺寸為?35mm×?50mm×70mm)及砂輪防護(hù)罩。
四、電控部分設(shè)計(jì)
為有效地控制被加工件的徑向尺寸，使用了電感測頭及主動(dòng)測量儀，用于磨削過程中尺寸的連續(xù)測量，并和數(shù)控裝置、伺服機(jī)構(gòu)共同組成了一個(gè)簡單的閉環(huán)控制系統(tǒng)(見圖3)。
圖３ 加工流程圖
1．對(duì)刀
首先將數(shù)控裝置選擇開關(guān)置于手動(dòng)位置，使工件和砂輪旋轉(zhuǎn)。然后搖動(dòng)手輪，使磨頭砂輪逐漸靠近工件。當(dāng)兩者微接觸(微見火花)時(shí)，按下對(duì)刀鍵，此時(shí)縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)快退20mm，即為該工件在數(shù)控加工中的零點(diǎn)。
2．加工
將數(shù)控裝置置于自動(dòng)加工位置，按下啟動(dòng)鍵，縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)下，向工件快速移動(dòng)20mm，主軸由限位開關(guān)啟動(dòng)并旋轉(zhuǎn)，磨頭進(jìn)入工進(jìn)狀態(tài)，磨削開始。
此時(shí)，通過工件表面的測頭，將工件徑向尺寸變化的位移信號(hào)變?yōu)殡娦盘?hào)送入測量儀，由測量儀將信號(hào)反饋給數(shù)控系統(tǒng)，通過其判斷比較后，繼續(xù)控制伺服機(jī)構(gòu)做縱向運(yùn)動(dòng)。
3.光磨
當(dāng)工件尺寸達(dá)到某一設(shè)定值時(shí)(一般可預(yù)留20μm)，數(shù)控裝置發(fā)出停止信號(hào)，伺服機(jī)構(gòu)停止縱向進(jìn)給。但此時(shí)磨頭與工件仍然轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)行無進(jìn)給磨削，即光整加工。
隨著光磨余量的消除，工件達(dá)到尺寸要求后，通過測量儀經(jīng)數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出快退信號(hào)，伺服機(jī)構(gòu)快退，主軸停轉(zhuǎn)，完成一個(gè)工件的加工過程。
五、結(jié)束語
用范成磨法的外球面軸承專用磨床替代傳統(tǒng)的擺動(dòng)和切入磨削，可將外球面軸承外圈的球面質(zhì)量提高到一個(gè)新水平，從根本上解決了球面曲率的難題，且減少了廢品率，降低了成本，并可大大減輕操作工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。
目前該機(jī)床已經(jīng)小規(guī)模生產(chǎn)。近幾年來，經(jīng)用戶使用反映效果良好，其尺寸合格率可達(dá)98%，外球面曲率合格率可達(dá)100%。該項(xiàng)技術(shù)難關(guān)的攻克，使該磨床榮獲95年度國家級(jí)新產(chǎn)品獎(jiǎng)。（來源：制造技術(shù)與機(jī)床）
首先將數(shù)控裝置選擇開關(guān)置于手動(dòng)位置，使工件和砂輪旋轉(zhuǎn)。然后搖動(dòng)手輪，使磨頭砂輪逐漸靠近工件。當(dāng)兩者微接觸(微見火花)時(shí)，按下對(duì)刀鍵，此時(shí)縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)快退20mm，即為該工件在數(shù)控加工中的零點(diǎn)。
2．加工
將數(shù)控裝置置于自動(dòng)加工位置，按下啟動(dòng)鍵，縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)下，向工件快速移動(dòng)20mm，主軸由限位開關(guān)啟動(dòng)并旋轉(zhuǎn)，磨頭進(jìn)入工進(jìn)狀態(tài)，磨削開始。
此時(shí)，通過工件表面的測頭，將工件徑向尺寸變化的位移信號(hào)變?yōu)殡娦盘?hào)送入測量儀，由測量儀將信號(hào)反饋給數(shù)控系統(tǒng)，通過其判斷比較后，繼續(xù)控制伺服機(jī)構(gòu)做縱向運(yùn)動(dòng)。
3.光磨
當(dāng)工件尺寸達(dá)到某一設(shè)定值時(shí)(一般可預(yù)留20μm)，數(shù)控裝置發(fā)出停止信號(hào)，伺服機(jī)構(gòu)停止縱向進(jìn)給。但此時(shí)磨頭與工件仍然轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)行無進(jìn)給磨削，即光整加工。
隨著光磨余量的消除，工件達(dá)到尺寸要求后，通過測量儀經(jīng)數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出快退信號(hào)，伺服機(jī)構(gòu)快退，主軸停轉(zhuǎn)，完成一個(gè)工件的加工過程。
五、結(jié)束語
用范成磨法的外球面軸承專用磨床替代傳統(tǒng)的擺動(dòng)和切入磨削，可將外球面軸承外圈的球面質(zhì)量提高到一個(gè)新水平，從根本上解決了球面曲率的難題，且減少了廢品率，降低了成本，并可大大減輕操作工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。
目前該機(jī)床已經(jīng)小規(guī)模生產(chǎn)。近幾年來，經(jīng)用戶使用反映效果良好，其尺寸合格率可達(dá)98%，外球面曲率合格率可達(dá)100%。該項(xiàng)技術(shù)難關(guān)的攻克，使該磨床榮獲95年度國家級(jí)新產(chǎn)品獎(jiǎng)。（來源：制造技術(shù)與機(jī)床）