康紅艷，鮑 莉，王俊峰

(洛陽(yáng)理工學(xué)院 機(jī)械工程系,河南 洛陽(yáng) 471023)

1 問(wèn)題的提出

對(duì)普通機(jī)床進(jìn)行改造以代替購(gòu)置專(zhuān)用機(jī)床，完成專(zhuān)項(xiàng)產(chǎn)品的加工或提高加工效率，既便捷又經(jīng)濟(jì)。在單件小批生產(chǎn)中，選用現(xiàn)有的通用設(shè)備，經(jīng)過(guò)適當(dāng)改造，來(lái)完成特殊產(chǎn)品的加工任務(wù)，是企業(yè)的首選。

球面凹模用在冷沖壓浪形保持架兜孔整形模具上，尺寸規(guī)格較多。對(duì)保持架球面兜孔的尺寸、位置、粗糙度起決定作用，從而影響到相應(yīng)球軸承的噪聲和壽命。如圖1所示，球面凹模的端面上均布著n個(gè)球半徑為SR、深度為h的球窩。球窩半徑和深度的尺寸精度為H6，表面粗糙度Ra為0.4 μm，需要經(jīng)過(guò)粗加工、磨削、研磨才能保證要求。該零件的品種規(guī)格多，批量小，n，SR，h各不相等,應(yīng)首先考慮在普通機(jī)床上加工。擬在普通車(chē)床如CA6140上完成球窩的車(chē)磨加工。

圖1 球面凹模

2 設(shè)計(jì)思想

2.1 內(nèi)球面加工方法及成形原理

內(nèi)球面加工常用的方法有成形法、軌跡法和展成法。本設(shè)計(jì)中車(chē)球窩用成形法，磨球窩用展成法。展成法磨削內(nèi)球面的成形原理如圖2a所示，砂輪軸線(xiàn)相對(duì)于工件軸線(xiàn)偏轉(zhuǎn)α角，兩者相交于O點(diǎn)。砂輪端面和球半徑為SR的球面相截，所得的截形始終是一個(gè)偏心距為e、直徑為砂輪直徑d的圓。當(dāng)砂輪和工件繞各自的軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn)時(shí)，這個(gè)圓繞工件的軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn)形成內(nèi)球面[1-2]，兩軸線(xiàn)的交點(diǎn)O為球心。砂輪軸線(xiàn)的傾斜角α為：

(1)

圖2 內(nèi)球面磨削原理

2.2 改造總體思路

設(shè)計(jì)安裝在車(chē)床主軸上的專(zhuān)用夾具，使夾具中心相對(duì)于車(chē)床主軸的中心偏移一個(gè)球窩的中心半徑，將一個(gè)球窩的中心置于車(chē)床主軸的中心，進(jìn)行車(chē)或磨加工；通過(guò)分度機(jī)構(gòu)，將圓周分布球窩的中心依次置于車(chē)床主軸的中心，實(shí)現(xiàn)一次裝夾多工位加工。粗加工時(shí)，刀架不變，用成形車(chē)刀車(chē)球窩；精加工時(shí)，去掉刀架上的小拖板，換上安裝在中拖板上的砂輪主軸，將砂輪主軸座旋轉(zhuǎn)，使砂輪主軸軸線(xiàn)相對(duì)于車(chē)床主軸軸線(xiàn)傾斜一定角度，用圓柱砂輪磨球窩。同樣可以用改造后的車(chē)床磨圓周分布的直孔，方法是砂輪主軸座不旋轉(zhuǎn)角度，即砂輪主軸軸線(xiàn)平行于車(chē)床主軸軸線(xiàn)。

3 設(shè)計(jì)內(nèi)容

3.1 專(zhuān)用夾具的設(shè)計(jì)

專(zhuān)用夾具結(jié)構(gòu)如圖3所示，夾具安裝和卡盤(pán)的安裝類(lèi)似，通過(guò)夾具體左端面和內(nèi)錐孔在機(jī)床主軸定位，用4個(gè)螺栓固定在主軸上[3]。

1—夾具體；2—配重塊；3—定位鍵；4—過(guò)渡盤(pán)；5—分度盤(pán)；6—滑塊；7—螺栓；8—環(huán)形壓圈；9—壓板

夾具體上的定位槽內(nèi)裝有滑塊，用滑塊移動(dòng)來(lái)調(diào)整偏心距，使球窩中心和主軸中心重合?；瑝K上的圓柱面和分度盤(pán)的定位孔配合，另一端的方形定位鍵與分度盤(pán)的等分槽單面靠緊定位。為了使相同等分的工件可以使用同一個(gè)分度盤(pán)，在分度盤(pán)上裝有過(guò)渡盤(pán)，通過(guò)螺釘與分度盤(pán)固定成一體，分度盤(pán)用壓板壓緊在夾具體上。工件通過(guò)環(huán)形壓圈固定在過(guò)渡盤(pán)上。夾具體上方的配重塊用來(lái)平衡偏心夾具旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的不平衡力。

3.2 刀架改造

3.2.1 總體設(shè)計(jì)方案

刀架改造的要求是在刀架上增加一套磨削裝置，其主要部件為砂輪主軸。因?yàn)榍蚋C直徑不大，為了保證磨削質(zhì)量，砂輪線(xiàn)速度v要達(dá)到20～32 m/s，因此摒棄了傳統(tǒng)的齒輪和皮帶傳動(dòng)，采用高速電主軸作為動(dòng)力源[4]。在磨小孔時(shí)，砂輪線(xiàn)速度還可以適當(dāng)降低。

本設(shè)計(jì)方案是把普通車(chē)床刀架上的小拖板去掉，安裝磨削裝置。磨削裝置包括電主軸支座、支座座板、電主軸等。支座底面到主軸中心的高度應(yīng)實(shí)際測(cè)繪，以保證砂輪主軸和車(chē)床主軸的軸線(xiàn)等高。電主軸安裝如圖4所示，支座座板下面的凸圓柱以小間隙配合(H7/h6)裝在中拖板的定位孔中，支座座板可相對(duì)于中拖板任意旋轉(zhuǎn)，按(1)式計(jì)算出的偏轉(zhuǎn)角α旋轉(zhuǎn)后，用原來(lái)車(chē)床上夾緊小拖板轉(zhuǎn)盤(pán)的2個(gè)T形螺釘夾緊,這2個(gè)T形螺釘裝在中拖板上與定位孔同心的環(huán)狀T形槽中。支座座板通過(guò)2個(gè)定位銷(xiāo)和4個(gè)螺釘與支座連成一體，電主軸通過(guò)壓緊螺釘固定在支座座孔中。

1—中拖板；2—支座座板；3—支座；4—電主軸；5—T形螺釘；6—壓緊螺釘；7—定位銷(xiāo)

按上述方案可以實(shí)現(xiàn)圖2b所示方向的傾斜角度磨球窩，缺點(diǎn)是磨削裝置傾斜后靠近人體，影響視線(xiàn)。為了改善磨削視線(xiàn)，考慮中拖板的行程，可以在中拖板的另一端加工車(chē)床上安裝小拖板相似的定位孔和環(huán)狀T形槽來(lái)安裝磨削裝置，實(shí)現(xiàn)圖2a所示的方向傾斜角度磨球窩。

3.2.2 電主軸的選用

電主軸性能的好壞在很大程度上決定了整臺(tái)機(jī)床的加工精度和生產(chǎn)效率。電主軸的主要工作原理是直接將空心的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子熱壓在主軸上，電動(dòng)機(jī)定子固定在主軸殼體孔內(nèi)，形成完整的主軸單元。通電后直接帶動(dòng)主軸運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)行磨削，省去了帶輪或齒輪傳動(dòng)。本改造設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的高速磨削電主軸，極限轉(zhuǎn)速nmax為36 000 r/min，精度為旋轉(zhuǎn)主軸左端的軸向跳動(dòng)和徑向跳動(dòng)不超過(guò)0.003 mm。

對(duì)于一般企業(yè)，可以先選定合適的砂輪線(xiàn)速度v，再根據(jù)磨削的球面直徑范圍確定砂輪的直徑范圍，由砂輪的最小直徑dmin計(jì)算電主軸的極限轉(zhuǎn)速nmax：

(2)

電主軸的極限轉(zhuǎn)速nmax確定后，結(jié)合測(cè)繪的刀架空間位置尺寸確定電主軸的外形尺寸，從電主軸生產(chǎn)廠(chǎng)家選擇合適的型號(hào)。

3.3 球窩磨削質(zhì)量的控制

控制球窩磨削質(zhì)量，可以采取以下措施：

(1)調(diào)整機(jī)床時(shí)，應(yīng)使砂輪主軸的軸線(xiàn)和車(chē)床主軸的軸線(xiàn)等高且平行，否則會(huì)造成球面形狀的畸變?？梢愿鶕?jù)已加工表面的切削紋路即刀紋來(lái)判斷，如果切削紋路是單向的，說(shuō)明兩軸線(xiàn)不等高或不平行。如果切削紋路是交叉網(wǎng)紋，則說(shuō)明球面形狀正確。

(2)磨削時(shí)縱向或橫向移動(dòng)刀架，使砂輪工作刃通過(guò)球窩的中心，通過(guò)縱向移動(dòng)刀架實(shí)現(xiàn)砂輪的工作進(jìn)給。

(3)根據(jù)切削紋路和底部凸尖來(lái)判斷砂輪工作刃是否通過(guò)球窩的中心。砂輪工作刃不通過(guò)球窩的中心，會(huì)在球窩底部出現(xiàn)凸尖(圖5a、圖5c)。圖5a為砂輪工作刃未達(dá)到球窩的中心；圖5b為砂輪工作刃通過(guò)球窩的中心；圖5c為砂輪工作刃超過(guò)了球窩的中心。

(4)球窩形狀和球半徑尺寸用樣板檢驗(yàn)，球窩深度和中心徑用專(zhuān)用儀器檢驗(yàn)，球窩的等分性通過(guò)夾具本身的精度和旋轉(zhuǎn)時(shí)單向旋轉(zhuǎn)始終保持定位鍵和定位槽單側(cè)接觸來(lái)保證。球窩半徑尺寸不合格時(shí)，微調(diào)砂輪軸線(xiàn)的傾斜角α或修整砂輪外徑。

(5)可以把砂輪的傾斜角α調(diào)整成固定值如45°，這時(shí)砂輪直徑應(yīng)修整為固定值，按d=2SR·sin 45°=1.41SR計(jì)算得到。

圖5 球窩磨削的凸尖和刀紋

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)設(shè)計(jì)安裝在車(chē)床主軸上的專(zhuān)用夾具和安裝在中拖板上的砂輪主軸，對(duì)普通車(chē)床改造，可以實(shí)現(xiàn)車(chē)磨兩用系列化加工浪形保持架兜孔整形模具的等分球窩。實(shí)際應(yīng)用表明，該方案切實(shí)可行，在產(chǎn)品批量不大、購(gòu)置專(zhuān)用機(jī)床不經(jīng)濟(jì)的情況下，對(duì)企業(yè)具有參考意義。