鐵曉艷，張振潮，侯喜林，徐禹田，侯亞新

(1.洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039；2.河南省高性能軸承技術(shù)重點(diǎn)實驗室，河南 洛陽 471039；3.滾動軸承產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，河南 洛陽 471039；4.恩梯恩LYC(洛陽)精密軸承有限公司，河南 洛陽 471039)

為配合航空航天技術(shù)對所用軸承性能的要求，充分適應(yīng)特定工作環(huán)境，對軸承的結(jié)構(gòu)、材料、加工精度、配合精度等多方面進(jìn)行了改進(jìn)，其中，保持架加工精度對提高軸承整體性能起著不容忽視的作用。

1 PK型保持架結(jié)構(gòu)及技術(shù)要求

某滾針軸承用PK型保持架結(jié)構(gòu)如圖1所示，保持架材料為40CrNiMoA，保持架兜孔技術(shù)要求見表1[1]，該保持架加工的一個重要工序為拉削兜孔。由于保持架材料硬度較高，切屑易粘刀，拉削后兜孔表面質(zhì)量達(dá)不到要求。因此，對保持架兜孔拉削裝置進(jìn)行了重新設(shè)計改進(jìn)。

圖1 PK型保持架結(jié)構(gòu)

表1 PK型保持架兜孔精度要求

2 兜孔拉削裝置設(shè)計方案

參考文獻(xiàn)[2]的分析思路，針對PK型保持架兜孔設(shè)計的拉削裝置如圖2所示，其主要包括傳動系統(tǒng)、工件支承機(jī)構(gòu)、工件夾緊機(jī)構(gòu)以及上下料機(jī)構(gòu)等。通過伺服電動機(jī)驅(qū)動傳動系統(tǒng)，借助蝸輪蝸桿實現(xiàn)擺動分度運(yùn)動，由電氣控制工件的支承與夾緊，從而實現(xiàn)兜孔拉削裝置的全自動工作循環(huán)。兜孔拉削裝置主參數(shù)見表2。

圖2 PK型保持架兜孔拉削裝置設(shè)計方案

表2 拉削裝置主參數(shù)

3 機(jī)械結(jié)構(gòu)

3.1 傳動系統(tǒng)與工作循環(huán)

傳動系統(tǒng)主要包括3個部分：一是主傳動，由伺服電動機(jī)和傳動軸組成，實現(xiàn)主傳動的傳動，驅(qū)動鏈傳動；二是進(jìn)給運(yùn)動，由刀具驅(qū)動軸、導(dǎo)軌座、直線導(dǎo)軌和拖板等組成，實現(xiàn)拉刀的進(jìn)刀運(yùn)動；三是分度擺動，包括由分度軸、凸輪、連桿和連接桿實現(xiàn)分度的擺動運(yùn)動，以及由齒輪、齒條機(jī)構(gòu)實現(xiàn)分度的滑動運(yùn)動。

傳動系統(tǒng)如圖3所示，其工作機(jī)理為：伺服電動機(jī)驅(qū)動主傳動軸旋轉(zhuǎn)，主傳動軸上裝有鏈輪Ⅰ和鏈輪Ⅱ，通過鏈傳動Ⅰ帶動分度軸旋轉(zhuǎn)，凸輪機(jī)構(gòu)將直線運(yùn)動傳遞給蝸輪，進(jìn)而通過蝸輪蝸桿運(yùn)動傳遞旋轉(zhuǎn)分度；主傳動軸通過鏈輪Ⅱ帶動刀具驅(qū)動軸，通過搖桿機(jī)構(gòu)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動傳遞給拖板，從而借助滾動直線導(dǎo)軌實現(xiàn)直線運(yùn)動，完成拉刀的進(jìn)給運(yùn)動。

圖3 傳動系統(tǒng)簡圖

該裝置的工作循環(huán)包括計數(shù)沖孔循環(huán)和角度擺動循環(huán)，分別促使拉刀進(jìn)行孔加工循環(huán)運(yùn)動和促使齒輪進(jìn)行角度擺動循環(huán)運(yùn)動，其氣動循環(huán)如圖4所示。

圖4 氣動循環(huán)簡圖

3.1.1 主傳動

主傳動的傳動軸為整個機(jī)械運(yùn)動的驅(qū)動軸，整體安裝在床身內(nèi)，通過電動機(jī)帶動帶輪使得傳動軸旋轉(zhuǎn)，傳動軸通過鏈輪將運(yùn)動傳遞出去，傳動軸結(jié)構(gòu)如圖5所示。通過雙齒鏈輪分別傳遞動力給刀具驅(qū)動軸和分度軸，實現(xiàn)同一動力源，不同轉(zhuǎn)速形成的不同動作；而且，在主傳動軸的右端設(shè)計手輪離合器I，并配以手輪，以便實現(xiàn)自動和手動操作相互配合。

3.1.2 進(jìn)給運(yùn)動

進(jìn)給運(yùn)動即拉刀拉削運(yùn)動，刀具驅(qū)動軸驅(qū)動拉刀進(jìn)給，拉刀拖板由傳動軸-鏈傳動-曲柄滑塊機(jī)構(gòu)實現(xiàn)進(jìn)給運(yùn)動,可通過調(diào)節(jié)曲柄滑塊的位置來控制拉刀拖板的進(jìn)給行程。刀具驅(qū)動軸結(jié)構(gòu)如圖6所示。主軸箱外側(cè)即刀具驅(qū)動軸的右端設(shè)計有指示盤，以此判斷和確認(rèn)軸的轉(zhuǎn)角和搖桿擺動的行程，體現(xiàn)出拉刀的往復(fù)動作位置，拉刀行程最遠(yuǎn)處為180°，最近處為0°或360°。

圖5 傳動軸結(jié)構(gòu)

圖6 刀具驅(qū)動軸結(jié)構(gòu)

拉刀進(jìn)刀機(jī)構(gòu)(圖7)由螺桿、進(jìn)給拖板、拉刀等組成，其結(jié)構(gòu)緊湊，定位精度高。其中，進(jìn)給拖板采用閉式滑動直線導(dǎo)軌，剛性好，摩擦阻尼小，導(dǎo)軌運(yùn)動精度高。另外，拉刀往復(fù)拉削行程可通過調(diào)節(jié)螺桿的進(jìn)給量調(diào)節(jié)，可調(diào)范圍為30～90 mm。

圖7 拉刀進(jìn)刀機(jī)構(gòu)簡圖

3.1.3 分度擺動機(jī)構(gòu)

分度擺動機(jī)構(gòu)是保持架兜孔進(jìn)行循環(huán)拉削的基礎(chǔ)，包括分度和擺動兩部分。

分度軸通過凸輪產(chǎn)生滑動運(yùn)動，實現(xiàn)分度，其是傳動軸和擺動運(yùn)動之間的紐帶，結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 分度軸結(jié)構(gòu)

分度擺動機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖9所示，其工作原理為：以凸輪作為驅(qū)動源，通過連接桿擺動促使齒條產(chǎn)生滑動，從而通過齒輪齒條機(jī)構(gòu)實現(xiàn)分度擺動的運(yùn)動。齒輪齒條結(jié)構(gòu)簡單，傳動穩(wěn)定。通過調(diào)節(jié)豎導(dǎo)軌相對于豎拖板的位置，決定連桿的擺動角度，從而得到齒條左右水平的運(yùn)動行程，最終選取適合工件兜孔間隔的分度齒輪的擺動角度。等分旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)能實現(xiàn)10～30間任意整數(shù)等分且可以調(diào)節(jié)。

圖9 分度擺動機(jī)構(gòu)

3.2 工件支承機(jī)構(gòu)

工件支承機(jī)構(gòu)(圖10)支承保持架處于穩(wěn)定的加工位置以及更換工件。支承主要依靠芯軸，更換工件主要依靠氣缸帶動過渡軸和芯軸一起完成。

圖10 工件支承機(jī)構(gòu)

3.3 工件夾緊機(jī)構(gòu)

工件夾緊機(jī)構(gòu)(圖11)主要是確保加工過程中工件位置的準(zhǔn)確性，通過氣缸、頂軸實現(xiàn)工件的夾緊，可通過調(diào)節(jié)螺桿來調(diào)整夾緊機(jī)構(gòu)的行程。

圖11 工件夾緊機(jī)構(gòu)

3.4 自動上下料機(jī)構(gòu)

自動上下料機(jī)構(gòu)如圖12所示，由隔料氣缸、頂料氣缸和送料氣缸3個氣缸實現(xiàn)。當(dāng)隔料氣缸控制隔料桿釋放一個工件，壓料氣缸輕壓工件，以確保工件處于正確的位置，而后送料氣缸運(yùn)動將工件送至加工位置。

3.5 關(guān)鍵技術(shù)說明

1)電磁離合器和制動器互鎖，離合器在離合狀態(tài)時制動器才能制動，即離合器通電時，制動器不能通電。

2)凸輪設(shè)計要合理，安裝凸輪時，應(yīng)考慮拉刀所在位置，合理選配凸輪拉簧，使拉力可靠。

3)安裝時需考慮拉刀位置和分度撥爪位置之間的相互關(guān)系。

4)齒輪分度有死點(diǎn)位置，需用“死檔”控制分度齒輪順時針轉(zhuǎn)動的角度。在齒條安裝導(dǎo)軌上有2個壓簧，合理選配壓簧，使拉壓力可靠。

5)工件落至初始位置，觸發(fā)接近開關(guān)，提示有料，才會開始之后的動作循環(huán)，否則會自動報警。加工完成的工件，夾緊軸和支承軸會一起退出，同時料倉門打開，撥爪松開，工件落入接料盒中，感應(yīng)接近開關(guān)，計數(shù)器計數(shù)，倉門關(guān)閉。撥爪在撥動狀態(tài)下，料倉門不能打開。

圖12 自動上下料機(jī)構(gòu)

4 控制系統(tǒng)

4.1 電氣控制

兜孔拉削裝置電氣控制系統(tǒng)主要由FX3GA可編程控制器、GXO3501觸摸屏、交流調(diào)速系統(tǒng)和繼電器等組成。PLC輸入采集信號經(jīng)邏輯判斷、數(shù)據(jù)運(yùn)算后，按照預(yù)定程序作相應(yīng)輸出，完成整機(jī)的手動調(diào)整操作和自動磨削操作；PLC通過編程通信口和人機(jī)界面進(jìn)行通信，完成人機(jī)之間的數(shù)據(jù)、信息交換。人機(jī)界面的觸摸屏提供操作菜單，設(shè)置機(jī)床各種運(yùn)行模式和參數(shù)；顯示機(jī)床各種運(yùn)行數(shù)據(jù)、自動運(yùn)行的過程和實時運(yùn)行狀態(tài)；查詢有關(guān)運(yùn)行開關(guān)(I/O)的狀態(tài)；窗口顯示機(jī)床異常報警內(nèi)容。VFD系列變頻器控制驅(qū)動電動機(jī)的啟動和工作。繼電器控制和保護(hù)電動機(jī)的啟停動作。如圖13所示為自動運(yùn)行、動作調(diào)整、參數(shù)設(shè)置、報警信息的操作界面。圖13c中參數(shù)設(shè)置的含義與設(shè)置范圍見表3。

4.2 動作循環(huán)

操作面板上設(shè)有手動與自動轉(zhuǎn)換旋鈕，機(jī)床處于自動運(yùn)行時，不能切換模式及畫面。手動調(diào)整模式下，進(jìn)入到其他畫面，操作模式不變，仍為手動調(diào)整狀態(tài)。自動循環(huán)工作時，裝置需滿足：冷卻啟動，驅(qū)動電動機(jī)啟動，離合器不離合，制動器不制動，擋料在前位，送料在后位，芯軸在后位，螺牙氣缸執(zhí)行壓動作，壓料在后位，拉刀回零，手輪罩關(guān)閉，防護(hù)門關(guān)閉，裝置有料等幾個條件。拉削裝置循環(huán)動作流程如圖14所示。

圖13 控制系統(tǒng)操作界面顯示

表3 各參數(shù)含義與設(shè)置范圍

圖14 拉削裝置循環(huán)動作流程圖

5 改進(jìn)效果

根據(jù)GB/T 28268—2012《滾動軸承 沖壓保持架技術(shù)條件》，結(jié)合要求和實際情況，將保持架兜孔表面質(zhì)量和兜孔平行度作為該拉削裝置的檢驗指標(biāo)，要求兜孔表面粗糙度Ra≤1.2 μm，兜孔平行度Vhc≤0.03 mm(每10 mm)。

隨機(jī)挑選一批經(jīng)改進(jìn)拉削裝置后加工的PK型保持架，任意選取3個保持架，并分別標(biāo)記，隨機(jī)測量每個保持架5個兜孔的表面粗糙度和平行度，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)見表4。由表可知， 改進(jìn)拉削裝置后，保持架兜孔表面粗糙度和平行度遠(yuǎn)低于指標(biāo)數(shù)值，符合保持架兜孔精度要求。

表4 PK型保持架兜孔檢驗數(shù)據(jù)

6 結(jié)束語

為提高滾針軸承用PK型保持架兜孔的加工精度，設(shè)計了一種保持架兜孔拉削裝置，其僅用一個動力源，通過純機(jī)械鏈傳動，結(jié)合凸輪機(jī)構(gòu)、蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)，采用控制性高的電氣控制，從而實現(xiàn)了保持架兜孔拉削。經(jīng)隨機(jī)樣本檢驗，兜孔表面精度得到較大改善，工作效率提高，該裝置已應(yīng)用于車間生產(chǎn)。