陳維范，薛丹

(1.遼寧裝備制造職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，遼寧沈陽 110161；2.沈陽機(jī)床股份有限公司，遼寧沈陽 110142)

0 前言

軸承作為工業(yè)中一種常用的零件，要求具有較高的精度。滾動(dòng)軸承一般由外圈、內(nèi)圈、滾動(dòng)體、保持架組成。軸承外圈的加工工藝一般為：模鍛→退火→粗車→淬火→粗磨→精磨→終磨。

在淬火后的軸承外圈加工過程中，磨削加工所占比重較大。大型軸承套圈的加工總工時(shí)中，磨削加工約占60%，然而磨削加工的低效率嚴(yán)重制約了生產(chǎn)效率的提高。隨著機(jī)床制造技術(shù)的發(fā)展、超硬材料刀具的運(yùn)用以及磁力吸盤的出現(xiàn)，使得淬火后的軸承外圈加工以車代磨成為可能。

硬車削是指把淬硬鋼的車削作為最終加工或精加工的工藝方法，是一種低碳、環(huán)保、節(jié)能的加工方式。硬車采用立方氮化硼刀具、涂層硬質(zhì)合金刀具或陶瓷刀具等。采用硬車代替粗磨加工,通過數(shù)控硬車加工時(shí)大的切削深度和高的工件轉(zhuǎn)速使車削產(chǎn)生的大部分熱量都隨切屑帶走,避免磨削加工時(shí)表面燒傷和裂紋的產(chǎn)生。美國鐵姆肯公司的MATSUMOTO等研究表明軸承套圈采用以車代磨可以改善軸承套圈的金相組織和應(yīng)力狀態(tài)。國內(nèi)一些軸承制造企業(yè)軸承套圈粗磨工序已實(shí)現(xiàn)以車代磨，但是精磨、終磨工序還需要在磨床上完成。

根據(jù)某用戶的要求，在原有能夠滿足軸承外圈硬車加工精度的立式數(shù)控車床基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)調(diào)心軸承外圈立式車磨復(fù)合數(shù)控機(jī)床(以下簡稱為車磨復(fù)合機(jī)床)。車磨復(fù)合機(jī)床能夠?qū)⒋慊鸷筝S承外圈粗磨用硬車代替，將精磨由原來在磨床上加工改為在車床上完成，精磨加工也在同一臺(tái)數(shù)控機(jī)床上完成。這樣，經(jīng)過一次裝夾即可完成外圈3個(gè)面的加工，僅有滾道終磨需要在磨床上完成。車磨復(fù)合機(jī)床在滿足軸承外圈加工精度的同時(shí)，生產(chǎn)效率得到顯著提高。

1 軸承外圈的裝夾方式及磨削原理

1.1 電磁吸盤裝夾軸承外圈

由于軸承外圈屬薄壁零件，采用傳統(tǒng)的方式裝夾軸承外圈時(shí)，因徑向受力會(huì)導(dǎo)致變形，從而影響加工精度。采用電磁吸盤吸持軸承外圈時(shí)，只有軸承一個(gè)端面承受吸力，徑向無變形，可以消除上述缺陷。另外，經(jīng)過一次裝夾就可實(shí)現(xiàn)多面加工，避免重復(fù)裝夾定位造成的誤差。

如圖1所示，磁力吸盤體采用可靠的電永磁原理，磁力吸盤的磁力大小分檔可調(diào)，最大磁盤吸力為160 N/cm，即使意外斷電磁力也不會(huì)消失，仍可保證工件可靠吸緊。磁力吸盤體上安裝導(dǎo)磁塊，確保磁力不變的情況下滿足軸承外圈的三面一次性加工。

圖1 電磁吸盤

在立式數(shù)控車床上，軸承外圈利用電磁吸盤吸持進(jìn)行硬車加工時(shí)的工藝參數(shù)為：最大切削深度0.25 mm，進(jìn)給量0.8 mm/r；加工精度表面粗糙度為0.4 μm，圓度0.5 μm，圓柱度10 μm，壁厚差小于25 μm。

丁紅漢等研究表明：電磁吸盤吸持工件時(shí)，基準(zhǔn)面的平面度誤差越小，精密硬車加工所得到工件溝道的圓度誤差就越小。因此，軸承外圈在電磁吸盤吸持前，需要對(duì)定位面進(jìn)行精加工。

立式數(shù)控車床采用電磁吸盤裝夾軸承外圈時(shí)，可在刀盤的一個(gè)刀位上安裝V形塊實(shí)現(xiàn)粗定位，如圖2所示。在安裝軸承外圈時(shí)，將安裝V形塊的刀位轉(zhuǎn)至電磁吸盤的上方，將軸承外圈靠在V形塊上即可實(shí)現(xiàn)粗定位，然后利用千分表精確找正。

圖2 軸承外圈在立式機(jī)床上的定位

1.2 調(diào)心軸承外圈滾道范成法磨削原理

范成法磨削采用的是一種超短軸。范成法磨削時(shí)，調(diào)心軸承外圈作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，砂輪除旋轉(zhuǎn)外，還沿著砂輪旋轉(zhuǎn)軸線作橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。磨削后滾道表面成交叉弧面，因此可以降低加工后表面粗糙度。范成法調(diào)整簡單、操作容易，磨削中溝道和砂輪的接觸面積相對(duì)于其他方法較小，磨削時(shí)所產(chǎn)生的熱量較少，不易產(chǎn)生燒傷及裂紋。

如圖3所示，在磨削時(shí)，機(jī)床刀盤帶動(dòng)磨頭1進(jìn)入軸承外圈2孔內(nèi)，調(diào)心軸承外圈軸線-與機(jī)床主軸軸線重合且與磨頭軸線-在同一個(gè)平面內(nèi)垂直，-與-的交點(diǎn)與軸承滾道球心重合。加工時(shí)，軸承外圈以角速度繞-旋轉(zhuǎn)；杯形砂輪以角速度繞-軸旋轉(zhuǎn)的同時(shí)以速度沿砂輪軸線-作直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。由杯形砂輪的端面完成對(duì)軸承外圈滾道的磨削。利用此方法可保證調(diào)心軸承外圈滾道具有較高的加工精度。

圖3 范成法磨削原理

2 調(diào)心軸承外圈結(jié)構(gòu)與加工工藝分析

在車磨復(fù)合機(jī)床上加工調(diào)心軸承外圈毛坯如圖4(a)所示，調(diào)心軸承外圈淬火處理，硬度60～66HRC；外圓直徑361.4 mm±0.05 mm，表面粗糙度為3.2 μm，圓倒角半徑為8 mm；調(diào)心軸承外圈滾道球半徑為169.3 mm±0.025 mm，最大直徑為320.55 mm±0.05 mm，圓倒角半徑為4 mm，表面粗糙度為3.2 μm；調(diào)心軸承外圈寬度為118.2 mm±0.05 mm；一個(gè)端面表面粗糙度為0.4 μm(基準(zhǔn)面)，另一端面的表面粗糙度為3.2 μm。

圖4 調(diào)心軸承外圈

為避免電磁吸盤磁力對(duì)調(diào)心軸承外圈加工精度的影響，在車磨復(fù)合加工前，需對(duì)軸承外圈一個(gè)端面進(jìn)行精磨加工，以此作為車磨復(fù)合加工的基準(zhǔn)面。該基準(zhǔn)面的粗糙度為0.4 μm，平面度誤差小于0.005 mm。

加工時(shí)，采用電磁吸盤吸持調(diào)心軸承外圈基準(zhǔn)面，即粗糙度為0.4 μm的端面。硬車工序的加工余量：外圓單邊余量0.7 mm，一個(gè)端面0.2 mm(另一端基準(zhǔn)面不需加工)，滾道單邊余量0.7 mm；滾道精磨單邊余量0.1 mm。

3 立式車磨復(fù)合機(jī)床的設(shè)計(jì)

3.1 車磨復(fù)合機(jī)床總體結(jié)構(gòu)

車磨復(fù)合機(jī)床結(jié)構(gòu)如圖5所示。主機(jī)采用立式數(shù)控車床結(jié)構(gòu)，該機(jī)床剛性好、扭矩大，能夠滿足軸承套圈硬車加工精度要求。在此基礎(chǔ)上，增加調(diào)心軸承外圈滾道磨削功能，形成車磨復(fù)合機(jī)床。

圖5 車磨復(fù)合機(jī)床結(jié)構(gòu)

機(jī)床主電機(jī)5的功率為22 kW，床身上最大回轉(zhuǎn)直徑800 mm，最大車削長度600 mm。主軸1安裝在底座2上，帶動(dòng)吸持在電磁吸盤3上的軸承外圈4作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。立柱12固定在底座2的后上端。軸伺服電動(dòng)機(jī)10通過滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)大滑板9沿固定在機(jī)床立柱上的導(dǎo)軌上下移動(dòng)。軸電動(dòng)機(jī)14驅(qū)動(dòng)小滑板8沿著固定在大滑板9上的導(dǎo)軌左右移動(dòng)。立式伺服刀架7固定在小滑板8上，實(shí)現(xiàn)軸和軸進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。該機(jī)床采用水冷卻和液氮兩種冷卻方式，液氮裝在氮?dú)馄?3中。平衡缸11和氮?dú)庋a(bǔ)給系統(tǒng)13平衡大滑板9上的組件質(zhì)量。磨削機(jī)構(gòu)6安裝在立式伺服刀架7的一個(gè)刀位上。

3.2 磨削機(jī)構(gòu)

刀盤結(jié)構(gòu)如圖6所示。立式伺服刀架7安裝在小滑板5上。在立式伺服刀架7上安裝3個(gè)刀夾6、V形定位塊4、彎板3；在彎板3上安裝變頻電機(jī)2和磨頭12，變頻電機(jī)2通過多楔帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)1磨頭將動(dòng)力傳給磨頭12，磨頭12前端安裝杯形砂輪11。由于變頻電機(jī)2與立式伺服刀架7一起旋轉(zhuǎn)，為避免變頻電機(jī)電源線發(fā)生纏繞現(xiàn)象，在機(jī)床伺服刀架設(shè)有用于避免電源線發(fā)生纏繞的導(dǎo)電環(huán)9，導(dǎo)電環(huán)9的兩轉(zhuǎn)動(dòng)體分別通過固定板10和支架8固定在立式伺服刀架7和小滑板5上。

圖6 刀盤結(jié)構(gòu)

車磨復(fù)合機(jī)床采用卸荷式磨頭，如圖7所示。磨架前端安裝杯形砂輪，變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)(功率3 kW)經(jīng)帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)杯形砂輪旋轉(zhuǎn)，杯形砂輪轉(zhuǎn)速為90～5 000 r/min。卸荷式磨頭皮帶的拉力由卸荷皮帶輪14通過花鍵套16經(jīng)壓蓋支架11傳遞到磨頭箱體9上，再由磨頭箱體傳遞到機(jī)床上，砂輪軸不再受皮帶的拉力作用。卸荷皮帶輪結(jié)構(gòu)避免了由于皮帶傳動(dòng)產(chǎn)生的抖動(dòng)和拉力傳遞到砂輪軸1和杯形砂輪5上，提高了杯形砂輪5范成法磨削調(diào)心軸承外圈滾道的質(zhì)量。

圖7 卸荷式磨頭結(jié)構(gòu)

調(diào)心軸承外圈滾道范成法磨削要求磨頭整體結(jié)構(gòu)進(jìn)入軸承內(nèi)孔。因此，磨頭需要足夠短，這就要求磨頭整體結(jié)構(gòu)簡單緊湊。在角接觸球軸承24和角接觸球軸承22之間用隔套8和隔套23隔開，根據(jù)磨頭需要的尺寸，確定中間隔套的尺寸。

在車磨復(fù)合機(jī)床上，通過一次裝夾即可實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)心軸承外圈1個(gè)端面、外圓表面和滾道3個(gè)面的硬車以及外圈滾道的精磨加工。僅有終磨工序在另一臺(tái)機(jī)床上完成，提高了生產(chǎn)效率。

4 結(jié)語

對(duì)調(diào)心軸承外圈在立式機(jī)床裝夾方式及范成法磨削原理進(jìn)行了分析；根據(jù)用戶的要求，在立式數(shù)控車床的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了用于調(diào)心軸承外圈加工的立式車磨復(fù)合機(jī)床。軸承外圈采用電磁吸盤吸持，利用刀盤上安裝的V形塊進(jìn)行粗定位，再利用千分表精確定位；對(duì)淬火后的軸承外圈外圓表面、一個(gè)端面和滾道面進(jìn)行硬車。設(shè)計(jì)卸荷式磨頭，利用彎板安裝在刀盤的一個(gè)刀位上，利用范成法對(duì)淬火后的調(diào)心軸承滾道進(jìn)行磨削。僅有軸承外圈滾道的終磨工序需要在另一臺(tái)機(jī)床上完成，降低了生產(chǎn)成本，提高了生產(chǎn)效率。