新型外球面軸承磨床的設計
2009-03-13 一、問題的提出
帶座外球面軸承自20世紀70年代在我國問世以來，由于具有良好的軸線可調性，已被越來越多地應用于各個行業。這種軸承軸線的可調性，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.擺動磨法 擺動磨削機床具有較強的切削能力，故磨削速度快，加工時間短。用擺動磨加工球面軸承外圈，既要保證擺動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。實際加工中，由于機床自身擺動平面處的振動及工件的不等寬性，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70年代在我國問世以來，由于具有良好的軸線可調性，已被越來越多地應用于各個行業。這種軸承軸線的可調性，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.擺動磨法 擺動磨削機床具有較強的切削能力，故磨削速度快，加工時間短。用擺動磨加工球面軸承外圈，既要保證擺動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。實際加工中，由于機床自身擺動平面處的振動及工件的不等寬性，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，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，并采用使砂輪回轉軸線與軸承外圈回轉軸線相交進行磨削的方法設計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。所設計的機床傳動原理圖見圖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，并采用使砂輪回轉軸線與軸承外圈回轉軸線相交進行磨削的方法設計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。所設計的機床傳動原理圖見圖2。
1.床身；2.手柄；3.電磁無心夾具；4.工件；5.電感測頭；6.主動測量儀；7.砂輪；8.縱向滑臺；9.磨頭裝置；
10.磨頭電動機；11.橫向滑臺；12.步進電動機；13.皮帶輪；14.主軸箱；15.主軸電動機
圖2 機床傳動原理圖
三、機械部分設計
1.主軸及夾具
由于外球面軸承外圈為薄壁小型導磁工件，因此工藝上采用無心夾具。無心夾具由殼體、線圈鐵心、磁極、磁盤及兩可調支承組成。工件通過兩支承來定位，其支承位置可根據工件直徑的不同而調整。使用電磁吸盤無心夾具磨削的Z大好處是:其加工精度不受機床主軸回轉精度的影響，因而可以獲得很高的加工精度。
主軸旋轉由0.75kW電動機驅動，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，提高主軸旋轉精度，支承選用5級精度雙列短圓柱滾子軸承與兩對角接觸球軸承相配合。
2．縱、橫向進給機構
磨床的縱、橫向進給機構分別由手動和步進電動機驅動，兩者均采用滑動導軌。
縱向進給由于其承受載荷較大，又有運動精度要求，故采用矩—山形導軌?？v向進給滑板由步進電動機驅動，通過減速機構、絲杠螺母機構帶動滑板做縱向移動。為調整需要，在步進電動機停止運行時(斷電狀態)，還可通過手輪及離合器使縱向滑板做手動進給，整個縱向移動量大行程設計為150mm。橫向進給機構置于縱向進給滑板上，是為滿足被加工件寬度變換而設置的。由于調整次數不多，采用手動螺母調整：為克服較大的軸向抗力，橫向進給機構的導軌設計成燕尾型，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。為使磨頭獲得高轉速，采用轉速為2880r/min的電動機，通過皮帶來驅動。為提高磨削精度，以兩對5級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)及砂輪防護罩。
四、電控部分設計
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測量儀，用于磨削過程中尺寸的連續測量，并和數控裝置、伺服機構共同組成了一個簡單的閉環控制系統(見圖3)。
1.主軸及夾具
由于外球面軸承外圈為薄壁小型導磁工件，因此工藝上采用無心夾具。無心夾具由殼體、線圈鐵心、磁極、磁盤及兩可調支承組成。工件通過兩支承來定位，其支承位置可根據工件直徑的不同而調整。使用電磁吸盤無心夾具磨削的Z大好處是:其加工精度不受機床主軸回轉精度的影響，因而可以獲得很高的加工精度。
主軸旋轉由0.75kW電動機驅動，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，提高主軸旋轉精度，支承選用5級精度雙列短圓柱滾子軸承與兩對角接觸球軸承相配合。
2．縱、橫向進給機構
磨床的縱、橫向進給機構分別由手動和步進電動機驅動，兩者均采用滑動導軌。
縱向進給由于其承受載荷較大，又有運動精度要求，故采用矩—山形導軌?？v向進給滑板由步進電動機驅動，通過減速機構、絲杠螺母機構帶動滑板做縱向移動。為調整需要，在步進電動機停止運行時(斷電狀態)，還可通過手輪及離合器使縱向滑板做手動進給，整個縱向移動量大行程設計為150mm。橫向進給機構置于縱向進給滑板上，是為滿足被加工件寬度變換而設置的。由于調整次數不多，采用手動螺母調整：為克服較大的軸向抗力，橫向進給機構的導軌設計成燕尾型，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。為使磨頭獲得高轉速，采用轉速為2880r/min的電動機，通過皮帶來驅動。為提高磨削精度，以兩對5級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)及砂輪防護罩。
四、電控部分設計
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測量儀，用于磨削過程中尺寸的連續測量，并和數控裝置、伺服機構共同組成了一個簡單的閉環控制系統(見圖3)。
圖３ 加工流程圖
1．對刀
首先將數控裝置選擇開關置于手動位置，使工件和砂輪旋轉。然后搖動手輪，使磨頭砂輪逐漸靠近工件。當兩者微接觸(微見火花)時，按下對刀鍵，此時縱向進給機構快退20mm，即為該工件在數控加工中的零點。
2．加工
將數控裝置置于自動加工位置，按下啟動鍵，縱向進給機構在步進電動機驅動下，向工件快速移動20mm，主軸由限位開關啟動并旋轉，磨頭進入工進狀態，磨削開始。
此時，通過工件表面的測頭，將工件徑向尺寸變化的位移信號變為電信號送入測量儀，由測量儀將信號反饋給數控系統，通過其判斷比較后，繼續控制伺服機構做縱向運動。
3.光磨
當工件尺寸達到某一設定值時(一般可預留20μm)，數控裝置發出停止信號，伺服機構停止縱向進給。但此時磨頭與工件仍然轉動，進行無進給磨削，即光整加工。
隨著光磨余量的消除，工件達到尺寸要求后，通過測量儀經數控系統發出快退信號，伺服機構快退，主軸停轉，完成一個工件的加工過程。
五、結束語
用范成磨法的外球面軸承專用磨床替代傳統的擺動和切入磨削，可將外球面軸承外圈的球面質量提高到一個新水平，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強度。
目前該機床已經小規模生產。近幾年來，經用戶使用反映效果良好，其尺寸合格率可達98%，外球面曲率合格率可達100%。該項技術難關的攻克，使該磨床榮獲95年度國家級新產品獎。（來源：制造技術與機床）
首先將數控裝置選擇開關置于手動位置，使工件和砂輪旋轉。然后搖動手輪，使磨頭砂輪逐漸靠近工件。當兩者微接觸(微見火花)時，按下對刀鍵，此時縱向進給機構快退20mm，即為該工件在數控加工中的零點。
2．加工
將數控裝置置于自動加工位置，按下啟動鍵，縱向進給機構在步進電動機驅動下，向工件快速移動20mm，主軸由限位開關啟動并旋轉，磨頭進入工進狀態，磨削開始。
此時，通過工件表面的測頭，將工件徑向尺寸變化的位移信號變為電信號送入測量儀，由測量儀將信號反饋給數控系統，通過其判斷比較后，繼續控制伺服機構做縱向運動。
3.光磨
當工件尺寸達到某一設定值時(一般可預留20μm)，數控裝置發出停止信號，伺服機構停止縱向進給。但此時磨頭與工件仍然轉動，進行無進給磨削，即光整加工。
隨著光磨余量的消除，工件達到尺寸要求后，通過測量儀經數控系統發出快退信號，伺服機構快退，主軸停轉，完成一個工件的加工過程。
五、結束語
用范成磨法的外球面軸承專用磨床替代傳統的擺動和切入磨削，可將外球面軸承外圈的球面質量提高到一個新水平，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強度。
目前該機床已經小規模生產。近幾年來，經用戶使用反映效果良好，其尺寸合格率可達98%，外球面曲率合格率可達100%。該項技術難關的攻克，使該磨床榮獲95年度國家級新產品獎。（來源：制造技術與機床）