調(diào)心滾子軸承外圈硬車與精磨組合機(jī)床的設(shè)計(jì)方案
2021-3-15 來源：遼寧裝備制造職業(yè) 沈陽(yáng)機(jī)床股份公司 作者：陳維范 薛丹
摘要: 為提高軸承外圈的加工效率，通過對(duì)數(shù)控車床上外圈裝夾方式的分析以及對(duì)外圈硬車及其滾道磨削原理的研究，設(shè)計(jì)了調(diào)心滾子軸承外圈硬車與精磨組合機(jī)床的方案，采用硬車代替粗磨加工并在同一臺(tái)機(jī)床上完成精磨加工，僅留下超精研工序在磨床上完成。實(shí)際加工表明，該組合機(jī)床可在一次裝夾中完成軸承外圈一個(gè)端面、外徑面及滾道面的加工，在保證加工精度的基礎(chǔ)上將工時(shí)縮短了 1 /3。
關(guān)鍵詞: 滾動(dòng)軸承; 調(diào)心滾子軸承; 外圈; 硬車; 車削; 磨削; 組合機(jī)床
軸承外圈的加工工藝一般為套鍛→退火→粗車→熱處理→粗磨→精磨→超精研。滾道表面粗糙度對(duì)軸承的振動(dòng)、潤(rùn)滑、早期疲勞及使用壽命有著重要影響［1 － 2］。在軸承的生產(chǎn)加工中，磨削加工約占總勞動(dòng)量的 60% ，所用磨床數(shù)量也占全部切削機(jī)床數(shù)量的 60% 左右，磨削加工的成本約占軸承生產(chǎn)成本的 15% 以上［3］。
另外，磨削加工時(shí)砂輪及切削液消耗量大、粉塵和廢液污染程度比較嚴(yán)重［4］。超硬材料刀具的出現(xiàn)以及數(shù)控機(jī)床技術(shù)水平不斷提高，為硬車代替粗磨加工創(chuàng)造了條件，硬車削技術(shù)( 簡(jiǎn)稱硬車) 在發(fā)達(dá)國(guó)家已普遍應(yīng)用［5］。采用精密硬車工藝，通過合理選擇切削用量，可以使零件的幾何精度和表面粗糙度基本達(dá)到產(chǎn)品的終磨精度要求［6］，且其金屬切除效率是普通磨削加工的3 ～ 4倍［7 － 8］。
目前，國(guó)內(nèi)的軸承及齒輪等行業(yè)已經(jīng)開始用硬車替代原有的粗磨、半精磨工藝［9］，例如用 C650 車床成功進(jìn)行軸承外圈滾道的磨削［10］，并研發(fā)了車磨組合機(jī)床等［11］。在對(duì)軸承外圈硬車加工及外圈滾道磨削原理進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，按照客戶提出的要求，對(duì)某型號(hào)調(diào)心滾子軸承外圈的加工工藝進(jìn)行了分析，完成了硬車與精磨組合機(jī)床的加工方案設(shè)計(jì)。
1 、調(diào)心滾子軸承外圈熱處理后的加工
1. 1 硬車加工
以 GCr15，GCr15Si Mn，GCr18Mo 為代表的淬硬軸承鋼，經(jīng)淬火后硬度大于 58 HＲC，屬于典型的耐磨軸承材料［4］。硬車是指使用多晶立方氮化硼( PCBN) 或立方氮化硼( CBN) 刀具、陶瓷刀具或涂層硬質(zhì)合金刀具等在車床或車削加工中心上對(duì)淬硬鋼( 55 ～ 66 HＲC) 進(jìn)行切削加工，是代替磨削的經(jīng)濟(jì)性加工工藝，與磨削相比具有良好的加工柔性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性［12 －13］。軸承外圈采用硬車加工工藝，可代替淬火后的粗磨工藝。一次裝夾即可完成外圈 3 個(gè)面的加工，生產(chǎn)效率得到顯著提高，且可獲得良好的加工精度，表面粗糙度 Ｒa 可達(dá) 0． 4 μm 以下。
1. 2 滾道磨削
調(diào)心滾子軸承外圈滾道磨削原理如圖 1 所示，將磨頭設(shè)計(jì)成軸向尺寸較小的結(jié)構(gòu)。磨削時(shí)，磨頭進(jìn)入外圈孔內(nèi)，外圈軸線 A － A 與磨頭軸線B － B在一個(gè)平面內(nèi)相互垂直且相交于滾道球心。外圈在機(jī)床主軸的帶動(dòng)下以角速度 ωA繞 A － A 軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng); 杯砂輪在電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下以角速度 ωB繞 B － B 軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并在機(jī)床進(jìn)給軸的帶動(dòng)下以進(jìn)給速度 n 沿砂輪軸線 B － B 做直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，通過杯形砂輪的端面與軸承外圈滾道的接觸實(shí)現(xiàn)磨削。這樣，可以保證加工出來的調(diào)心滾子軸承外圈滾道是一個(gè)球面，同時(shí)具有較高的加工精度。
圖 1 調(diào)心滾子軸承外圈滾道磨削原理
2 、外圈車磨加工裝夾方式
外圈車削加工的機(jī)床主要有臥式數(shù)控車床和立式數(shù)控車床。一般情況下，對(duì)于 300 mm 及以下的中小規(guī)格軸承外圈，采用臥式數(shù)控車床加工;對(duì)于 300 ～ 800 mm 規(guī)格的軸承外圈，采用立式數(shù)控車床加工。
2. 1 軸承外圈浮動(dòng)夾具
軸承外圈屬于薄壁件，裝夾容易變形，為了保證加工精度，采用 6 點(diǎn)或 12 點(diǎn)浮動(dòng)夾具裝夾，可使夾緊力均勻地壓在軸承外圈外圓表面，減小因裝夾引起的變形。浮動(dòng)夾具適用于臥式數(shù)控車床及立式數(shù)控車床，一次裝夾可對(duì)軸承外圈的一個(gè)端面和內(nèi)孔進(jìn)行加工。軸承外圈 6 點(diǎn)浮動(dòng)夾具如圖 2a 所示，浮動(dòng)卡爪通過銷軸固定在基座上，浮動(dòng)卡爪可繞銷軸實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定心，從而減小軸承外圈的變形。
圖 2 軸承外圈浮動(dòng)夾具
通過更換浮動(dòng)卡爪可實(shí)現(xiàn)不同型號(hào)軸承外圈的裝夾。軸承外圈 12 點(diǎn)浮動(dòng)夾具如圖 2b 所示，適用于外圈較薄或直徑較大工件的裝夾。
2. 2 電磁吸盤
在薄壁軸承套圈的精密硬車削加工中，采用軸向吸持( 電磁吸盤) 是減小甚至消除徑向裝夾變形的可行方法［14］。如圖 3 所示，導(dǎo)磁塊安裝在磁力吸盤體上，確保磁力不變的情況下一次性加工套圈的 3 個(gè)面( 端面、外徑面、滾道面) 。電磁吸盤同樣適用于立式數(shù)控車床及臥式數(shù)控車床，對(duì)于精度要求較高或直徑較大的套圈，具有良好的吸持效果。
圖 3 電磁吸盤
利用電磁吸盤吸持軸承套圈端面時(shí)，套圈的硬車工藝參數(shù)為最大吃刀深度 0． 25 mm，進(jìn)給量0． 8 mm / r; 加工精度為表面粗糙度 ( Ｒa) 0． 4 μm，圓度 0． 5 μm，圓柱度 10 μm，壁厚差小于 25 μm。電磁吸盤的磁力分檔可調(diào)，永磁吸盤即使意外斷電也不會(huì)失去磁性，仍能可靠吸緊工件。電磁吸盤應(yīng)用于立式數(shù)控車床時(shí)，套圈可采用V 形塊粗定位，如圖 4 所示。將 V 形塊安裝在立式數(shù)控車床刀盤的一個(gè)刀位上，在安裝套圈時(shí)，將 V 形塊刀位轉(zhuǎn)至電磁吸盤的上方，將套圈靠在V 形塊上即可實(shí)現(xiàn)粗定位，然后通過千分表精確找正，縮短了輔助時(shí)間。
圖 4 軸承套圈在立式數(shù)控車床電磁吸盤上的定位
在臥式數(shù)控車床上使用的電磁吸盤如圖 5 所示。機(jī)床上設(shè)有 2 個(gè) V 形塊，每個(gè) V 形塊上有 2個(gè)滾輪，V 形塊通過支架固定在機(jī)床床頭箱體上。先將軸承套圈靠在滾輪上實(shí)現(xiàn)粗定位，再通過千分表找正，實(shí)現(xiàn)精確定位。
圖 5 電磁吸盤在臥式數(shù)控車床上的使用
文獻(xiàn)［3，12］對(duì)采用電磁吸盤吸持工件進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明試樣基準(zhǔn)面的平面度誤差越小，精密硬車加工所得試樣溝道的圓度誤差就越小。因此，在電磁吸盤吸持軸承外圈前，需要對(duì)定位面進(jìn)行精加工，增加基準(zhǔn)面與吸盤的接觸面積，提高加工精度。
3 、調(diào)心滾子軸承外圈硬車與精磨組合加工
3. 1 調(diào)心滾子軸承外圈的結(jié)構(gòu)與加工工藝分析
淬火后的外圈毛坯如圖 6a 所示，外圈外徑為( 261． 2 ± 0． 05) mm，表面粗糙度 Ｒa 為 3． 2 μm，圓倒角 Ｒ 為 8 mm; 滾道球半徑 SＲ 為( 116． 6 ±0． 025)mm，內(nèi)孔最大直徑為( 219． 6 ± 0． 05) mm，圓倒角 Ｒ為 4 mm，表面粗糙度 Ｒa 為 3． 2 μm; 寬度為( 86． 2 ±0． 05) mm; 一個(gè)端面表面粗糙度 Ｒa 為 0． 4 μm( 基準(zhǔn)面) ，另一端面的表面粗糙度 Ｒa 為 3． 2 μm。
圖 6 調(diào)心滾子軸承外圈
在機(jī)床上硬車、精磨滾道后的成品外圈如圖6b 所示，加工后軸承外圈的上端內(nèi)外圓倒角尺寸不變，滾道的表面粗糙度 Ｒa 降至 0． 2 μm，其余加工面的表面粗糙度 Ｒa 均降至 0.4 μm; 軸承外圈直徑為 2600－ 0． 035mm; 滾道球半徑 SＲ 為 117． 3 mm，內(nèi)孔最 大 直 徑 為 ( 234． 6 ± 0． 05 ) mm; 寬 度 為860－ 0． 02mm。采用電磁吸盤吸持軸承外圈基準(zhǔn)面，硬車工序的加工余量: 外圓單邊余量 0． 6 mm，一個(gè)端面 0． 2 mm( 另一端基準(zhǔn)面無需加工) ，滾道單邊余量 0． 6 mm; 滾道精磨單邊余量 0． 1 mm。
3. 2 硬車與精磨組合機(jī)床的設(shè)計(jì)方案
硬車與精磨組合機(jī)床在臥式數(shù)控車床的基礎(chǔ)上增加了磨削裝置，不僅具有硬車的功能，還具有精磨功能，在一臺(tái)機(jī)床上進(jìn)行一次裝夾就可實(shí)現(xiàn)調(diào)心滾子軸承外圈的硬車和滾道精磨加工。如圖 7 所示，組合機(jī)床采用 45°整體斜床身，最大回轉(zhuǎn)直徑 500 mm，最大切削長(zhǎng)度 200 mm，最大切削直徑 350 mm，主電動(dòng)機(jī)功率 7． 5 k W，最高轉(zhuǎn)速 4 000 r/min。主軸采用 P2 級(jí)陶瓷軸承，中度預(yù)緊，加工精度可達(dá)到 IT5。另外，組合機(jī)床具備磨削冷卻液和氮?dú)?2 種冷卻方式。
1—床身; 2—主電動(dòng)機(jī); 3—主軸箱; 4—主軸; 5—X 軸電動(dòng)機(jī); 6—排刀板; 7—床鞍; 8—Z 軸電動(dòng)機(jī)
圖 7 臥式數(shù)控機(jī)床主機(jī)結(jié)構(gòu)
機(jī)床采用如圖 8 所示的排刀結(jié)構(gòu)，排刀板上安裝 2 套刀夾，每個(gè)刀夾上均安裝有內(nèi)孔車刀、外圓車刀和端面車刀各一把，同時(shí)安裝變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)和磨架。磨架前端安裝杯形砂輪( 最高轉(zhuǎn)速5 000 r / min) ，變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)經(jīng)帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)杯形砂輪旋轉(zhuǎn)。機(jī)床上的 V 形定位裝置如圖 9 所示，V 形塊通過滾軸安裝在支架上，通過滾輪軸在V 形塊上安裝 2 軸線與主軸平行的滾輪，通過滾輪與軸承外圓的接觸實(shí)現(xiàn)粗定位。V 形塊可繞滾軸擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定心。
1—排刀板; 2—刀夾; 3—電動(dòng)機(jī); 4—杯形砂輪; 5—磨架; 6—帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)
圖 8 排刀刀架結(jié)構(gòu)
1—V 形塊; 2—滾軸; 3—支架; 4—滾輪; 5—滾輪軸
圖 9 V 形定位裝置
按照用戶要求設(shè)計(jì)的車磨組合機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖10 所示，調(diào)心滾子軸承外圈采用電磁吸盤吸持。為避免電磁吸盤磁力影響工件加工精度，對(duì)軸承外圈的一個(gè)端面進(jìn)行精磨加工作為本工序的基準(zhǔn)面，其表面粗糙度 Ｒa 為 0．4 μm，平面度誤差小于0．005 mm。
1—電磁吸盤; 2—磨架; 3—杯形砂輪; 4—變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī); 5—V形定位裝置; 6—刀夾
圖 10 車磨組合機(jī)的結(jié)構(gòu)
加工前，將調(diào)心滾子軸承外圈用弱磁吸在磁力吸盤上，用千分表對(duì)外圓表面找正后通電上磁;移動(dòng) 2 個(gè) V 形塊，使?jié)L輪接觸軸承外圓表面，然后調(diào)整 V 形定位裝置，使?jié)L輪離開軸承外圓表面 0． 2mm( 可根據(jù)實(shí)際毛坯件調(diào)整) 后固定，用于軸承外圈粗定位。加工時(shí)，先用 V 形定位裝置粗定位軸承外圈，用弱磁將外圈吸持在磁力吸盤上，用千分表對(duì)外圓表面找正后通電上磁，啟動(dòng)機(jī)床進(jìn)行加工。排刀刀架帶動(dòng)車刀完成外圈內(nèi)、外表面和一個(gè)端面的硬車; 精磨外圈滾道時(shí)，排刀刀架帶動(dòng)磨頭進(jìn)入外圈內(nèi)孔中，杯型砂輪和軸承外圈各自繞軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)外圈滾道的精磨。
在車磨組合機(jī)上一次裝夾即可完成調(diào)心滾子軸承外圈一個(gè)端面、外徑面和滾道面的硬車，并能完成滾道面的精磨加工。原需在 2 臺(tái)磨床上完成的粗磨、精磨加工工序在 1 臺(tái)車磨組合機(jī)上進(jìn)行一次裝夾即可實(shí)現(xiàn)，工時(shí)減少了 1 /3，有效提高了用戶的加工效率。
4 、結(jié)束語
對(duì)硬車技術(shù)和調(diào)心滾子軸承外圈滾道磨削原理進(jìn)行了研究，對(duì)軸承套圈在數(shù)控車床上裝夾及定位方式進(jìn)行了分析。根據(jù)用戶的要求，在臥式數(shù)控車床的基礎(chǔ)上，完成了用于調(diào)心滾子軸承外圈加工的車磨組合機(jī)方案設(shè)計(jì)。在一臺(tái)機(jī)床上實(shí)現(xiàn)了軸承外圈外圓表面、滾道面和一個(gè)端面的硬車加工，以及對(duì)外圈滾道的精磨; 僅有軸承外圈滾道的超精研工序需要在另一臺(tái)機(jī)床上完成，滿足了用戶的需求。
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