M7475B立軸平面磨床大尺寸工作臺設(shè)計

王玉國，李 立，宋吉祥

(洛陽軸研科技股份有限公司 大型軸承制造部，河南 洛陽 471039)

軸承加工中，磨加工是關(guān)鍵工序，磨加工的優(yōu)劣直接影響軸承的旋轉(zhuǎn)精度和壽命。其中，磨削平面是磨加工的第一道工序，也是第一個基準，所以，軸承零件平面磨削的質(zhì)量，直接影響到軸承后續(xù)加工的優(yōu)劣。某生產(chǎn)車間平面磨床最大加工直徑為Φ1 000 mm，大于該尺寸的軸承套圈平面加工需在改裝的立式車床上進行，但平面磨削精度難以保證。為此，對現(xiàn)有平面磨床進行改造，以擴大加工范圍，滿足生產(chǎn)要求。

1 改造思路

現(xiàn)有M7475B立軸平面磨床尚有較大工作空間可以利用，其工作臺直徑為750 mm，工作臺行程為450 mm，即當工作臺行駛到最遠端時，工作臺中心距床頭距離為825 mm。與工作臺同一水平面上除床頭、防水板(可拆卸)外，并無其他部件干涉，因此，設(shè)想將工作臺直徑加大到1 500 mm。

該機床為電磁吸盤吸附工件以實現(xiàn)工件裝卡，考慮到大工作臺加工難度大、造價高等因素，參考電磁無心外圓磨床，增加磁極塊并固定到工作臺上(圖1)，每次用砂輪靠平來滿足平面基準要求。機床工作臺加大，負荷增加。如果將磁極塊伸出圓臺外徑，增加加工直徑，可減小工作臺的直徑，減輕工作臺重量，減輕機床負荷。因此將大圓盤直徑做為1 250 mm，加長磁極塊伸出圓盤125 mm，加工直徑可達到1 500 mm，圓周方向用12個磁極來放置工件。機床總加工高度為300 mm，減去增加平臺和磁極的高度，基本可以滿足高度200 mm以下工件的加工要求。改造后，該機床可以滿足直徑1 500 mm以內(nèi)，高度200 mm以下工件的平面磨削。

圖1 新工作臺的結(jié)構(gòu)

另外，因為工作臺為水平放置，工件質(zhì)量全部落在加長磁極上，加工時的磨削力也通過工件傳給了加長磁極塊和機床。因此，要求加長磁極塊既要有很好的平面度，又要有良好的負載能力，不能在加工中變形太大，影響加工精度。

2 校核計算

對磁極塊彎曲變形和受最大負載時是否發(fā)生塑性變形進行分析計算。

2.1 彎曲變形的計算

磨削過程中，磁極塊主要受機床進刀時的壓力、工件重力和自身重力3個力的作用，使其產(chǎn)生彎曲變形。磨削力加載后，隨著工件磨量逐漸變小，磨削力也逐漸減小，并最終變?yōu)榱悖善洚a(chǎn)生的彎曲變形也最終變?yōu)榱恪楸ＷC磁極塊在磨削力加載時不產(chǎn)生塑性變形，選用45#鋼。磁極自身質(zhì)量也會引起彎曲變形，產(chǎn)生一定的撓度，采取在每次加工工件前，直接將磁極塊用砂輪靠平，以消除由其自重產(chǎn)生的變形。

因此，對工件的質(zhì)量作用于磁極塊可能產(chǎn)生的彎曲變形進行分析計算，磁極塊的受力如圖2所示。將磁極外伸出工作臺部分簡化為懸臂梁，受力簡圖、彎矩圖及撓度圖如圖3所示。由圖3可知：

圖2 工作臺與磁極塊截面圖

圖3 磁極塊受力分析

(1)

(2)

式中：y為工件重力使磁極產(chǎn)生的彎曲變形，mm；P為工件重力作用于一個磁極上的重力，N；L為磁極外伸出工作臺的長度，mm；E為材料的彈性模量，GPa；I為磁極截面的慣性矩，mm4；b為磁極截面的寬度，mm；h為磁極截面的高度，mm。圖2截面Ⅰ-Ⅰ中，b=70 mm，h=45 mm，代入(2)式得I=531 562.5 mm4。取工件質(zhì)量為180 kg，重力平均分到12個磁極上，每個磁極所受重力為147 N。將P=147 N，L=125 mm，45#鋼E=206 GPa，I=531 562 mm4，代入(1)式得產(chǎn)生的彎曲變形y=-0.000 9 mm。一般直徑大于Φ1 000 mm的P5軸承零件，要求平行差小于0.03 mm，因此該變形量完全能夠滿足零件加工要求。

2.2 塑性變形的計算

將平面磨削中砂輪進刀的壓力與工件的重力合為一個集中力P，磁極重力設(shè)為一個均布載荷q，則磁極的力學分析如圖4所示。

由圖4b,圖4c可知，剛伸出工作臺的部分受剪力最大為Q=P+qL，彎矩最大為Mmax=PL+qL2/2，而此處也是整個磁極伸出工作臺部分截面積最小的部位。由此斷定，該處為磁極應(yīng)力最大的部位，工況最為惡劣。

圖4 磁極塊受力分析

假設(shè)砂輪進刀時，在力的作用下砂輪及砂輪軸不發(fā)生變形，進刀量都傳遞給磁極，即磁極彎曲變形等于進刀量(實際中，磁極的變形不會超過砂輪的進刀量)。加工中，一次進刀量一般為0.02 mm左右。假設(shè)一次進刀量為0.05 mm滿足使用要求，將y=0.05 mm代入(1)式，得P=8 410 N。對于橫截面為矩形的磁極，最大彎曲剪應(yīng)力發(fā)生在水平方向的中間截面上，最大剪應(yīng)力公式為：

(3)

式中：τmax為最大剪應(yīng)力，MPa；Q為截面剪力，N；q為磁極重力均布載荷的集度，N/mm。

圖2截面Ⅱ-Ⅱ中，b=70 mm，h=30 mm，代入(2)式得I=157 500 mm4。由于磁極的外形尺寸都已經(jīng)確定，得出均布載荷的集度q=0.24 N/mm。將已知條件P=8 410 N，q=0.24 N/mm，L=125 mm，h=30 mm，I=157 500 mm4代入(3)式，得出τmax=6.03 MPa。

對于塑性材料，[τ]=0.6～0.8[σ]。取[τ]=0.6σs=0.6×355 MPa=213 MPa。則，

τmax<[τ]

(4)

式中：[τ]為材料的許用剪應(yīng)力,MPa；σs為45#鋼的屈服極限,MPa。

最大彎曲正應(yīng)力公式為：

(5)

將已知參數(shù)代入(5)式中，得σ=100.3 MPa。

則，σ<σs

(6)

由(4)式和(6)式可知，機床進行工件磨削時，磁極的剪應(yīng)力與正應(yīng)力均小于安全值，不會使其發(fā)生塑性變形，可以滿足使用要求。

3 結(jié)束語

通過對M7475B機床的改造，基本解決了直徑Φ1 000～1 500 mm的薄系列軸承在該機床上的平面磨削加工，各項精度指標滿足要求。但對于大直徑超高的軸承零件，該機床仍無法加工，需要在更大型的專用設(shè)備上進行加工。