基于球面范成原理的關節軸承內球面珩磨法

盧金忠

(福建龍溪軸承(集團)股份有限公司，福建 漳州 363000)

1 前言

關節軸承外圈內球面一般采用數控車床加工，車削后內球面表面粗糙度可達0.8 μm。但對于表面粗糙度要求更高的內球面，一般的數控車削加工難以達到技術要求，大球徑的內球面尚可研磨，而對于如圖1所示的小球徑內球面，因球徑小研磨頭無法進入而不能研磨。現介紹一種基于球面范成原理的內球面珩磨方法。

圖1 外圈

2 球面范成原理

球面范成原理如圖2所示，其充分必要條件是磨頭應為一個圓，且磨頭在以角速度γ繞垂直于球面零件軸線旋轉的同時以角速度β繞球面(球心O)擺動，球面零件以角速度ω繞其軸線旋轉。只有這3個運動形式同時存在，才能在理論上實現球面磨削。

圖2 球面范成原理運動示意圖

3 基于球面范成原理的內球面珩磨

如圖1所示，關節軸承外圈內球面空間狹小，根據球面范成原理，極大地限制了珩磨頭的空間尺寸、運動空間和珩磨頭驅動機構，珩磨頭組件如何伸入關節軸承外圈內球面內，可以旋轉又不影響珩磨頭的擺動，是實現球面范成原理珩磨內球面的關鍵。

關節軸承外圈內球面珩磨設計方案如圖3所示，珩磨頭組件由磨頭、磨頭驅動電動機、珩磨磨具和齒輪減速器等組成。為實現內球面狹小空間內珩磨頭垂直于球面軸線的旋轉，珩磨頭的減速驅動電動機采用了小模數齒輪(模數m=0.4)，齒輪減速器也采用小模數齒輪減速傳動。珩磨頭驅動電動機裝在垂直導向氣缸上，齒輪減速器與垂直導向氣缸之間通過4條壓縮彈簧半彈性連接，保證珩磨頭磨具與關節軸承外圈內球面的完全貼合和壓緊，實現均勻磨削。珩磨磨具為一圓柱環，圓柱環外球面與關節軸承外圈內球面緊貼，接觸面為球面環帶，珩磨磨具在珩磨頭電動機驅動下旋轉，與工件內球面形成相對運動，珩磨工件內球面。由于珩磨時珩磨磨具與外圈內球面接觸面積較大，磨削力較大，而且要求磨頭驅動電動機既輕又小，因此磨頭驅動電動機選用高功率密度的微型直流伺服電動機。

1—彈簧夾頭拉桿；2—主軸；3—彈簧夾頭座；4—彈簧夾頭；5—工件；6—磨頭；7—水平導向氣缸；8—垂直導向氣缸；9—齒輪減速器；10—壓縮彈簧；11—磨頭驅動電動機；12—珩磨磨具；X—水平移動；Y—垂直移動(加載)；ω—主軸轉速；β—擺速；γ—磨頭轉速

磨頭繞工件球心擺動設計方案如圖4所示，擺軸組件由精密滾動導軌支承，水平移動。擺軸組件由CKD帶導向雙作用氣缸、擺軸軸系、擺軸控制電動機、曲柄搖桿機構、測速傳感器等組成。通過擺軸控制電動機驅動曲柄搖桿機構，調節曲柄回轉半徑，可以方便地控制擺軸擺動角度和對稱性；在擺軸組件中設計有擺動速度傳感器，實時顯示擺動速度。

圖4 磨頭繞工件球心擺動設計方案

磨頭組件通過氣動加載與擺軸組件連接。通過調節水平導向氣缸和垂直導向氣缸的行程和位置，確保珩磨頭的運動軌跡完全落在關節軸承外圈內球面上；通過調節垂直導向氣缸的氣壓來控制珩磨壓力的大小，保證珩磨頭始終穩定緊貼在外圈內球面。其獨特的加載方式具有自動跟隨性，保證了珩磨磨具加載力始終指向球心。珩磨頭組件在擺軸組件的驅動下，繞關節軸承外圈內球面球心作往復擺動。

為實現工件的快速裝卸，提高加工效率，將由主軸、彈簧夾頭拉桿、彈簧夾頭座和彈簧夾頭組成的主軸組件水平設置，采用氣動彈簧夾頭夾持工件，保證了關節軸承外圈的定位精度和裝卸的便捷性。

綜上，該設計方案的珩磨頭可垂直于關節軸承外圈內球面軸線旋轉(γ)，主軸可帶動關節軸承外圈繞內球面軸線旋轉(ω)，擺軸組件可繞關節軸承外圈內球面球心作往復擺動(β)，滿足了球面范成磨削條件。外圈內球面珩磨設計方案中ω，β，γ三參數相互關聯，通過PLC協調控制三參數，使其達到最佳匹配，可以有效保證珩磨頭均勻磨損、工件的均勻磨削和穩定的跟隨性，滿足關節軸承外圈內球面加工精度和表面粗糙度的要求。實際加工后關節軸承外圈內球面圓度和面輪廓度最高可以達到0.003 mm，圓跳動最高可以達到0.005 mm，表面粗糙度Ra的值最高可達0.02 μm。

4 結束語

改進設計的關節軸承外圈內球面珩磨方法，完全符合球面范成原理。該內球面珩磨方法，不僅可用于珩磨小球徑內球面和外球面，更換珩磨模具也可用于大球徑內球面和外球面工件的磨削，替代了傳統的研磨，解決了傳統精密研磨的清洗問題、壓砂效應和表面變質層問題等，提高了加工效率，節省了研磨劑，且磨屑易清洗、少污染，節能又環保。