PK型保持架兜孔拉削裝置的設計

鐵曉艷，張振潮，侯喜林，徐禹田，侯亞新

(1.洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039；2.河南省高性能軸承技術重點實驗室，河南 洛陽 471039；3.滾動軸承產業技術創新戰略聯盟，河南 洛陽 471039；4.恩梯恩LYC(洛陽)精密軸承有限公司，河南 洛陽 471039)

為配合航空航天技術對所用軸承性能的要求，充分適應特定工作環境，對軸承的結構、材料、加工精度、配合精度等多方面進行了改進，其中，保持架加工精度對提高軸承整體性能起著不容忽視的作用。

1 PK型保持架結構及技術要求

某滾針軸承用PK型保持架結構如圖1所示，保持架材料為40CrNiMoA，保持架兜孔技術要求見表1[1]，該保持架加工的一個重要工序為拉削兜孔。由于保持架材料硬度較高，切屑易粘刀，拉削后兜孔表面質量達不到要求。因此，對保持架兜孔拉削裝置進行了重新設計改進。

圖1 PK型保持架結構

表1 PK型保持架兜孔精度要求

2 兜孔拉削裝置設計方案

參考文獻[2]的分析思路，針對PK型保持架兜孔設計的拉削裝置如圖2所示，其主要包括傳動系統、工件支承機構、工件夾緊機構以及上下料機構等。通過伺服電動機驅動傳動系統，借助蝸輪蝸桿實現擺動分度運動，由電氣控制工件的支承與夾緊，從而實現兜孔拉削裝置的全自動工作循環。兜孔拉削裝置主參數見表2。

圖2 PK型保持架兜孔拉削裝置設計方案

表2 拉削裝置主參數

3 機械結構

3.1 傳動系統與工作循環

傳動系統主要包括3個部分：一是主傳動，由伺服電動機和傳動軸組成，實現主傳動的傳動，驅動鏈傳動；二是進給運動，由刀具驅動軸、導軌座、直線導軌和拖板等組成，實現拉刀的進刀運動；三是分度擺動，包括由分度軸、凸輪、連桿和連接桿實現分度的擺動運動，以及由齒輪、齒條機構實現分度的滑動運動。

傳動系統如圖3所示，其工作機理為：伺服電動機驅動主傳動軸旋轉，主傳動軸上裝有鏈輪Ⅰ和鏈輪Ⅱ，通過鏈傳動Ⅰ帶動分度軸旋轉，凸輪機構將直線運動傳遞給蝸輪，進而通過蝸輪蝸桿運動傳遞旋轉分度；主傳動軸通過鏈輪Ⅱ帶動刀具驅動軸，通過搖桿機構將旋轉運動傳遞給拖板，從而借助滾動直線導軌實現直線運動，完成拉刀的進給運動。

圖3 傳動系統簡圖

該裝置的工作循環包括計數沖孔循環和角度擺動循環，分別促使拉刀進行孔加工循環運動和促使齒輪進行角度擺動循環運動，其氣動循環如圖4所示。

圖4 氣動循環簡圖

3.1.1 主傳動

主傳動的傳動軸為整個機械運動的驅動軸，整體安裝在床身內，通過電動機帶動帶輪使得傳動軸旋轉，傳動軸通過鏈輪將運動傳遞出去，傳動軸結構如圖5所示。通過雙齒鏈輪分別傳遞動力給刀具驅動軸和分度軸，實現同一動力源，不同轉速形成的不同動作；而且，在主傳動軸的右端設計手輪離合器I，并配以手輪，以便實現自動和手動操作相互配合。

3.1.2 進給運動

進給運動即拉刀拉削運動，刀具驅動軸驅動拉刀進給，拉刀拖板由傳動軸-鏈傳動-曲柄滑塊機構實現進給運動,可通過調節曲柄滑塊的位置來控制拉刀拖板的進給行程。刀具驅動軸結構如圖6所示。主軸箱外側即刀具驅動軸的右端設計有指示盤，以此判斷和確認軸的轉角和搖桿擺動的行程，體現出拉刀的往復動作位置，拉刀行程最遠處為180°，最近處為0°或360°。

圖5 傳動軸結構

圖6 刀具驅動軸結構

拉刀進刀機構(圖7)由螺桿、進給拖板、拉刀等組成，其結構緊湊，定位精度高。其中，進給拖板采用閉式滑動直線導軌，剛性好，摩擦阻尼小，導軌運動精度高。另外，拉刀往復拉削行程可通過調節螺桿的進給量調節，可調范圍為30～90 mm。

圖7 拉刀進刀機構簡圖

3.1.3 分度擺動機構

分度擺動機構是保持架兜孔進行循環拉削的基礎，包括分度和擺動兩部分。

分度軸通過凸輪產生滑動運動，實現分度，其是傳動軸和擺動運動之間的紐帶，結構如圖8所示。

圖8 分度軸結構

分度擺動機構的結構如圖9所示，其工作原理為：以凸輪作為驅動源，通過連接桿擺動促使齒條產生滑動，從而通過齒輪齒條機構實現分度擺動的運動。齒輪齒條結構簡單，傳動穩定。通過調節豎導軌相對于豎拖板的位置，決定連桿的擺動角度，從而得到齒條左右水平的運動行程，最終選取適合工件兜孔間隔的分度齒輪的擺動角度。等分旋轉機構能實現10～30間任意整數等分且可以調節。

圖9 分度擺動機構

3.2 工件支承機構

工件支承機構(圖10)支承保持架處于穩定的加工位置以及更換工件。支承主要依靠芯軸，更換工件主要依靠氣缸帶動過渡軸和芯軸一起完成。

圖10 工件支承機構

3.3 工件夾緊機構

工件夾緊機構(圖11)主要是確保加工過程中工件位置的準確性，通過氣缸、頂軸實現工件的夾緊，可通過調節螺桿來調整夾緊機構的行程。

圖11 工件夾緊機構

3.4 自動上下料機構

自動上下料機構如圖12所示，由隔料氣缸、頂料氣缸和送料氣缸3個氣缸實現。當隔料氣缸控制隔料桿釋放一個工件，壓料氣缸輕壓工件，以確保工件處于正確的位置，而后送料氣缸運動將工件送至加工位置。

3.5 關鍵技術說明

1)電磁離合器和制動器互鎖，離合器在離合狀態時制動器才能制動，即離合器通電時，制動器不能通電。

2)凸輪設計要合理，安裝凸輪時，應考慮拉刀所在位置，合理選配凸輪拉簧，使拉力可靠。

3)安裝時需考慮拉刀位置和分度撥爪位置之間的相互關系。

4)齒輪分度有死點位置，需用“死檔”控制分度齒輪順時針轉動的角度。在齒條安裝導軌上有2個壓簧，合理選配壓簧，使拉壓力可靠。

5)工件落至初始位置，觸發接近開關，提示有料，才會開始之后的動作循環，否則會自動報警。加工完成的工件，夾緊軸和支承軸會一起退出，同時料倉門打開，撥爪松開，工件落入接料盒中，感應接近開關，計數器計數，倉門關閉。撥爪在撥動狀態下，料倉門不能打開。

圖12 自動上下料機構

4 控制系統

4.1 電氣控制

兜孔拉削裝置電氣控制系統主要由FX3GA可編程控制器、GXO3501觸摸屏、交流調速系統和繼電器等組成。PLC輸入采集信號經邏輯判斷、數據運算后，按照預定程序作相應輸出，完成整機的手動調整操作和自動磨削操作；PLC通過編程通信口和人機界面進行通信，完成人機之間的數據、信息交換。人機界面的觸摸屏提供操作菜單，設置機床各種運行模式和參數；顯示機床各種運行數據、自動運行的過程和實時運行狀態；查詢有關運行開關(I/O)的狀態；窗口顯示機床異常報警內容。VFD系列變頻器控制驅動電動機的啟動和工作。繼電器控制和保護電動機的啟停動作。如圖13所示為自動運行、動作調整、參數設置、報警信息的操作界面。圖13c中參數設置的含義與設置范圍見表3。

4.2 動作循環

操作面板上設有手動與自動轉換旋鈕，機床處于自動運行時，不能切換模式及畫面。手動調整模式下，進入到其他畫面，操作模式不變，仍為手動調整狀態。自動循環工作時，裝置需滿足：冷卻啟動，驅動電動機啟動，離合器不離合，制動器不制動，擋料在前位，送料在后位，芯軸在后位，螺牙氣缸執行壓動作，壓料在后位，拉刀回零，手輪罩關閉，防護門關閉，裝置有料等幾個條件。拉削裝置循環動作流程如圖14所示。

圖13 控制系統操作界面顯示

表3 各參數含義與設置范圍

圖14 拉削裝置循環動作流程圖

5 改進效果

根據GB/T 28268—2012《滾動軸承 沖壓保持架技術條件》，結合要求和實際情況，將保持架兜孔表面質量和兜孔平行度作為該拉削裝置的檢驗指標，要求兜孔表面粗糙度Ra≤1.2 μm，兜孔平行度Vhc≤0.03 mm(每10 mm)。

隨機挑選一批經改進拉削裝置后加工的PK型保持架，任意選取3個保持架，并分別標記，隨機測量每個保持架5個兜孔的表面粗糙度和平行度，記錄相關數據見表4。由表可知， 改進拉削裝置后，保持架兜孔表面粗糙度和平行度遠低于指標數值，符合保持架兜孔精度要求。

表4 PK型保持架兜孔檢驗數據

6 結束語

為提高滾針軸承用PK型保持架兜孔的加工精度，設計了一種保持架兜孔拉削裝置，其僅用一個動力源，通過純機械鏈傳動，結合凸輪機構、蝸輪蝸桿機構，采用控制性高的電氣控制，從而實現了保持架兜孔拉削。經隨機樣本檢驗，兜孔表面精度得到較大改善，工作效率提高，該裝置已應用于車間生產。