調心軸承外圈立式車磨復合機床的設計

陳維范，薛丹

(1.遼寧裝備制造職業技術學院機械工程學院，遼寧沈陽 110161；2.沈陽機床股份有限公司，遼寧沈陽 110142)

0 前言

軸承作為工業中一種常用的零件，要求具有較高的精度。滾動軸承一般由外圈、內圈、滾動體、保持架組成。軸承外圈的加工工藝一般為：模鍛→退火→粗車→淬火→粗磨→精磨→終磨。

在淬火后的軸承外圈加工過程中，磨削加工所占比重較大。大型軸承套圈的加工總工時中，磨削加工約占60%，然而磨削加工的低效率嚴重制約了生產效率的提高。隨著機床制造技術的發展、超硬材料刀具的運用以及磁力吸盤的出現，使得淬火后的軸承外圈加工以車代磨成為可能。

硬車削是指把淬硬鋼的車削作為最終加工或精加工的工藝方法，是一種低碳、環保、節能的加工方式。硬車采用立方氮化硼刀具、涂層硬質合金刀具或陶瓷刀具等。采用硬車代替粗磨加工,通過數控硬車加工時大的切削深度和高的工件轉速使車削產生的大部分熱量都隨切屑帶走,避免磨削加工時表面燒傷和裂紋的產生。美國鐵姆肯公司的MATSUMOTO等研究表明軸承套圈采用以車代磨可以改善軸承套圈的金相組織和應力狀態。國內一些軸承制造企業軸承套圈粗磨工序已實現以車代磨，但是精磨、終磨工序還需要在磨床上完成。

根據某用戶的要求，在原有能夠滿足軸承外圈硬車加工精度的立式數控車床基礎上，設計調心軸承外圈立式車磨復合數控機床(以下簡稱為車磨復合機床)。車磨復合機床能夠將淬火后軸承外圈粗磨用硬車代替，將精磨由原來在磨床上加工改為在車床上完成，精磨加工也在同一臺數控機床上完成。這樣，經過一次裝夾即可完成外圈3個面的加工，僅有滾道終磨需要在磨床上完成。車磨復合機床在滿足軸承外圈加工精度的同時，生產效率得到顯著提高。

1 軸承外圈的裝夾方式及磨削原理

1.1 電磁吸盤裝夾軸承外圈

由于軸承外圈屬薄壁零件，采用傳統的方式裝夾軸承外圈時，因徑向受力會導致變形，從而影響加工精度。采用電磁吸盤吸持軸承外圈時，只有軸承一個端面承受吸力，徑向無變形，可以消除上述缺陷。另外，經過一次裝夾就可實現多面加工，避免重復裝夾定位造成的誤差。

如圖1所示，磁力吸盤體采用可靠的電永磁原理，磁力吸盤的磁力大小分檔可調，最大磁盤吸力為160 N/cm，即使意外斷電磁力也不會消失，仍可保證工件可靠吸緊。磁力吸盤體上安裝導磁塊，確保磁力不變的情況下滿足軸承外圈的三面一次性加工。

圖1 電磁吸盤

在立式數控車床上，軸承外圈利用電磁吸盤吸持進行硬車加工時的工藝參數為：最大切削深度0.25 mm，進給量0.8 mm/r；加工精度表面粗糙度為0.4 μm，圓度0.5 μm，圓柱度10 μm，壁厚差小于25 μm。

丁紅漢等研究表明：電磁吸盤吸持工件時，基準面的平面度誤差越小，精密硬車加工所得到工件溝道的圓度誤差就越小。因此，軸承外圈在電磁吸盤吸持前，需要對定位面進行精加工。

立式數控車床采用電磁吸盤裝夾軸承外圈時，可在刀盤的一個刀位上安裝V形塊實現粗定位，如圖2所示。在安裝軸承外圈時，將安裝V形塊的刀位轉至電磁吸盤的上方，將軸承外圈靠在V形塊上即可實現粗定位，然后利用千分表精確找正。

圖2 軸承外圈在立式機床上的定位

1.2 調心軸承外圈滾道范成法磨削原理

范成法磨削采用的是一種超短軸。范成法磨削時，調心軸承外圈作旋轉運動，砂輪除旋轉外，還沿著砂輪旋轉軸線作橫向進給運動。磨削后滾道表面成交叉弧面，因此可以降低加工后表面粗糙度。范成法調整簡單、操作容易，磨削中溝道和砂輪的接觸面積相對于其他方法較小，磨削時所產生的熱量較少，不易產生燒傷及裂紋。

如圖3所示，在磨削時，機床刀盤帶動磨頭1進入軸承外圈2孔內，調心軸承外圈軸線-與機床主軸軸線重合且與磨頭軸線-在同一個平面內垂直，-與-的交點與軸承滾道球心重合。加工時，軸承外圈以角速度繞-旋轉；杯形砂輪以角速度繞-軸旋轉的同時以速度沿砂輪軸線-作直線進給運動。由杯形砂輪的端面完成對軸承外圈滾道的磨削。利用此方法可保證調心軸承外圈滾道具有較高的加工精度。

圖3 范成法磨削原理

2 調心軸承外圈結構與加工工藝分析

在車磨復合機床上加工調心軸承外圈毛坯如圖4(a)所示，調心軸承外圈淬火處理，硬度60～66HRC；外圓直徑361.4 mm±0.05 mm，表面粗糙度為3.2 μm，圓倒角半徑為8 mm；調心軸承外圈滾道球半徑為169.3 mm±0.025 mm，最大直徑為320.55 mm±0.05 mm，圓倒角半徑為4 mm，表面粗糙度為3.2 μm；調心軸承外圈寬度為118.2 mm±0.05 mm；一個端面表面粗糙度為0.4 μm(基準面)，另一端面的表面粗糙度為3.2 μm。

圖4 調心軸承外圈

為避免電磁吸盤磁力對調心軸承外圈加工精度的影響，在車磨復合加工前，需對軸承外圈一個端面進行精磨加工，以此作為車磨復合加工的基準面。該基準面的粗糙度為0.4 μm，平面度誤差小于0.005 mm。

加工時，采用電磁吸盤吸持調心軸承外圈基準面，即粗糙度為0.4 μm的端面。硬車工序的加工余量：外圓單邊余量0.7 mm，一個端面0.2 mm(另一端基準面不需加工)，滾道單邊余量0.7 mm；滾道精磨單邊余量0.1 mm。

3 立式車磨復合機床的設計

3.1 車磨復合機床總體結構

車磨復合機床結構如圖5所示。主機采用立式數控車床結構，該機床剛性好、扭矩大，能夠滿足軸承套圈硬車加工精度要求。在此基礎上，增加調心軸承外圈滾道磨削功能，形成車磨復合機床。

圖5 車磨復合機床結構

機床主電機5的功率為22 kW，床身上最大回轉直徑800 mm，最大車削長度600 mm。主軸1安裝在底座2上，帶動吸持在電磁吸盤3上的軸承外圈4作旋轉運動。立柱12固定在底座2的后上端。軸伺服電動機10通過滾珠絲杠驅動大滑板9沿固定在機床立柱上的導軌上下移動。軸電動機14驅動小滑板8沿著固定在大滑板9上的導軌左右移動。立式伺服刀架7固定在小滑板8上，實現軸和軸進給運動。該機床采用水冷卻和液氮兩種冷卻方式，液氮裝在氮氣瓶13中。平衡缸11和氮氣補給系統13平衡大滑板9上的組件質量。磨削機構6安裝在立式伺服刀架7的一個刀位上。

3.2 磨削機構

刀盤結構如圖6所示。立式伺服刀架7安裝在小滑板5上。在立式伺服刀架7上安裝3個刀夾6、V形定位塊4、彎板3；在彎板3上安裝變頻電機2和磨頭12，變頻電機2通過多楔帶傳動機構1磨頭將動力傳給磨頭12，磨頭12前端安裝杯形砂輪11。由于變頻電機2與立式伺服刀架7一起旋轉，為避免變頻電機電源線發生纏繞現象，在機床伺服刀架設有用于避免電源線發生纏繞的導電環9，導電環9的兩轉動體分別通過固定板10和支架8固定在立式伺服刀架7和小滑板5上。

圖6 刀盤結構

車磨復合機床采用卸荷式磨頭，如圖7所示。磨架前端安裝杯形砂輪，變頻調速電動機(功率3 kW)經帶傳動機構帶動杯形砂輪旋轉，杯形砂輪轉速為90～5 000 r/min。卸荷式磨頭皮帶的拉力由卸荷皮帶輪14通過花鍵套16經壓蓋支架11傳遞到磨頭箱體9上，再由磨頭箱體傳遞到機床上，砂輪軸不再受皮帶的拉力作用。卸荷皮帶輪結構避免了由于皮帶傳動產生的抖動和拉力傳遞到砂輪軸1和杯形砂輪5上，提高了杯形砂輪5范成法磨削調心軸承外圈滾道的質量。

圖7 卸荷式磨頭結構

調心軸承外圈滾道范成法磨削要求磨頭整體結構進入軸承內孔。因此，磨頭需要足夠短，這就要求磨頭整體結構簡單緊湊。在角接觸球軸承24和角接觸球軸承22之間用隔套8和隔套23隔開，根據磨頭需要的尺寸，確定中間隔套的尺寸。

在車磨復合機床上，通過一次裝夾即可實現對調心軸承外圈1個端面、外圓表面和滾道3個面的硬車以及外圈滾道的精磨加工。僅有終磨工序在另一臺機床上完成，提高了生產效率。

4 結語

對調心軸承外圈在立式機床裝夾方式及范成法磨削原理進行了分析；根據用戶的要求，在立式數控車床的基礎上，設計了用于調心軸承外圈加工的立式車磨復合機床。軸承外圈采用電磁吸盤吸持，利用刀盤上安裝的V形塊進行粗定位，再利用千分表精確定位；對淬火后的軸承外圈外圓表面、一個端面和滾道面進行硬車。設計卸荷式磨頭，利用彎板安裝在刀盤的一個刀位上，利用范成法對淬火后的調心軸承滾道進行磨削。僅有軸承外圈滾道的終磨工序需要在另一臺機床上完成，降低了生產成本，提高了生產效率。