一種外球面球軸承座數控復合加工機床

王志偉,代思潔,安德生,楊志強，賈玉浩

(1.上海旋格自動化設備科技有限公司,上海 202150;2.新鄉市福晟機械有限公司,河南 新鄉 453000;3.河南良正機械有限公司,河南 新鄉 453006)

1 概述

外球面球軸承座內徑面與軸承外徑面配合，兩者之間具有自調心功能。隨無心磨削技術的發展，外球面球軸承外徑面加工精度已達到較高水平，但軸承座內徑面加工精度仍較低[1-5]，軸承座主要加工部位如圖1所示，包括球面孔、油槽和注油孔。軸承座內徑面與軸承外徑面精度不匹配，會產生以下問題：1)球面不吻合，潤滑脂泄漏，泥土、灰塵、水分等容易進入，影響軸承使用壽命和工作性能；2)尺寸散差大，軸承外徑面與軸承座內徑面通用性和互換性差；3)球面輪廓誤差大，配合時零件易變形，影響其自調心功能。

圖1 外球面球軸承座加工位置示意圖

現有外球面球軸承座加工設備以兩軸聯動插補數控車床為主流，存在以下不足：

1)滾珠絲杠間隙、兩伺服軸慣量不匹配影響軸承座球面輪廓度，要保證較高的加工精度，成本較高。

2)兩軸插補時刀具幾何形狀誤差影響加工輪廓，導致誤差復映。

3)工件旋轉，無法實現鉆孔、攻絲復合加工，自動上、下料困難，工序分散，占地面積大。

4)自動化程度低。

針對上述問題，開發了一種外球面球軸承座數控復合加工機床。

2 數控復合加工機床結構

2.1 整體結構

外球面球軸承座數控復合加工機床采用模塊化設計，主要由床身、主軸箱、鏜頭體(含鏜刀伺服推拉機構)、鉆攻單元、工件拖板伺服進給機構(含工件夾具)等組成，如圖2所示。通過高強度螺釘將主軸箱安裝在床身上，采用騎縫銷定位，鏜頭體與主軸采用BT50錐柄連接，變頻電動機通過同步帶驅動主軸旋轉，采用高精度套筒式主軸(軸、徑向跳動不超過0.005 mm)，鏜桿機構旋轉精度較高。鉆攻單元固定于主軸箱上，依次為鉆孔機、攻絲機，水平可調整，整體可旋轉45°，滿足偏角度注油孔斜向鉆、攻的需求。通過螺釘將工件拖板固定在床身上，采用銷釘定位，上拖板通過伺服電動機+聯軸器+滾珠絲杠驅動進給，自動夾具具有較高的定位精度(±0.01 mm)和重復定位精度(±0.005 mm)，可依次精準進給至各工位。

1—床身；2—主軸箱；3—軸承座；4—鏜桿機構；5—主軸；6—鏜刀伺服推拉-旋轉轉換機構；7—變頻電動機；8—鉆攻單元；9—桁架機械手；10—夾具；11—上拖板；12—伺服進給機構。

2.2 鏜頭體機構

鏜頭體為核心機構，鏜頭體(圖3)通過主軸和鏜刀伺服推拉機構(圖4)驅動實現鏜刀旋轉+擺動的復合運動以及工件多工位進給。

1—粗鏜刀具；2—拉桿；3—鏜頭體；4—精鏜齒輪；5—半精鏜齒輪；6—撥塊； 7—鏜槽刀具； 8—半精鏜擺動軸承；9—半精鏜刀具；10—精鏜擺動軸承；11—精鏜單元。

1—聯軸器；2—滾珠絲杠； 3—滑座；4—旋轉軸承座；5—鏜刀連桿；6—線規滑塊；7—滾珠絲杠軸承座；8—伺服電動機。

精鏜、半精鏜齒輪分別由精鏜、半精鏜擺動圓錐滾子軸承支承，圓錐滾子磨損后，通過壓緊端蓋可進行二次預緊，從而使刀具保持較高的擺動精度。鏜刀連桿通過拉桿驅動鏜頭體內精鏜齒輪順、逆時針擺動，擺動角度由伺服電動機控制，精鏜齒輪嚙合驅動半精鏜齒輪同時順、逆時針擺動，半精鏜齒輪驅動撥塊，實現鏜槽刀具上、下進給。

鏜刀伺服推拉-旋轉轉換機構由伺服電動機、聯軸器、滾珠絲杠軸承座、滾珠絲杠組成，伺服電動機驅動滾珠絲杠旋轉，帶動滑座前后移動，滑座采用線規滑塊導向，鏜刀連桿通過可旋轉的軸承座安裝在滑座上。鏜刀連桿完成旋轉+前后移動的復合運動。

3 外球面球軸承座的加工

3.1 軸承座的整體復合加工流程

拖板安裝在床身上，上拖板通過伺服進給機構驅動進給，伺服進給機構由伺服電動機、彈性聯軸器、滾珠絲杠組成，支承為十字交叉滾子導軌，具有剛性好，動、靜摩擦因數一致，定位精度高等優勢。夾具安裝在上拖板上，軸承座在夾具上裝夾定位，上拖板在伺服進給機構驅動下，軸承座依次通過各工位。

軸承座進給至注油孔鉆孔工位，鉆孔機完成鉆孔，粗鏜刀具旋轉+軸承座進給完成球面孔粗鏜圓柱黑皮，上拖板進給至鏜槽位、半精鏜位、精鏜位，半精鏜刀具、鏜槽刀、精鏜刀具(攻絲機與精鏜同步)依次對軸承座加工，完成注油孔鉆孔→球面孔粗鏜圓柱→半精鏜球面→鏜油槽→精鏜球面(注油孔攻絲)的復合加工。

3.2 球面孔、油槽的復合加工

通過螺釘鎖緊壓塊將粗鏜刀具安裝在鏜頭體端頭，主軸帶動粗鏜刀具旋轉，伺服進給，完成軸承座圓柱孔的加工(主要去除黑皮毛坯)。半精鏜刀具、精鏜單元至軸承座球面中心，刀具完成旋轉+擺動的復合運動，滿足鏜桿旋轉中心、刀具擺動中心、工件球面中心合一的條件，依次完成球面孔的半精鏜、精鏜。精鏜單元具有尺寸微調功能，可保證球面孔的加工精度。

鏜槽刀具位于軸承座油槽位置，半精鏜齒輪驅動撥塊，鏜槽刀具上、下進給+主軸旋轉的復合運動完成油槽加工。

3.3 注油孔的復合加工

軸承座注油孔一般先在打孔機上鉆孔，再搬到攻絲機上攻絲完成，加工效率低。

數控復合加工機床鉆攻單元如圖5所示，通過螺釘將鉆攻單元安裝在主軸箱上，采用銷釘定位，鉆孔機、攻絲機安裝在滑座上，滑座與橫梁燕尾配合，可水平調整，橫梁與回轉板組合，鏈條安裝在回轉板上，通過鏈輪機構驅動鏈條，以回轉中心為中心可整體旋轉45°，滿足不同角度注油孔的加工。鉆孔機液壓驅動可上、下移動，電動機通過同步帶輪驅動鉆孔機旋轉，鉆頭旋轉+下降實現軸承座注油孔的加工，結束后鉆頭上升。

1—鉆頭；2—支承座；3—回轉板；4—鏈條；5—鉆孔同步帶輪；6—鉆孔電動機；7—鏈輪機構；8—橫梁；9—滑座；10—鉆孔機同步帶輪；11—攻絲機；12—攻絲電動機；13—攻絲電動機同步帶輪；14—絲錐；15—回轉中心。

攻絲機采用導桿式，導桿導程等于絲錐導程，電動機轉速與絲桿導程的乘積為絲錐升降速度，同步帶輪驅動攻絲機導桿，攻絲電動機正轉，絲錐下降攻絲，攻絲電動機反轉，絲錐上升，完成軸承座注油孔絲孔的加工。

3.4 優點及不足

復合加工的優點如下：

1)鏜刀桿集粗鏜、半精鏜、精鏜、鏜油槽刀具于一體，精鏜刀采用精鏜刀頭，具有微調功能，可提高球形和球徑橢圓加工精度。

2)將粗、精工序分開，零件應力得到充分釋放，減小了誤差累積。

3)粗、半精、精刀具分開，提高了刀具使用壽命及球面加工精度。

4)鏜球面孔工位有鉆孔機、攻絲機，一次裝夾即可完成注油孔的加工，且配有自動化裝置，可實現自動上、下料。

5)采用全封閉護罩，可以帶切削液加工，減少了工件發熱導致的加工精度低的問題。

存在的不足及改進方向如下：

1)刀具磨損后，無法同車床一樣通過改變數控系統參數進行刀具補償，需要手工調整精鏜刀頭，操作不便。

2)采用全封閉護罩，鐵粉同切削液混合，切削液需定期更換。

3)由于鏜桿直徑較小，剛性不足，小尺寸軸承座不宜選擇該類加工方式。后期可采用定制精鏜刀頭，減小精鏜刀頭直徑，提高鏜桿剛性。

4)鉆頭側向受力，易折斷。后期可增加導向板，防止鉆頭偏移，提高鉆頭使用壽命。

4 實際加工效果

采用新加工方案后，球形及球徑橢圓加工精度提高至0.01 mm以內，表面粗糙度Ra值從1.6～3.2 μm降低至1.0～1.6 μm，每個刀具加工件數從20～30提高至100，每套軸承加工時間從1.5～2.0 min降低至45～47 s，單人操作臺數從2臺提高至5～12 臺，加工精度及生產效率明顯提高。