端面壓緊機構在微型抗磁軸承磨削中的應用

李兵建,張旭,魏秀軍,陳曦,李鵬飛

(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)

1 存在的問題

端面壓緊機構是指垂直于被加工工件的端面施加作用力,使之可靠定位于基準面上,并隨定位部件穩定運動的機構,定位部件所做的運動包含旋轉運動。在軸承套圈精加工過程中,常用到電磁無心夾具、雙滾輪驅動端面壓緊的壓力轉子機構、液壓/氣壓定心端面滾輪壓緊機構、兩支點定心端面滾輪壓緊機構等定位夾具[1],其中軸承外圓、內圓磨削專用磨床常應用前2種。

電磁無心夾具工作原理如圖1所示,套圈以外徑面和端面為定位基準面, 外徑面依靠前后支承定位,端面依靠機床磁極定位,并利用直流電磁線圈產生磁力,將工件端面吸附在磁極的端面上。當磁極繞其軸心O旋轉時,磁極就迫使工件繞其自身中心O′旋轉,由于兩者有一個偏心量e,于是磁極端面對套圈產生一個旋轉力矩和一個通過O′并垂直于OO′的摩擦合力F,從而使工件獲得穩定的回轉運動[2]。電磁無心夾具的局限性在于被加工工件應為鐵磁性材料。

O—磁極中心;O′—工件中心;e—偏心量;α—支承角;β—兩支承夾角。

雙滾輪夾具由上下滾輪、徑向支承和端面定位板組成,如圖2所示。工作時由同向旋轉的上、下滾輪靠摩擦力驅動套圈旋轉,下滾輪中心與套圈中心同處于y軸上。上、下滾輪的軸心線與套圈的軸心線有一個不同方向的傾角β,保證工件軸向貼緊端面定位板,以獲得高精度的軸向定位[3]。雙滾輪夾具僅用于微型軸承零件內表面的磨削加工。

圖2 雙滾輪夾具工作原理圖

抗磁軸承要求在使用過程中不受外界磁場干擾,具備高耐蝕性、高精度、長壽命等性能,選用的材料通常為鎳基、鈷基類非鐵磁性高合金鋼[4-5],電磁無心夾具和雙滾輪夾具已不能滿足微型抗磁軸承非鐵磁性材料套圈外表面的加工需求,有必要對磨削微型抗磁軸承套圈時的端面壓緊方式進行改進。因此,本文根據現有磨床,創新設計了端面壓緊機構。

2 微型抗磁軸承小外徑面和端面原磨削加工方案

F618/2.5抗磁軸承小外徑面(D面)和端面(M面)是安裝定位基準面和工藝加工基準面,其加工精度要求高,工藝要求如圖3所示。

圖3 小外徑面和端面工藝要求

在對抗磁軸承小外徑面和端面進行磨削加工前,需采用特殊的工藝方案將導磁工裝和套圈粘結在一起,待粘結牢固后方可進行磨削加工,工藝步驟如下：

1)研磨套圈兩端面(A面和C面);

2)研磨導磁工裝兩端面(M面和N面);

3)粘接導磁工裝和凸緣外圈,使導磁工裝和套圈變成一整體可導磁零件;

4)在一定壓力下,壓緊導磁工裝M面和凸緣外圈A面,保證固化后組合零件端面平行差滿足工藝要求,如圖4所示;

圖4 壓裝示意圖

5)按固化工藝完成固化粘接;

6)待粘結牢固后,采用傳統的磨削方式在電磁無心夾具上進行小外徑面和端面的精密磨削加工;

7)在專用的化學溶劑中分離凸緣外圈A面和導磁工裝M面。

8)重復多次粘接、分離,完成批次加工。

通過上述工序完成抗磁軸承套圈小外徑面和端面的磨削加工,進入下一工序。采用該方案可加工出滿足工藝要求的套圈,但由于小外徑面作為后續加工的基準面,需經過粗磨加工、精磨加工和修磨加工,因此,每生產一個批次的產品就必須重復多次粘接、分離,勞動強度大,生產效率低,制造成本高,生產周期長,嚴重制約著生產的批量化。為實現降本增效,縮短生產周期,滿足批量生產需求,工藝創新和效率提升勢在必行。

3 端面壓緊機構的設計

3.1 工作原理

利用連桿機構,通過氣缸的往復運動,帶動固定轉軸總成在一定角度內正反運動,進而帶動端面壓緊機構在軸向產生作用力,壓緊套圈端面,為套圈提供軸向壓緊力。軸向壓緊力通過以下方式控制：1)調節氣缸進氣口壓力;2)通過限位開關實現軸向壓緊力的雙重控制,實現代替電磁線圈產生軸向磁力的目的。

在徑向支承定位方面,前支承采用150°的V形浮動頭,后支承采用65°斜面支承,以便更好地實現套圈旋轉過程中的自調節、自適應功能。在磨削過程中,為避免套圈外徑尺寸的分散造成旋轉過程不穩定,在端面壓緊機構中增加軸向防護機構,保證磨削過程安全可控。在調整端面時,壓緊無心夾具的夾角α,β和偏心量e見表1,磨削原理如圖5所示。

表1 端面壓緊機構無心夾具調整參數

O—磁極中心;O′—工件中心;e—偏心量;α—支承角;β—兩支承夾角。

3.2 各部件功能及安裝

根據微型抗磁軸承外圈工藝要求,設計端面壓緊機構,裝配圖如圖6所示,圖中各零件(圖7)之間的作用和相互關系如下：

(a) 主視圖 (b) C視圖

(a) 工件軸殼體 (b) 氣缸過渡頭 (c) 固定軸安裝板 (d) 連接塊 (e) 固定軸座

1)工件軸殼體如圖7a所示,固定在機床底座托板上,安裝固定軸安裝板。

2)氣缸過渡頭如圖7b所示, 連接氣缸軸和連接塊。

3)固定軸安裝板如圖7c所示,通過螺栓固定連接在工件軸殼體上,左端通過螺栓連接安裝固定軸座,右下端安裝氣缸,為端面壓緊機構提供源動力,氣缸通過氣缸過渡頭和連接塊與固定軸聯動桿連接。

4)連接塊如圖7d所示,與氣缸過渡頭和固定軸聯動桿連接。

5)固定軸座如圖7e所示,通過螺栓連接安裝在固定安裝板上,為固定轉軸總成提供支承架。

6)固定轉軸總成如圖7f所示,通過壓緊固定轉軸固定在固定軸座中,上下對稱安裝,通過正反旋轉帶動壓緊軸總成壓緊或松開工件端面,為機構提供回轉支承,內裝2套圓錐滾子軸承,保證該機構具有足夠的剛性和壽命。

7)固定軸連接板如圖7g所示,一端與固定轉軸總成殼體連接,一端安裝固定軸聯動桿。

8)固定軸聯動桿如圖7h所示,兩端分別與2個固定轉軸總成連接,將氣缸的直線運動轉換為回轉運動;中間與連接塊連接傳遞氣缸直線運動。

9)壓緊軸安裝板如圖7i所示,左端通過固定軸連接板與固定轉軸總成安裝在一起,傳遞回轉運動;右端與軸向調節板連接,通過2個平行滑槽對壓緊軸總成進行粗調整。

10)軸向調節板如圖7j所示,和壓緊軸安裝板連接,上端安裝徑向調整螺釘座,實現壓緊軸總成軸向的精確調整。

11)徑向調整螺釘座如圖7k所示,固定在軸向調節板上,調整壓軸總成的徑、軸向位移,以滿足不同套圈尺寸的定位要求。

12)限位板如圖7l所示,與固定軸連接板連接,調整固定轉軸總成的壓緊極限位置。

13)壓緊軸總成如圖7m所示,作為末端執行機構,右端固定在軸向調節板上,內部安裝一對高精度角接觸球軸承;左端安裝直徑4 mm硬質合金棒,外徑面與套圈端面壓緊并一起穩定旋轉。

14)前支承和后浮動頭如圖7n所示,固定在支承架上,為套圈磨削提供徑向力。

4 實際加工效果

以F618/2.5抗磁軸承為例,采用上述調試好的端面壓緊機構,按工藝要求采用復合磨削的方式加工已粗磨過的500個外圈小外徑面和端面,磨削加工參數見表2。加工完成后,隨機抽取50個外圈(總數量的12%)進行檢測,結果見表3。由表3可知：1)外徑尺寸散差為0.01 mm,其中43#外圈外徑6.032 mm比工藝尺寸最大值大0.002 mm,其余均滿足要求,這是由于合金材料的固有特性,金屬粘結砂輪,致使砂輪切削能力不能夠充分發揮,在磨削過程中可通過增加砂輪修整頻率、增加修整量或插入長修程序進行控制;2)形位公差和表面粗糙度均滿足工藝要求;3)所抽取樣本合格率為98.3%。對于小外徑面的檢測,在終磨小外徑面工序為全部檢測,可避免不合格品的產生。

表3 F618/2.5抗磁軸承外圈小外徑面和端面各項指標檢測結果

改進前、后加工方案對比見表4：新方案縮短了工藝流程,降低了加工難度、勞動強度及廢品率,據統計每加工500個可節省人力、物力成本約5 500元,且生產效率提高了近10倍。

表4 工藝方案對比分析

5 結束語

針對傳統電磁無心夾具和雙滾輪夾具不能滿足微型抗磁軸承非鐵磁性材料套圈外表面加工需求的問題,結合現有磨床設計了端面壓緊機構,實現了代替電磁線圈產生軸向力的目標,通過調整氣缸壓力和限位開關實現了端面壓緊力的精確控制,并通過實際磨削加工驗證了新工藝方案的可行性、合理性。此外,該機構不僅適用于加工可導磁金屬,同樣適用于不可導磁的合金、金屬陶瓷、陶瓷、塑料,且能夠保證加工精度和可靠性。