車磨等分球窩在普通車床上的實現

康紅艷，鮑 莉，王俊峰

(洛陽理工學院 機械工程系,河南 洛陽 471023)

1 問題的提出

對普通機床進行改造以代替購置專用機床，完成專項產品的加工或提高加工效率，既便捷又經濟。在單件小批生產中，選用現有的通用設備，經過適當改造，來完成特殊產品的加工任務，是企業的首選。

球面凹模用在冷沖壓浪形保持架兜孔整形模具上，尺寸規格較多。對保持架球面兜孔的尺寸、位置、粗糙度起決定作用，從而影響到相應球軸承的噪聲和壽命。如圖1所示，球面凹模的端面上均布著n個球半徑為SR、深度為h的球窩。球窩半徑和深度的尺寸精度為H6，表面粗糙度Ra為0.4 μm，需要經過粗加工、磨削、研磨才能保證要求。該零件的品種規格多，批量小，n，SR，h各不相等,應首先考慮在普通機床上加工。擬在普通車床如CA6140上完成球窩的車磨加工。

圖1 球面凹模

2 設計思想

2.1 內球面加工方法及成形原理

內球面加工常用的方法有成形法、軌跡法和展成法。本設計中車球窩用成形法，磨球窩用展成法。展成法磨削內球面的成形原理如圖2a所示，砂輪軸線相對于工件軸線偏轉α角，兩者相交于O點。砂輪端面和球半徑為SR的球面相截，所得的截形始終是一個偏心距為e、直徑為砂輪直徑d的圓。當砂輪和工件繞各自的軸線旋轉時，這個圓繞工件的軸線旋轉形成內球面[1-2]，兩軸線的交點O為球心。砂輪軸線的傾斜角α為：

(1)

圖2 內球面磨削原理

2.2 改造總體思路

設計安裝在車床主軸上的專用夾具，使夾具中心相對于車床主軸的中心偏移一個球窩的中心半徑，將一個球窩的中心置于車床主軸的中心，進行車或磨加工；通過分度機構，將圓周分布球窩的中心依次置于車床主軸的中心，實現一次裝夾多工位加工。粗加工時，刀架不變，用成形車刀車球窩；精加工時，去掉刀架上的小拖板，換上安裝在中拖板上的砂輪主軸，將砂輪主軸座旋轉，使砂輪主軸軸線相對于車床主軸軸線傾斜一定角度，用圓柱砂輪磨球窩。同樣可以用改造后的車床磨圓周分布的直孔，方法是砂輪主軸座不旋轉角度，即砂輪主軸軸線平行于車床主軸軸線。

3 設計內容

3.1 專用夾具的設計

專用夾具結構如圖3所示，夾具安裝和卡盤的安裝類似，通過夾具體左端面和內錐孔在機床主軸定位，用4個螺栓固定在主軸上[3]。

1—夾具體；2—配重塊；3—定位鍵；4—過渡盤；5—分度盤；6—滑塊；7—螺栓；8—環形壓圈；9—壓板

夾具體上的定位槽內裝有滑塊，用滑塊移動來調整偏心距，使球窩中心和主軸中心重合。滑塊上的圓柱面和分度盤的定位孔配合，另一端的方形定位鍵與分度盤的等分槽單面靠緊定位。為了使相同等分的工件可以使用同一個分度盤，在分度盤上裝有過渡盤，通過螺釘與分度盤固定成一體，分度盤用壓板壓緊在夾具體上。工件通過環形壓圈固定在過渡盤上。夾具體上方的配重塊用來平衡偏心夾具旋轉產生的不平衡力。

3.2 刀架改造

3.2.1 總體設計方案

刀架改造的要求是在刀架上增加一套磨削裝置，其主要部件為砂輪主軸。因為球窩直徑不大，為了保證磨削質量，砂輪線速度v要達到20～32 m/s，因此摒棄了傳統的齒輪和皮帶傳動，采用高速電主軸作為動力源[4]。在磨小孔時，砂輪線速度還可以適當降低。

本設計方案是把普通車床刀架上的小拖板去掉，安裝磨削裝置。磨削裝置包括電主軸支座、支座座板、電主軸等。支座底面到主軸中心的高度應實際測繪，以保證砂輪主軸和車床主軸的軸線等高。電主軸安裝如圖4所示，支座座板下面的凸圓柱以小間隙配合(H7/h6)裝在中拖板的定位孔中，支座座板可相對于中拖板任意旋轉，按(1)式計算出的偏轉角α旋轉后，用原來車床上夾緊小拖板轉盤的2個T形螺釘夾緊,這2個T形螺釘裝在中拖板上與定位孔同心的環狀T形槽中。支座座板通過2個定位銷和4個螺釘與支座連成一體，電主軸通過壓緊螺釘固定在支座座孔中。

1—中拖板；2—支座座板；3—支座；4—電主軸；5—T形螺釘；6—壓緊螺釘；7—定位銷

按上述方案可以實現圖2b所示方向的傾斜角度磨球窩，缺點是磨削裝置傾斜后靠近人體，影響視線。為了改善磨削視線，考慮中拖板的行程，可以在中拖板的另一端加工車床上安裝小拖板相似的定位孔和環狀T形槽來安裝磨削裝置，實現圖2a所示的方向傾斜角度磨球窩。

3.2.2 電主軸的選用

電主軸性能的好壞在很大程度上決定了整臺機床的加工精度和生產效率。電主軸的主要工作原理是直接將空心的電動機轉子熱壓在主軸上，電動機定子固定在主軸殼體孔內，形成完整的主軸單元。通電后直接帶動主軸運轉，進行磨削，省去了帶輪或齒輪傳動。本改造設計開發的高速磨削電主軸，極限轉速nmax為36 000 r/min，精度為旋轉主軸左端的軸向跳動和徑向跳動不超過0.003 mm。

對于一般企業，可以先選定合適的砂輪線速度v，再根據磨削的球面直徑范圍確定砂輪的直徑范圍，由砂輪的最小直徑dmin計算電主軸的極限轉速nmax：

(2)

電主軸的極限轉速nmax確定后，結合測繪的刀架空間位置尺寸確定電主軸的外形尺寸，從電主軸生產廠家選擇合適的型號。

3.3 球窩磨削質量的控制

控制球窩磨削質量，可以采取以下措施：

(1)調整機床時，應使砂輪主軸的軸線和車床主軸的軸線等高且平行，否則會造成球面形狀的畸變。可以根據已加工表面的切削紋路即刀紋來判斷，如果切削紋路是單向的，說明兩軸線不等高或不平行。如果切削紋路是交叉網紋，則說明球面形狀正確。

(2)磨削時縱向或橫向移動刀架，使砂輪工作刃通過球窩的中心，通過縱向移動刀架實現砂輪的工作進給。

(3)根據切削紋路和底部凸尖來判斷砂輪工作刃是否通過球窩的中心。砂輪工作刃不通過球窩的中心，會在球窩底部出現凸尖(圖5a、圖5c)。圖5a為砂輪工作刃未達到球窩的中心；圖5b為砂輪工作刃通過球窩的中心；圖5c為砂輪工作刃超過了球窩的中心。

(4)球窩形狀和球半徑尺寸用樣板檢驗，球窩深度和中心徑用專用儀器檢驗，球窩的等分性通過夾具本身的精度和旋轉時單向旋轉始終保持定位鍵和定位槽單側接觸來保證。球窩半徑尺寸不合格時，微調砂輪軸線的傾斜角α或修整砂輪外徑。

(5)可以把砂輪的傾斜角α調整成固定值如45°，這時砂輪直徑應修整為固定值，按d=2SR·sin 45°=1.41SR計算得到。

圖5 球窩磨削的凸尖和刀紋

4 結束語

通過設計安裝在車床主軸上的專用夾具和安裝在中拖板上的砂輪主軸，對普通車床改造，可以實現車磨兩用系列化加工浪形保持架兜孔整形模具的等分球窩。實際應用表明，該方案切實可行，在產品批量不大、購置專用機床不經濟的情況下，對企業具有參考意義。