大型精密軸承套圈的硬車加工

曹保亮，王素保，肖愛民

(新鄉(xiāng)日升數(shù)控軸承裝備股份有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453700)

隨著科技的發(fā)展，對(duì)大型、特大型軸承精度的要求也越來越高，公差等級(jí)要求達(dá)到P5,P4的范圍越來越廣，部分產(chǎn)品甚至要求達(dá)到P2。通常情況下，大型軸承在機(jī)械加工方面主要依靠數(shù)控立式車床和立式磨床，由于受一般數(shù)控立式車床加工精度限制，磨加工工序的留量較大，磨削時(shí)間較長(zhǎng)，效率不高。隨著高硬度刀具的研制應(yīng)用，在許多冷加工中，磨削可以被某種幾何形狀刀具的車削所取代，文獻(xiàn)[1]介紹的軸承套圈硬車加工，工件表面粗糙度Ra為0.31 μm，圓度為2.4 μm。

文中介紹了采用高精度的數(shù)控立式車床CXK5225WP加工軸承套圈的方法，其能夠加工直徑不大于2 500 mm，高度不大于700 mm的軸承套圈，精車后工件表面粗糙度Ra≤0.4 μm，最終使成品軸承套圈幾何精度滿足P5，P4要求。

1 CXK5225WP立式車床結(jié)構(gòu)及主要特點(diǎn)

高精度數(shù)控立式車床CXK5225WP基礎(chǔ)構(gòu)件采用高強(qiáng)度、精密鑄鐵件，運(yùn)動(dòng)部件如鞍座、滑枕等，均經(jīng)過靜態(tài)力學(xué)和動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，提高了一次設(shè)計(jì)成功率。

1.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.1.1 高剛度、高旋轉(zhuǎn)精度工作臺(tái)

數(shù)控立式車床CXK5225WP工作臺(tái)底座結(jié)構(gòu)如圖1所示。其采用超精密、低能耗推力向心組合圓錐滾子軸承，不同于一般的靜壓圓導(dǎo)軌+主軸軸承的主軸結(jié)構(gòu)，該軸承額定動(dòng)載荷遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于工作載荷(C/P值最小為38.5)，具有高精度、高載荷的特點(diǎn)；超粗主軸、多筋板底座為旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)提供了高剛度平臺(tái)；恒溫潤(rùn)滑系統(tǒng)保證了工作臺(tái)的長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。

1—工作圓臺(tái)；2—齒圈；3—內(nèi)圈壓板；4—基座；5—內(nèi)圈；6—承受徑向力和顛覆力矩的圓錐滾子；7—承受軸向力的圓錐滾子；8—外圈(動(dòng)圈)；9—止推圈；10—?jiǎng)尤喊澹?1—底座圖1 工作臺(tái)底座結(jié)構(gòu)

推力向心組合圓錐滾子軸承由內(nèi)圈、承受徑向力和顛覆力矩的圓錐滾子、承受軸向力的圓錐滾子和外圈(動(dòng)圈)組成，其內(nèi)徑為1 090 mm，外徑為1 330 mm，寬度為112 mm，軸向動(dòng)載荷大于5 000 kN，徑向動(dòng)載荷大于2 600 kN，具有很高的承載能力。通過內(nèi)圈壓板對(duì)軸承進(jìn)行預(yù)緊安裝，預(yù)緊力為200 kN，預(yù)緊力由軸承內(nèi)圈壓板和基座吸收，超大的預(yù)緊力使得8 000 kg以下質(zhì)量的零件和切削力對(duì)工作臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)精度幾乎沒有影響。

1.1.2 高剛度橫梁立柱

一般立式車床采用門式結(jié)構(gòu)，雙立柱下端通過螺栓連接在底座側(cè)面，上端在固定橫梁時(shí)通過螺栓連接，升降橫梁懸掛在立柱前側(cè)面。機(jī)床各大件相互獨(dú)立，僅通過螺栓連接，結(jié)合面多，裝配困難，剛度差，精度難以保證。而高精度數(shù)控立式車床CXK5225WP通過簡(jiǎn)化及合并，采用定梁結(jié)構(gòu)，并把橫梁立柱有機(jī)融合為一體，使機(jī)床大件由原來的5件變?yōu)?件，進(jìn)而減少了結(jié)合面。

1.1.3 高精度、高動(dòng)態(tài)相響應(yīng)的進(jìn)給系統(tǒng)

CXK5225WP立式車床進(jìn)給系統(tǒng)采用獨(dú)立于基礎(chǔ)件的滾動(dòng)/滑動(dòng)復(fù)合導(dǎo)軌，既具有滾動(dòng)導(dǎo)軌輕便、高速、無游隙的特點(diǎn)，又有滑動(dòng)導(dǎo)軌減震、高載、抗沖擊的特點(diǎn)，即使在微米范圍內(nèi)進(jìn)給時(shí)，也會(huì)不出現(xiàn)粘滑錯(cuò)動(dòng)效應(yīng)。機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動(dòng)部分采用高剛性滾珠絲杠，并在其兩端施加一定的預(yù)拉伸量，充分克服溫升和撓曲給傳動(dòng)帶來的不利影響。采用高精度光柵尺全閉環(huán)控制，兩軸聯(lián)動(dòng)定位，機(jī)床進(jìn)給精度控制在微米級(jí)，刀架定位精度≤0.003 mm。

1.2 主要技術(shù)指標(biāo)

目前機(jī)床制造業(yè)立式車床精度檢驗(yàn)執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)為JB/T 4116—1996《單柱、雙柱立式車床 精度檢驗(yàn)》，數(shù)控立式車床精度檢驗(yàn)執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)為JB/T 9934.1—1999《數(shù)控立式車床 精度檢驗(yàn)》，以生產(chǎn)直徑為2 500 mm的數(shù)控立式車床為例，依上述標(biāo)準(zhǔn)如果工作臺(tái)端面/徑向跳動(dòng)不大于0.03 mm即達(dá)到合格。但此精度檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)無法滿足硬車加工高精密軸承的需求，因?yàn)楣ぷ髋_(tái)端面/徑向跳動(dòng)過大，被加工套圈將隨工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)一起波動(dòng)，致使其車削后表面粗糙度Ra、徑向跳動(dòng)或壁厚差無法達(dá)到精度指標(biāo)要求。因此，在生產(chǎn)Φ2 500 mm高精度數(shù)控立式車床時(shí)，將精度檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值進(jìn)行壓縮(如端面/徑向跳動(dòng)值壓縮為0.003 mm)，作為企業(yè)內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，以實(shí)現(xiàn)高精度數(shù)控立式車床的硬車功能。

高精度數(shù)控立式車床CXK5225WP主要指標(biāo)為：工作臺(tái)徑向跳動(dòng)小于0.005 mm；工作臺(tái)軸向跳動(dòng)小于0.005 mm；刀架x/z軸定位精度為0.003 mm；刀架x/z軸重復(fù)定位精度為±0.001 5 mm；刀架進(jìn)給單位為0.001 mm；工作臺(tái)轉(zhuǎn)速為1～63 r/min；工作臺(tái)載荷為150 kN。

1.3 適用范圍

高精度立式車床屬于通用機(jī)床范疇，廣泛用于大型精密齒輪和軸承等精密加工領(lǐng)域，加工零件硬度可在55 HRC以上，適用于高速鋼、硬質(zhì)合金刀具、陶瓷刀具及CBN刀具對(duì)黑色金屬、有色金屬和部分非金屬零件的內(nèi)(外)圓柱面、圓錐面及圓弧面的粗(精)加工。

2 加工工藝

以CXK5225WP高精度數(shù)控立式車床加工推力球軸承511/1400/P4軸圈為例，軸圈直徑為1 400/1 625 mm，車削工藝過程為：(1)精車端面基準(zhǔn)面(車后基準(zhǔn)面的端面跳動(dòng)小于0.005 mm)，車軸圈外徑面；(2)翻工件，二次裝卡車上端面1(溝道內(nèi))，轉(zhuǎn)換工件壓板，車上端面2(溝道外)；(3)硬車球形溝道(CBN圓形刀片)，車后溝底軸向跳動(dòng)小于0.005 mm，溝道表面粗糙度Ra小于0.4 μm；(4)精車軸圈內(nèi)徑面。采用該工藝方法，精車后推力球軸承軸圈的壁厚差小于0.01 mm。

某公司使用CXK5225WP高精度數(shù)控立式車床加工一批(10套)風(fēng)力發(fā)電機(jī)變槳軸承內(nèi)圈，工件外徑為1 893.5 mm，寬度為132 mm，精車后的雙桃形溝道表面法向跳動(dòng)全部小于0.005 mm，最小值為0.002 mm(在機(jī)床上測(cè)量)，溝道表面粗糙度Ra小于0.4 μm，完全可以滿足公差等級(jí)P5，P4的要求。

3 硬車加工的工藝特點(diǎn)

(1)加工效率提高。以加工1.5 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)變槳軸承套圈為例，如果采用普通數(shù)控立式車床精車+磨削加工工藝，加工一套軸承所需時(shí)間在18 h以上；若采用高精度立式車床，仍采用精車+磨削加工工藝，只需4.5 h。在同樣的加工精度要求下，加工效率提高4倍。

(2)適合小批量多品種生產(chǎn)。高精度數(shù)控立式車床適合大型精密軸承加工，一片CBN圓形刀片可適合多種球軸承溝道的加工，比起砂輪成形磨削減少了砂輪種類。

(3)生產(chǎn)成本低。以車削1.5 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)變槳軸承套圈為例，一片進(jìn)口CBN圓形刀片(約800元/片)可精車30多件套圈，每個(gè)桃形溝道刀具損耗成本約10元，遠(yuǎn)低于成形金剛石砂輪或其他砂輪的損耗成本。

(4)污染小。相比磨削砂輪損耗的鐵末砂粒，車削下來的鐵屑處理更加方便，可回收利用，環(huán)境污染更小。

4 結(jié)束語

使用高精度數(shù)控立式車床硬車加工大型軸承的工藝方法，加工效率高、成本低，傳統(tǒng)工藝無法與之相比擬。隨著高精度數(shù)控立式車床產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)，可以用一臺(tái)高精度數(shù)控立式車床代替以往的一臺(tái)立式車床、多臺(tái)立式磨床的生產(chǎn)配置方案，降低工廠建設(shè)費(fèi)用，經(jīng)濟(jì)效益顯著。