數(shù)控關(guān)節(jié)軸承外球面范成磨床

王素保，常美莉

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

目前關(guān)節(jié)軸承和角接觸關(guān)節(jié)軸承的內(nèi)圈外球面磨削通常是在數(shù)控軸承內(nèi)圈磨床上采用切入磨削的方法進(jìn)行加工，切入磨削的球形誤差較大且表面粗糙；由于外球面無法超精，只能拋光或配研，因此加工效率低。為此研制了一種采用范成法磨削外球面的專用磨床，其主要適用于球面軸承的外球面滾道磨削，可以降低工件表面粗糙度值，減小球形誤差。

1 范成磨削加工原理

由幾何原理可知，任意一平面與一個球體相切，其相交的軌跡必是小于或等于球體直徑的圓。關(guān)節(jié)軸承外球面范成磨削原理如圖1所示，砂輪端面上一個旋轉(zhuǎn)圓周總可以從各個方面吻合于一個半徑等于或大于這個圓周半徑的任意球面，同理，將一個圓以一定的方式運(yùn)動，而得到的是某一球面。范成磨床磨削滾道的表面形狀是以杯形砂輪端面與滾道表面接觸磨削而形成的。由圖1可知，范成磨床磨削應(yīng)具備的條件是：砂輪軸中心線與工件軸中心線必須在同一水平面上相互垂直且相交于工件中心；工件的中心平面垂直于工件軸中心線。磨削時，工件作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，砂輪除高速旋轉(zhuǎn)外，沿砂輪旋轉(zhuǎn)軸中心線作橫向進(jìn)給運(yùn)動，砂輪端面與磨削部分吻合于被加工表面，成為一個球面環(huán)，滾道磨削后的球面呈交叉弧線，表面質(zhì)量高。

圖1 范成磨削原理

2 性能參數(shù)

磨床可加工工件為：內(nèi)徑20～100 mm，外徑30～150 mm，寬度16 ～ 70 mm；工件軸轉(zhuǎn)速為0～750 r/min，無級可調(diào)；生產(chǎn)節(jié)拍為20～40 s/件；磨削后工件外球面粗糙度Ra≤0.2 μm。

3 機(jī)床結(jié)構(gòu)

磨床采用橫向磨削布局，如圖2所示。其主要由床身、工件軸及定心裝置、砂輪軸、修整器、進(jìn)給機(jī)構(gòu)、電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和整體防護(hù)罩等組成，機(jī)、電、氣、液高度統(tǒng)一。

1—床身；2—工件拖板；3—工件箱；4—修整器；5—回轉(zhuǎn)油缸；6，8—伺服電動機(jī)；7—磨頭拖板；9—磨頭座；10—杯形砂輪；11—彈性脹套；12—定位芯軸；13—工件

3.1 工件軸及定心裝置

工件軸為套筒式結(jié)構(gòu)，前后各有2套角接觸球軸承支承，彈簧預(yù)緊。套筒式工件軸安裝、維修方便。工件采用定位芯軸和彈性脹套相結(jié)合的定位方式。脹套的脹緊和松開依靠安裝在工件軸上的回轉(zhuǎn)油缸控制，通過二位四通轉(zhuǎn)閥控制油缸伸縮。當(dāng)油缸伸出時，芯軸將脹套松開，可取出工件；當(dāng)油缸縮回時，將工件夾緊，工件軸帶動工件旋轉(zhuǎn)進(jìn)行磨削。工件箱可在工件拖板上作0～30°旋轉(zhuǎn)，用于磨削不同的角接觸關(guān)節(jié)軸承套圈外球面。

3.2 砂輪軸

砂輪主軸在磨削過程中對工件的加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率產(chǎn)生直接影響，應(yīng)具有較長的壽命、較高的精度和足夠的剛度。該機(jī)床砂輪軸采用高精度、大功率、高剛度GDZ系列電主軸，可實(shí)現(xiàn)60 m/s高速磨削。

3.3 砂輪選擇及修整器

范成磨削外球面時采用的是杯形砂輪，砂輪直徑B大于工件寬度A，砂輪結(jié)合劑采用樹脂，磨削時不需修整，砂粒即會自然脫落。但為了使杯形砂輪始終用同一大小的環(huán)形面與工件球面接觸，同時減小砂輪與工件的接觸面積，減小砂輪的磨削力，當(dāng)砂輪磨損時，可用修整器修整。修整器采用金剛筆單點(diǎn)插補(bǔ)修整法，從C點(diǎn)到E點(diǎn)為直線修整，從E點(diǎn)到D點(diǎn)為插補(bǔ)修整，修整后采用砂輪E點(diǎn)處的圓環(huán)面磨削工件，加工后工件表面為均勻的網(wǎng)狀花紋。砂輪修整金剛筆的空間定位點(diǎn)、形狀可通過兩個伺服電動機(jī)控制，伺服電動機(jī)具有空間定位記憶功能，可以實(shí)現(xiàn)定程進(jìn)給磨削，精確控制工件尺寸。

3.4 進(jìn)給機(jī)構(gòu)

機(jī)床的精度和精度保持性取決于導(dǎo)軌和進(jìn)給系統(tǒng)，該磨床采用十字交叉滾子導(dǎo)軌, 為定位精度及持久性奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。進(jìn)給機(jī)構(gòu)采用伺服電動機(jī)驅(qū)動，通過精密滾珠絲杠、螺母帶動工件拖板前后運(yùn)動，用于控制工件的前后位置和修整器金鋼筆的修整位置；另一伺服電動機(jī)帶動磨頭拖板前后運(yùn)動，磨頭拖板再帶動杯形砂輪前后運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)工件和砂輪的進(jìn)給。采用雙伺服電機(jī)驅(qū)動的拖板，進(jìn)給精度和重復(fù)定位精度都非常高。

3.5 電氣系統(tǒng)

機(jī)床采用全自動化控制的電氣系統(tǒng)，具有完整的屏幕顯示及預(yù)置調(diào)整開關(guān)等控制裝置，可實(shí)現(xiàn)定程磨削，對磨削過程進(jìn)行自動控制，操作簡便，將人為操作的不穩(wěn)定因素減少到最低程度。

4 使用效果對比

4.1 表面粗糙度

范成磨削時，杯形砂輪磨削外球面，砂輪的整個圓環(huán)均參與磨削，能夠彌補(bǔ)砂輪某一處砂粒缺陷導(dǎo)致加工表面粗糙度差的問題，而且采用的樹脂結(jié)合劑砂輪，磨粒脫粒快，加工后表面粗糙度Ra≤0.2 μm。傳統(tǒng)的切入磨削方法, 由于修整器修整時砂輪表面的不平度直接反映到加工工件上，因此，工件表面粗糙度Ra≥0.4 μm。

4.2 球形誤差

范成磨削利用自磨原理，砂輪的形狀不影響球形，不管工件、砂輪尺寸如何，磨削后工件形狀始終為球形，因此球形誤差小(2 μm)。切入磨削采用環(huán)形砂輪，通過圓弧修整器將砂輪修整成與工件球面形狀一致, 球形誤差與修整器的關(guān)系很大，另外，工件球面尺寸差的大小將直接影響到球形誤差，因此球形誤差較大(4 μm)。

數(shù)控關(guān)節(jié)軸承外球面范成磨床，不但可以加工關(guān)節(jié)軸承和角接觸關(guān)節(jié)軸承的外球面，而且也可用于各種球閥的加工，球形誤差和表面粗糙度比傳統(tǒng)切入磨削提高一倍以上。另外，該機(jī)床采用了修整器修整砂輪，可以精確控制工件尺寸。