平面磨床對單葉雙曲面滾輪的修磨加工

張旭，崔靜偉，劉燕娜，宋相霖，魏秀軍

(1.洛陽軸研科技股份有限公司，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)

雙滾輪定位夾緊裝置是套圈磨削中廣泛采用的一種定位夾緊方式，可用于套圈內徑磨削加工及內外溝道超精加工。雙滾輪夾緊裝置包括上下滾輪、軸向定位板及導板。套圈放在兩滾輪之間，由滾輪帶動旋轉；軸向定位板為套圈緊靠的軸向基面；導板起徑向定位支承作用。在套圈勻速旋轉過程中，應保證其在軸向和徑向具有穩定的可靠定位。根據無心磨削原理，上下滾輪的軸線應與套圈的中心線有一傾斜角，以保證套圈軸向緊靠定位面，徑向緊靠導板支承面。由于此傾斜角的存在，滾輪與套圈之間不是線接觸，而是點接觸，使套圈易出現磨削變形而引起圓度誤差等不良影響。為使套圈與滾輪保持線接觸，滾輪外表面不應是圓柱形，而應為單葉雙曲面形。單葉雙曲面滾輪由于形狀復雜須采用數控磨床加工，加工設備具有一定的限制性。因此，通過設計工裝夾具，利用平面磨床加工單葉雙曲面形滾輪，解決了單葉雙曲面滾輪只能在數控磨床上加工的局限性。

1 理論分析

單葉雙曲面方程為

(1)

當a=b時，平行于xOy的平面與(1)式的交點為圓。

當y=a=b時，得到

(2)

(3)

(4)

則(3)，(4)式分別為平面y=a與雙曲面相交的兩條直線，如圖1所示。

圖1 直線切割圓柱面形成雙曲面示意圖

由圖可知，在Oxyz坐標系中，若用(3)，(4)式的直線切割繞z軸旋轉的圓柱面，則切割后形成的曲面應為單葉雙曲面[1]。此時，(3)，(4)式直線與z軸的夾角為θ，θ=±arctan(a/c)，根據套圈尺寸進行計算[2]。利用單葉雙曲面成形原理，若將待磨滾輪的軸線進行旋轉，使其與砂輪的軸線為異面直線，且夾角為θ，利用砂輪磨削加工滾輪的圓柱面，則磨削后的滾輪為單葉雙曲面。

2 單葉雙曲面形滾輪修磨方法

雙曲面滾輪的磨削是套圈磨削加工過程中的關鍵項，正確的雙曲面滾輪能夠使套圈在磨削過程中精確、可靠的定位，無上下、左右的扭動，可以保證套圈的尺寸精度、形位公差和表面粗糙度[3]。

2.1 滾輪在機床上的安裝位置

滾輪為盤類零件，無法直接將其裝夾在平面磨床上進行雙曲面磨削加工，必須借助輔助夾具。在套圈內圓磨床3MZ201DZ和超精溝道機床SF-SL-21AB中滾輪定位夾緊裝置的安裝結構相同，如圖2所示。上、下滾輪與各自皮帶輪同軸安裝，由連接于電動機的鋸齒形皮帶傳動。上滾輪安裝在上支座，通過緊固螺釘將上支座與俯仰裝置連接，可實現上滾輪的抬升與降落，便于套圈的取放。下滾輪安裝在下支座，下支座通過緊固螺釘安裝在機床支座上，下支座上開設的V形槽與基面分別與機床支座上的圓柱面、配合支承面相配合以實現精確定位安裝。

1—上支座；2—上滾輪；3—套圈；4—軸向定位板；5—下滾輪；6—下支座；7，12—緊固螺釘；8—導板支承塊；9—機床支座；10—支承導板；11—上滾輪俯仰裝置圖2 上、下滾輪裝置在機床上的安裝示意圖

2.2 輔助工裝結構及修磨方法

根據上、下滾輪裝置在機床上的安裝結構，設計輔助工裝夾具如圖3所示。利用上、下滾輪在機床上的原安裝裝置，將其安裝在所設計工裝夾具的不同安裝面上進行磨削。夾具的上表面和前表面分別為上、下滾輪裝置的安裝面。上滾輪與鋸齒形皮帶輪通過雙支點支承的方式安裝于機床的上支座上，上支座的壓板上開設3個安裝槽，通過3個螺釘將其定位安裝在輔助工裝的上滾輪安裝面上。下滾輪與鋸齒形皮帶輪通過軸承支承的方式安裝于下支座，下支座上開設的V形槽與基面分別與工裝的下滾輪安裝面上的圓柱面、配合支承面相配合，實現精確定位，并通過3個緊固螺釘安裝在輔助工裝上。上、下滾輪的旋轉運動均由鋸齒形皮帶輪通過傳動帶連接于電動機而驅動。

圖3 滾輪修磨用輔助工裝示意圖

雙曲面滾輪的修磨過程為：平面磨床上找正定位基準面，將磁力表架安裝于基準面上，利用千分表測量輔助工裝夾具基準面與機床基準面之間的差值，調整滾輪軸線與砂輪軸線之間的夾角θ，確定輔助工裝夾具在平面磨床上的位置，利用平面磨床的磁力將輔助工裝固定，使上滾輪軸線與磨削砂輪軸線夾角為θ，通過外置電動機帶動皮帶輪工作，使旋轉的滾輪與磨削砂輪相對運動，實現上滾輪雙曲面的修磨加工。同理，使上滾輪軸線與磨削砂輪軸線夾角為-θ，完成下滾輪雙曲面的修磨。

輔助工裝應具有較高的加工精度，安裝滾輪裝置后應保證滾輪軸線與模具基準面的平行度和垂直差。滾輪軸線與磨削砂輪軸線的夾角θ根據套圈的尺寸進行計算，修磨后上、下滾輪的直徑應相等，以避免磨削套圈時出現非勻速轉動，導致圓度超差等不良現象。利用此輔助工裝對滾輪雙曲面進行磨削時，只需將滾輪支座直接安裝在工裝模具上，避免了滾輪在修磨時的拆卸，方便快捷，提高了滾輪的安裝精度。

2.3 修磨效果

采用表面形貌輪廓儀XM-2000對平面磨床磨削后的滾輪型面進行測試，如圖4所示。由圖可知，修磨后的滾輪表面形狀與要求的雙曲面形狀基本一致，近似為單葉雙曲面形，表面粗糙度Ra為0.05 mm，形狀誤差為0.006 mm，跳動誤差為0.004 mm。將超精溝道機床SF-SL-21AB的滾輪進行修磨后安裝在機床上，磨削微型軸承619/6外圈溝道，套圈軸、徑向定位精確，形成良好的磨削區域。磨削后隨機抽取5件，檢測套圈溝道的各項參數見表1,各測量參數符合加工工藝要求，可知修磨后的滾輪雙曲面形狀符合產品的加工要求，說明利用平面磨床磨削雙曲面滾輪滿足了套圈磨削加工的使用要求。

圖4 修磨后滾輪表面曲線圖

表1 619/6外圈溝道檢測參數

3 結束語

通過生產實踐，證明了利用所設計輔助工裝夾具可以實現平面磨床對滾輪雙曲面的修磨加工，既方便又可靠，為滾輪雙曲面的修磨加工提供了一種新的加工方法。