角接觸軸連軸承組件臺(tái)階軸的磨加工工藝

李兵建,張旭,崔靜偉,魏秀軍,劉燕娜

(1.洛陽(yáng)軸承研究所有限公司,河南 洛陽(yáng) 471039; 2.河南省高性能軸承技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河南 洛陽(yáng) 471039;3.滾動(dòng)軸承產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟,河南 洛陽(yáng) 471039)

1 角接觸軸連軸承組件結(jié)構(gòu)及臺(tái)階軸的加工難點(diǎn)

目前，國(guó)外已廣泛采用軸連軸承技術(shù)以進(jìn)一步提高陀螺電動(dòng)機(jī)的精度和壽命。采用軸連軸承組件可減少零件，使軸承內(nèi)圈與驅(qū)動(dòng)軸成為一體，顯著提高軸承剛度和承載能力，減少軸承對(duì)振動(dòng)及沖擊的敏感性；同時(shí)內(nèi)圈溝道集成在驅(qū)動(dòng)軸上,減少了軸承組件中內(nèi)圈的數(shù)量, 提高了軸承組配精度,減少了內(nèi)圈裝于軸上所產(chǎn)生的不同心度。

O型直通軸角接觸軸連軸承結(jié)構(gòu)如圖1所示,其驅(qū)動(dòng)軸為直軸。而陀螺電動(dòng)機(jī)中的軸連軸承多采用定壓預(yù)緊的方式進(jìn)行加載,要求加壓元件的剛度遠(yuǎn)低于軸承中球與溝道的接觸剛度。因此,常用彈簧對(duì)軸連軸承進(jìn)行加載,這就要求有一套軸承可進(jìn)行軸向移動(dòng),結(jié)構(gòu)如圖2所示。該結(jié)構(gòu)要求驅(qū)動(dòng)軸必須采用臺(tái)階結(jié)構(gòu),臺(tái)階軸三處外徑尺寸不同,應(yīng)選取和加工出最佳的定位基準(zhǔn),才能保證臺(tái)階軸上溝道的磨削精度。此外,該臺(tái)階軸無(wú)法用滾棒式超精機(jī)進(jìn)行溝道的超精加工,其溝道磨削及超精加工具有一定的難度。

圖1 O型直通軸角接觸軸連軸承結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 含臺(tái)階軸的角接觸軸連軸承結(jié)構(gòu)示意圖

2 陀螺電動(dòng)機(jī)用角接觸軸連軸承組件中臺(tái)階軸的加工工藝

2.1 角接觸軸連軸承組件中直通軸的加工工藝

角接觸軸連軸承組件中直通軸的磨超加工工藝路線為:靠磨兩端面→精磨外徑面→精研外徑面→精磨內(nèi)徑面→修研外徑面→精磨雙溝道→超精雙溝道。多采用輔助定位塊在普通的單溝道磨床上對(duì)驅(qū)動(dòng)軸上的溝道進(jìn)行磨削加工,加工原理如圖3所示。

1—磁極;2—緊固螺釘;3—輔助定位塊;4—軸;5—支承。

定位塊在軸上的固定位置有嚴(yán)格要求,以保證磨削溝道時(shí)的位置。經(jīng)靠磨后,軸兩端面高度的尺寸一致性不大于0.01 mm。再借助高度標(biāo)準(zhǔn)定位環(huán)保證加工不同臺(tái)階軸時(shí)定位塊固定在臺(tái)階軸上的相同位置,進(jìn)而保證溝道加工的位置要求。

制作的高精度輔助定位塊用螺釘緊固在軸的兩溝道中間,并以定位塊的端面為基準(zhǔn),吸附在電磁無(wú)心夾具的磁極上,磨床的上、下支點(diǎn)以驅(qū)動(dòng)軸一端的外徑面為基準(zhǔn)進(jìn)行支承。該驅(qū)動(dòng)軸的外徑面經(jīng)過(guò)精磨及精研工序加工,整體外徑尺寸一致性不大于0.005 mm,外徑面圓度不大于0.000 6 mm,可作為加工基準(zhǔn)及測(cè)量基準(zhǔn)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)軸上的溝道磨削加工。

通過(guò)定位塊可增大定位基準(zhǔn)面的面積,并減少軸所需要支承的長(zhǎng)度,保證定位可靠,提高溝道磨削加工工藝的穩(wěn)定性。

2.2 角接觸軸連軸承組件中臺(tái)階軸的加工工藝

根據(jù)角接觸軸連軸承組件中直通軸的加工工藝,擬定角接觸軸連軸承組件中臺(tái)階軸的磨超加工工藝為:靠磨兩端面→精磨大外徑面、臺(tái)階外徑面及小外徑面→精磨內(nèi)徑面→精磨溝道→超精溝道→磨斜坡。該工藝將臺(tái)階軸的大外徑面作為測(cè)量基準(zhǔn),臺(tái)階軸的中間外徑面作為加工基準(zhǔn),無(wú)法做到測(cè)量基準(zhǔn)與加工基準(zhǔn)相統(tǒng)一。此外,臺(tái)階軸的中間外徑面只能進(jìn)行磨削加工,無(wú)法進(jìn)行精研加工,從而造成外徑面尺寸一致性及精度差,尺寸最大散差為0.02 mm,圓度值常存在大于0.000 6 mm的情況,無(wú)法作為溝道磨削的加工基準(zhǔn),進(jìn)而影響溝道磨削的加工精度。同時(shí),考慮臺(tái)階軸的臺(tái)階式結(jié)構(gòu),其溝道無(wú)法在滾棒式超精機(jī)上進(jìn)行超精加工,在其他超精設(shè)備上進(jìn)行溝道超精加工時(shí),也因缺少專用裝夾工裝而具有不小的加工難度。

為保證角接觸軸連軸承組件中臺(tái)階軸的溝道磨削加工精度,必須做到測(cè)量基準(zhǔn)與加工基準(zhǔn)相統(tǒng)一。現(xiàn)考慮采用兩輔助臺(tái)階作為加工基準(zhǔn),如圖4所示,通過(guò)精磨外徑面及精研外徑面工序加工保證兩輔助臺(tái)階外徑與臺(tái)階軸的大外徑尺寸及精度的一致性,進(jìn)而保證測(cè)量基準(zhǔn)(臺(tái)階軸左側(cè)外徑面)與加工基準(zhǔn)(中間輔助臺(tái)階外徑面)相統(tǒng)一。最終確定臺(tái)階軸的加工工藝為:靠磨兩端面→精磨大外徑面(含輔助臺(tái)階外徑面)及小外徑面→精研大外徑面(含輔助臺(tái)階外徑面)→精磨內(nèi)徑面→修研外徑面→精磨溝道→超精溝道→磨斜坡→磨工藝輔助臺(tái)階。

圖4 含輔助臺(tái)階的臺(tái)階軸結(jié)構(gòu)

臺(tái)階軸的溝道磨削加工原理如圖5所示,用緊固螺釘將高精度輔助定位塊緊固在輔助臺(tái)階1的外徑面上,并將定位塊吸附在電磁無(wú)心夾具上,磨床上、下支點(diǎn)以驅(qū)動(dòng)軸的外徑面為基準(zhǔn)進(jìn)行支承。臺(tái)階軸上的兩輔助臺(tái)階外徑面經(jīng)精磨及精研工序加工,整體外徑尺寸一致性不大于0.005 mm,外徑面圓度不大于0.000 6 mm,可作為加工基準(zhǔn),其原理類似于直軸上的溝道加工。定位塊的軸向定位也需要借助高度標(biāo)準(zhǔn)定位環(huán),與直通軸定位塊的軸向定位方式相同。

1—緊固螺釘;2—輔助定位塊;3—軸;4—支承;5—磁極。

臺(tái)階軸上設(shè)置2個(gè)輔助工藝臺(tái)階可增加軸與超精機(jī)滾棒的接觸面積,使其平穩(wěn)地放置在滾棒式超精機(jī)上進(jìn)行溝道超精加工。

3 實(shí)際加工效果

按上述工藝,設(shè)置輔助臺(tái)階后對(duì)臺(tái)階軸進(jìn)行加工,臺(tái)階軸加工前后對(duì)比如圖6所示。采用B002儀器檢測(cè)加工后臺(tái)階軸的大外徑面、中間外徑面、小外徑面與溝道的同心度,采用表面形貌輪廓儀XM-2000和圓度儀檢測(cè)加工后臺(tái)階軸上溝道的溝形、表面粗糙度Ra值及圓度,具體檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1,滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求,說(shuō)明本文的工藝可滿足加工需求。

表1 臺(tái)階軸外徑面與溝道的同心度以及溝道的溝形、表面粗糙度、圓度檢測(cè)結(jié)果

圖6 臺(tái)階軸加工前后的對(duì)比圖