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型号对照
新型外球面轴承磨床的设计
2009-03-13 一、问题的提出
带座外球面轴承自20世纪70年代在我国问世以来，由于具有良好的轴线可调性，已被越来越多地应用于各个行业。这种轴承轴线的可调性，既决定于轴承外圈与轴承座之间的尺寸要求，更取决于两者之间球面曲率的配合。由于目前的加工方法在磨削机理上没有重大突破，使得在解决外球面轴承外圈球面曲率的加工合格率上，始终成为我国轴承行业一道难以逾越的障碍。
二、不同磨削方法的分析与比较
目前，加工这种外球面轴承外圈采用的方法基本有以下两种:
1.摆动磨法 摆动磨削机床具有较强的切削能力，故磨削速度快，加工时间短。用摆动磨加工球面轴承外圈，既要保证摆动工件球心与砂轮轴线处于同一水平连线，又要与砂轮横向中心剖面相重合。实际加工中，由于机床自身摆动平面处的振动及工件的不等宽性，很难保证其球面曲率的一致性(见图1)。
带座外球面轴承自20世纪70年代在我国问世以来，由于具有良好的轴线可调性，已被越来越多地应用于各个行业。这种轴承轴线的可调性，既决定于轴承外圈与轴承座之间的尺寸要求，更取决于两者之间球面曲率的配合。由于目前的加工方法在磨削机理上没有重大突破，使得在解决外球面轴承外圈球面曲率的加工合格率上，始终成为我国轴承行业一道难以逾越的障碍。
二、不同磨削方法的分析与比较
目前，加工这种外球面轴承外圈采用的方法基本有以下两种:
1.摆动磨法 摆动磨削机床具有较强的切削能力，故磨削速度快，加工时间短。用摆动磨加工球面轴承外圈，既要保证摆动工件球心与砂轮轴线处于同一水平连线，又要与砂轮横向中心剖面相重合。实际加工中，由于机床自身摆动平面处的振动及工件的不等宽性，很难保证其球面曲率的一致性(见图1)。
图1 摆动磨法示意图
2.切入磨法 在这种磨削方法中，轴承外圈的球面曲率取决于砂轮被修整的形状。磨削时，由于轴承外圈本身的余量不等及形状不同，因此固有砂轮的形状随时都可能被破坏。该加工方法效率低，砂轮修整频繁，其球面曲率也难以保证，一般都不采用。
以上两种磨削方式，虽都可加工球面轴承外圈，但受其磨削方式的限制，无法解决与球面轴承座的配合，更无法从根本上保证球面曲率的稳定合格率。
笔者利用范成磨削原理，改盘形砂轮为空心柱体状砂轮，使其沿工件横向切入，并采用使砂轮回转轴线与轴承外圈回转轴线相交进行磨削的方法设计了外球面轴承专用磨床，解决了这种轴承球面曲率的合格率问题。所设计的机床传动原理图见图2。
以上两种磨削方式，虽都可加工球面轴承外圈，但受其磨削方式的限制，无法解决与球面轴承座的配合，更无法从根本上保证球面曲率的稳定合格率。
笔者利用范成磨削原理，改盘形砂轮为空心柱体状砂轮，使其沿工件横向切入，并采用使砂轮回转轴线与轴承外圈回转轴线相交进行磨削的方法设计了外球面轴承专用磨床，解决了这种轴承球面曲率的合格率问题。所设计的机床传动原理图见图2。
1.床身；2.手柄；3.电磁无心夹具；4.工件；5.电感测头；6.主动测量仪；7.砂轮；8.纵向滑台；9.磨头装置；
10.磨头电动机；11.横向滑台；12.步进电动机；13.皮带轮；14.主轴箱；15.主轴电动机
图2 机床传动原理图
三、机械部分设计
1.主轴及夹具
由于外球面轴承外圈为薄壁小型导磁工件，因此工艺上采用无心夹具。无心夹具由壳体、线圈铁心、磁极、磁盘及两可调支承组成。工件通过两支承来定位，其支承位置可根据工件直径的不同而调整。使用电磁吸盘无心夹具磨削的Z大好处是:其加工精度不受机床主轴回转精度的影响，因而可以获得很高的加工精度。
主轴旋转由0.75kW电动机驱动，通过双速皮带轮和一组减速齿轮使主轴获得166r/min和280r/min两种转速，以满足不同尺寸工件的需求。为克服主轴上的轴向力，提高主轴旋转精度，支承选用5级精度双列短圆柱滚子轴承与两对角接触球轴承相配合。
2．纵、横向进给机构
磨床的纵、横向进给机构分别由手动和步进电动机驱动，两者均采用滑动导轨。
纵向进给由于其承受载荷较大，又有运动精度要求，故采用矩—山形导轨。纵向进给滑板由步进电动机驱动，通过减速机构、丝杠螺母机构带动滑板做纵向移动。为调整需要，在步进电动机停止运行时(断电状态)，还可通过手轮及离合器使纵向滑板做手动进给，整个纵向移动量大行程设计为150mm。横向进给机构置于纵向进给滑板上，是为满足被加工件宽度变换而设置的。由于调整次数不多，采用手动螺母调整：为克服较大的轴向抗力，横向进给机构的导轨设计成燕尾型，既可防止颠覆力矩，又可满足使用要求。
3．磨头装置
磨头作为切削工具的主要部分，置于横向滑板上。为使磨头获得高转速，采用转速为2880r/min的电动机，通过皮带来驱动。为提高磨削精度，以两对5级精度角接触球轴承为支承，磨头前装有空心柱形砂轮(以磨削直径100mm为例，其砂轮尺寸为?35mm×?50mm×70mm)及砂轮防护罩。
四、电控部分设计
为有效地控制被加工件的径向尺寸，使用了电感测头及主动测量仪，用于磨削过程中尺寸的连续测量，并和数控装置、伺服机构共同组成了一个简单的闭环控制系统(见图3)。
1.主轴及夹具
由于外球面轴承外圈为薄壁小型导磁工件，因此工艺上采用无心夹具。无心夹具由壳体、线圈铁心、磁极、磁盘及两可调支承组成。工件通过两支承来定位，其支承位置可根据工件直径的不同而调整。使用电磁吸盘无心夹具磨削的Z大好处是:其加工精度不受机床主轴回转精度的影响，因而可以获得很高的加工精度。
主轴旋转由0.75kW电动机驱动，通过双速皮带轮和一组减速齿轮使主轴获得166r/min和280r/min两种转速，以满足不同尺寸工件的需求。为克服主轴上的轴向力，提高主轴旋转精度，支承选用5级精度双列短圆柱滚子轴承与两对角接触球轴承相配合。
2．纵、横向进给机构
磨床的纵、横向进给机构分别由手动和步进电动机驱动，两者均采用滑动导轨。
纵向进给由于其承受载荷较大，又有运动精度要求，故采用矩—山形导轨。纵向进给滑板由步进电动机驱动，通过减速机构、丝杠螺母机构带动滑板做纵向移动。为调整需要，在步进电动机停止运行时(断电状态)，还可通过手轮及离合器使纵向滑板做手动进给，整个纵向移动量大行程设计为150mm。横向进给机构置于纵向进给滑板上，是为满足被加工件宽度变换而设置的。由于调整次数不多，采用手动螺母调整：为克服较大的轴向抗力，横向进给机构的导轨设计成燕尾型，既可防止颠覆力矩，又可满足使用要求。
3．磨头装置
磨头作为切削工具的主要部分，置于横向滑板上。为使磨头获得高转速，采用转速为2880r/min的电动机，通过皮带来驱动。为提高磨削精度，以两对5级精度角接触球轴承为支承，磨头前装有空心柱形砂轮(以磨削直径100mm为例，其砂轮尺寸为?35mm×?50mm×70mm)及砂轮防护罩。
四、电控部分设计
为有效地控制被加工件的径向尺寸，使用了电感测头及主动测量仪，用于磨削过程中尺寸的连续测量，并和数控装置、伺服机构共同组成了一个简单的闭环控制系统(见图3)。
图３ 加工流程图
1．对刀
首先将数控装置选择开关置于手动位置，使工件和砂轮旋转。然后摇动手轮，使磨头砂轮逐渐靠近工件。当两者微接触(微见火花)时，按下对刀键，此时纵向进给机构快退20mm，即为该工件在数控加工中的零点。
2．加工
将数控装置置于自动加工位置，按下启动键，纵向进给机构在步进电动机驱动下，向工件快速移动20mm，主轴由限位开关启动并旋转，磨头进入工进状态，磨削开始。
此时，通过工件表面的测头，将工件径向尺寸变化的位移信号变为电信号送入测量仪，由测量仪将信号反馈给数控系统，通过其判断比较后，继续控制伺服机构做纵向运动。
3.光磨
当工件尺寸达到某一设定值时(一般可预留20μm)，数控装置发出停止信号，伺服机构停止纵向进给。但此时磨头与工件仍然转动，进行无进给磨削，即光整加工。
随着光磨余量的消除，工件达到尺寸要求后，通过测量仪经数控系统发出快退信号，伺服机构快退，主轴停转，完成一个工件的加工过程。
五、结束语
用范成磨法的外球面轴承专用磨床替代传统的摆动和切入磨削，可将外球面轴承外圈的球面质量提高到一个新水平，从根本上解决了球面曲率的难题，且减少了废品率，降低了成本，并可大大减轻操作工人的劳动强度。
目前该机床已经小规模生产。近几年来，经用户使用反映效果良好，其尺寸合格率可达98%，外球面曲率合格率可达100%。该项技术难关的攻克，使该磨床荣获95年度国家级新产品奖。（来源：制造技术与机床）
首先将数控装置选择开关置于手动位置，使工件和砂轮旋转。然后摇动手轮，使磨头砂轮逐渐靠近工件。当两者微接触(微见火花)时，按下对刀键，此时纵向进给机构快退20mm，即为该工件在数控加工中的零点。
2．加工
将数控装置置于自动加工位置，按下启动键，纵向进给机构在步进电动机驱动下，向工件快速移动20mm，主轴由限位开关启动并旋转，磨头进入工进状态，磨削开始。
此时，通过工件表面的测头，将工件径向尺寸变化的位移信号变为电信号送入测量仪，由测量仪将信号反馈给数控系统，通过其判断比较后，继续控制伺服机构做纵向运动。
3.光磨
当工件尺寸达到某一设定值时(一般可预留20μm)，数控装置发出停止信号，伺服机构停止纵向进给。但此时磨头与工件仍然转动，进行无进给磨削，即光整加工。
随着光磨余量的消除，工件达到尺寸要求后，通过测量仪经数控系统发出快退信号，伺服机构快退，主轴停转，完成一个工件的加工过程。
五、结束语
用范成磨法的外球面轴承专用磨床替代传统的摆动和切入磨削，可将外球面轴承外圈的球面质量提高到一个新水平，从根本上解决了球面曲率的难题，且减少了废品率，降低了成本，并可大大减轻操作工人的劳动强度。
目前该机床已经小规模生产。近几年来，经用户使用反映效果良好，其尺寸合格率可达98%，外球面曲率合格率可达100%。该项技术难关的攻克，使该磨床荣获95年度国家级新产品奖。（来源：制造技术与机床）
