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調心滾子軸承外圈硬車與精磨組合機床的設計方案

2021-3-15 來源：遼寧裝備製造職業沈陽機床股份公司作者：陳維範薛丹

摘要: 為提高軸承外圈的加工效率，通過（guò）對數控車床上外圈裝夾方式的分析（xī）以及對外圈硬車及其滾道磨削原（yuán）理的（de）研究，設計（jì）了調心滾子軸承外圈硬車與精磨組合機（jī）床的方案，采用硬車代替粗磨加工並在同一台機床上完（wán）成精磨加工，僅留下超精研工序在磨床上完成。實際加工表明（míng），該組合機床可在一次（cì）裝夾中完成軸承外圈一個端麵、外（wài）徑麵及（jí）滾（gǔn）道麵的（de）加（jiā）工，在保證（zhèng）加工精度的基礎上將工時縮短了 1 /3。

關鍵詞: 滾動（dòng）軸（zhóu）承; 調（diào）心滾子軸承; 外（wài）圈; 硬車; 車削（xuē）; 磨削; 組合機床

軸承外圈的加工工藝一般為套鍛→退火→粗車→熱處理→粗磨→精（jīng）磨→超（chāo）精研。滾道表麵粗糙度對軸承的（de）振動、潤滑、早期疲勞及使（shǐ）用壽命有（yǒu）著重要影響［1 － 2］。在軸承的生產加工中，磨削加工約占總勞動（dòng）量的 60% ，所用磨床數量也占（zhàn）全部切削機床數量的 60% 左右（yòu），磨削加工的成本約占軸承生產成本的 15% 以上［3］。

另外，磨（mó）削加工（gōng）時砂輪及切削液消（xiāo）耗量大、粉塵和廢液汙染程（chéng）度比較嚴重［4］。超硬材料刀具的出現以及數控機床技（jì）術（shù）水平不斷提高，為硬（yìng）車代替粗磨加工創造了條件，硬車削技術( 簡稱硬車) 在發達國家已（yǐ）普遍應用［5］。采用（yòng）精密硬車工（gōng）藝，通過合理選擇切削用量（liàng），可以使（shǐ）零件的幾何精度和（hé）表麵粗（cū）糙度基（jī）本（běn）達（dá）到產品的終磨精度要（yào）求［6］，且其金屬（shǔ）切除效率（lǜ）是普通（tōng）磨削加工的3 ～ 4倍［7 － 8］。

目前，國內的軸承及齒輪（lún）等行業已經開始用硬車替代原有的粗磨、半（bàn）精（jīng）磨（mó）工藝［9］，例如用 C650 車床成功進行軸承外圈滾道的磨削［10］，並研發了車磨組合機床等［11］。在對軸承外（wài）圈硬（yìng）車加工及外圈滾道磨削原理進行（háng）研（yán）究的基（jī）礎上，按照客戶提出的要求，對某型號調心（xīn）滾子軸承外圈的加工工藝進行了分析，完成了硬車與精磨（mó）組合機床的加工方案設計。

1 、調（diào）心滾子（zǐ）軸（zhóu）承外圈熱處（chù）理後的加工

1. 1 硬車（chē）加工

以（yǐ） GCr15，GCr15Si Mn，GCr18Mo 為代表的淬硬軸承鋼，經淬火後硬度大於 58 HＲC，屬於典型的耐磨軸承材料（liào）［4］。硬（yìng）車是指使用多晶立方氮化硼（péng）( PCBN) 或立方氮化（huà）硼( CBN) 刀具、陶（táo）瓷刀具或塗層硬質合金刀具等在車（chē）床或車削加工中（zhōng）心上對淬（cuì）硬（yìng）鋼( 55 ～ 66 HＲC) 進行切削加工，是代（dài）替磨（mó）削（xuē）的經濟性加工工藝，與磨削相比具有良好的（de）加工（gōng）柔性、經濟性和環保性［12 －13］。軸承外圈采用硬（yìng）車加（jiā）工工藝，可（kě）代（dài）替淬火後的粗磨工藝。一次裝夾即可（kě）完成外圈 3 個麵的加工，生產效率得到顯著（zhe）提高，且可獲得良好的加工精度，表（biǎo）麵粗糙度Ｒa 可達（dá） 0． 4 μm 以下。

1. 2 滾道磨削

調心滾子軸承外（wài）圈滾道磨削原理如圖 1 所示（shì），將磨頭設計成軸（zhóu）向尺寸較小的結構。磨削時，磨頭進入外圈孔內，外（wài）圈軸線 A － A 與磨頭軸線B － B在（zài）一個平麵內相互垂直且相交於滾道球心。外圈在機床主軸的帶動下以角速度 ωA繞 A － A 軸做旋轉運動; 杯砂（shā）輪在電動機的（de）驅（qū）動下以角速度 ωB繞 B － B 軸做旋轉運動，並在機床進給軸的帶動下以進給速度 n 沿砂輪軸線 B － B 做直線進給運動（dòng），通過杯形砂輪的端麵與軸承外圈滾道的接觸實現磨削。這樣，可以（yǐ）保證加工出來（lái）的調心滾子軸承外圈滾道是一個球麵，同（tóng）時具有較高的（de）加工精度。

圖 1 調心滾子軸承外圈滾道磨削原理

2 、外圈車磨（mó）加工裝夾方式

外圈車削加工（gōng）的機床主要有臥式數控車床和立式數（shù）控車床。一般情況下，對於 300 mm 及以（yǐ）下的中小規格軸承外圈，采用（yòng）臥式數控（kòng）車床加工;對於 300 ～ 800 mm 規格的軸承外圈，采用（yòng）立式數控車床加工。

2. 1 軸承外（wài）圈浮動夾（jiá）具

軸承外圈屬於薄壁件，裝夾容易變形，為了保證（zhèng）加工精度，采用 6 點或 12 點浮（fú）動（dòng）夾（jiá）具裝（zhuāng）夾，可使夾緊力均（jun1）勻地（dì）壓在軸（zhóu）承外（wài）圈外圓表麵，減小因裝夾引起的變形。浮動夾具適用於（yú）臥式數控車床及立式（shì）數控（kòng）車床，一次裝夾可（kě）對軸承（chéng）外圈的一個端麵和內（nèi）孔進行加工。軸承外圈 6 點浮動夾具如圖 2a 所示，浮（fú）動卡（kǎ）爪（zhǎo）通過銷軸固定在基座（zuò）上，浮動卡爪可繞銷軸實現自動定心，從而減（jiǎn）小軸（zhóu）承外圈的變（biàn）形。

圖 2 軸承外圈浮動夾具

通過更（gèng）換浮動卡爪可實現不同型號軸承外圈的裝夾。軸承外圈 12 點（diǎn）浮動夾具如（rú）圖（tú） 2b 所示（shì），適用於外圈較薄或直徑（jìng）較大工件的裝夾。

2. 2 電磁吸盤

在薄壁軸承套圈的精（jīng）密硬車削加工中，采用軸向吸持( 電磁吸盤) 是（shì）減小甚至消除徑向（xiàng）裝夾變形的可行方法［14］。如圖 3 所示，導磁塊安裝在磁力（lì）吸盤體上，確（què）保（bǎo）磁力不變的情況下一（yī）次性加工套圈的 3 個麵（miàn）( 端麵、外徑麵、滾（gǔn）道（dào）麵) 。電磁吸盤同樣（yàng）適用於立式數控車床及臥式數控車床（chuáng），對於精度要求較高或（huò）直徑較大的套圈，具有良好的吸持效果。

圖 3 電磁（cí）吸盤（pán）

利用（yòng）電磁吸盤吸持軸承套（tào）圈端麵時，套圈的硬車工藝（yì）參數為（wéi）最大吃刀深度 0． 25 mm，進給（gěi）量0． 8 mm / r; 加工精度為表麵粗糙度（dù） ( Ｒa) 0． 4 μm，圓度 0． 5 μm，圓柱度 10 μm，壁厚差小於 25 μm。電磁吸（xī）盤的磁力分檔可調，永磁吸盤即使意外斷電也不會失去磁性，仍能可靠吸緊工件。電磁吸盤應用於立式數控車床時，套（tào）圈可采用V 形塊粗定位，如圖 4 所示。將 V 形塊安裝在立式數控車床刀盤的一（yī）個刀位上，在安裝套圈時，將 V 形塊刀位轉至電磁（cí）吸盤的上（shàng）方，將套（tào）圈靠在（zài）V 形塊上即可實現粗定位，然後通過千分（fèn）表精確找（zhǎo）正，縮短（duǎn）了輔助時間。

圖 4 軸承套圈在立式數控車床電（diàn）磁吸盤上的定位（wèi）

在（zài）臥式數（shù）控車床上使用的電磁（cí）吸盤如圖 5 所示。機床上設有 2 個（gè） V 形（xíng）塊，每個 V 形塊上有 2個滾輪，V 形塊（kuài）通過支架固定在機床床頭箱體上。先將軸承套圈靠在滾輪上實（shí）現粗定位，再通（tōng）過千分表找正，實現精確定位。

圖 5 電磁吸盤在臥式數控車床上（shàng）的使用

文獻［3，12］對采用電磁吸盤吸持工件進行了試驗研究，結果（guǒ）表（biǎo）明試（shì）樣基準麵的平麵度（dù）誤差越小，精密硬車加工所得試樣溝道（dào）的圓度誤差就越小。因此，在（zài）電磁吸盤（pán）吸持軸承外圈前，需要（yào）對定（dìng）位麵進行精加工，增（zēng）加基準麵與（yǔ）吸盤的接（jiē）觸麵（miàn）積，提高加（jiā）工（gōng）精度。

3 、調心滾子軸承（chéng）外圈硬車與精磨組合加工

3. 1 調心滾子軸承外圈（quān）的結構與加工工藝分（fèn）析

淬火後的（de）外圈毛坯如圖 6a 所示，外圈（quān）外徑（jìng）為（wéi）( 261． 2 ± 0． 05) mm，表麵粗糙度Ｒa 為 3． 2 μm，圓倒角Ｒ為 8 mm; 滾道球半徑 SＲ為( 116． 6 ±0． 025)mm，內孔最大直徑為( 219． 6 ± 0． 05) mm，圓倒角Ｒ為 4 mm，表麵（miàn）粗糙度Ｒa 為 3． 2 μm; 寬度為( 86． 2 ±0． 05) mm; 一個端麵表（biǎo）麵粗糙度Ｒa 為（wéi） 0． 4 μm( 基準麵) ，另一端麵（miàn）的表麵粗糙度Ｒa 為 3． 2 μm。

圖（tú） 6 調心（xīn）滾子軸承外圈

在機（jī）床上（shàng）硬車（chē）、精（jīng）磨滾道後的成品外圈如（rú）圖6b 所示，加工後軸（zhóu）承外圈的上端內外圓倒角尺（chǐ）寸不變，滾道的表麵粗糙度Ｒa 降至 0． 2 μm，其（qí）餘加工麵的表麵粗糙度Ｒa 均降至 0.4 μm; 軸承外圈直徑為 2600－ 0． 035mm; 滾道球半徑（jìng） SＲ為 117． 3 mm，內孔最大直徑（jìng）為 ( 234． 6 ± 0． 05 ) mm; 寬度為860－ 0． 02mm。采用（yòng）電磁吸盤吸持軸承外圈基準麵，硬車工序的加工餘量: 外圓（yuán）單邊餘（yú）量 0． 6 mm，一個端麵 0． 2 mm( 另一端基準（zhǔn）麵無需加工) ，滾道（dào）單邊餘量 0． 6 mm; 滾道精磨單邊餘量 0． 1 mm。

3. 2 硬車與精磨（mó）組合機（jī）床的設計方案

硬（yìng）車（chē）與精磨組合機床在臥（wò）式數控車床（chuáng）的基礎上增加（jiā）了磨削裝（zhuāng）置，不僅具有硬車的功能，還具有精磨功能（néng），在一（yī）台機床上進行一次裝夾就可實現調心滾子（zǐ）軸承外圈的硬車和滾道精磨（mó）加工（gōng）。如圖 7 所示，組（zǔ）合機（jī）床采用 45°整體斜（xié）床身，最大回轉直徑 500 mm，最大切削長度（dù） 200 mm，最大切（qiē）削直徑 350 mm，主電動機功率 7． 5 k W，最高轉速 4 000 r/min。主軸采用（yòng） P2 級陶瓷軸承，中度預緊，加工（gōng）精度可達到 IT5。另外，組合（hé）機床具備磨（mó）削冷卻液和氮氣 2 種冷卻方式。

1—床（chuáng）身; 2—主電動機（jī）; 3—主軸箱; 4—主軸; 5—X 軸電動機; 6—排刀板; 7—床鞍; 8—Z 軸電動（dòng）機

圖（tú） 7 臥式數控機床（chuáng）主機結構（gòu）

機（jī）床采用如圖 8 所示的排刀結構，排刀板上安（ān）裝 2 套刀夾（jiá），每個刀夾（jiá）上均安裝有（yǒu）內孔車（chē）刀、外圓車刀和端麵車刀各一（yī）把，同時安裝變頻調速電動（dòng）機和磨（mó）架。磨（mó）架前端安（ān）裝（zhuāng）杯形砂輪( 最高轉速5 000 r / min) ，變頻（pín）調速電動機經帶傳動機構帶動杯形（xíng）砂輪旋轉。機（jī）床上（shàng）的 V 形定位裝置如圖 9 所示（shì），V 形塊通過滾軸安裝（zhuāng）在支架上，通過滾輪軸在V 形塊上安裝 2 軸線與主軸平行的滾（gǔn）輪，通過滾輪與（yǔ）軸承外（wài）圓的接觸實現粗定位。V 形塊可繞滾軸擺（bǎi）動，實現自（zì）動定心。

1—排刀板; 2—刀（dāo）夾（jiá）; 3—電動機; 4—杯形砂輪; 5—磨架; 6—帶傳動機構

圖 8 排刀刀架結構

1—V 形塊; 2—滾（gǔn）軸; 3—支架; 4—滾（gǔn）輪; 5—滾輪軸

圖 9 V 形定位裝置

按照用戶要求設計的車磨組合機的結構如圖10 所示，調心滾子軸承外圈采用電磁吸盤吸持。為避免電磁吸盤磁力影響工件加工精度，對軸承外圈的一（yī）個端麵進行精（jīng）磨加工作為本工（gōng）序的基準麵，其表麵粗糙度Ｒa 為 0．4 μm，平麵度誤差小於0．005 mm。

1—電（diàn）磁吸盤; 2—磨架; 3—杯形砂輪（lún）; 4—變頻調速電動機; 5—V形定位裝置; 6—刀夾

圖 10 車磨組合機的結（jié）構

加工前，將調心滾子軸承外圈用弱磁吸（xī）在磁力吸盤上，用千分表對（duì）外圓表麵找正後通電上磁（cí）;移動 2 個 V 形塊，使滾輪接觸軸承外圓表麵，然後調整（zhěng） V 形（xíng）定位裝置，使滾輪離開軸承外圓表麵 0． 2mm( 可根據實際毛坯件調整) 後固定，用於軸承外圈粗定位（wèi）。加工時，先用 V 形（xíng）定位裝置粗定位軸承外圈，用弱磁將外圈吸持在磁力吸盤上，用千分表對外圓表麵找正後通電上磁（cí），啟動（dòng）機床進行加（jiā）工。排刀（dāo）刀架帶動車刀完成外圈（quān）內、外表麵和一個端麵的硬車; 精（jīng）磨外圈滾（gǔn）道時，排刀刀架帶動磨頭進（jìn）入外圈內孔中，杯型砂輪和軸（zhóu）承外圈各自繞軸線轉動，實現外圈滾（gǔn）道的精磨。

在車磨（mó）組合（hé）機上一次裝夾即可完成調心滾子軸承外圈一個端麵（miàn）、外徑麵和滾道麵的硬車，並能完成滾道麵（miàn）的精磨加工。原需在 2 台（tái）磨床上完成的粗（cū）磨、精磨加工工序（xù）在 1 台車磨組合機上進行一次裝夾即可（kě）實現，工時減少了 1 /3，有（yǒu）效提高了用戶的加工效率。

4 、結束語（yǔ）

對硬車技（jì）術和調心滾子軸（zhóu）承外圈滾道磨削原理進行了研究（jiū），對軸承套圈在數（shù）控車床上裝夾及定位方式進行了分析。根據用戶的要求，在臥式數控（kòng）車床的基礎上，完成了用於調心滾子軸承外圈加工的車（chē）磨組合機方案設計。在一台機床上（shàng）實現了軸承外圈外圓表麵、滾道麵和一個端麵的硬車加工，以及對外圈滾道的精磨; 僅有（yǒu）軸承外圈滾道的超精研工序（xù）需要（yào）在另一台機床上完成，滿足了用戶的需（xū）求。

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