調心滾子軸承（chéng）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（sī） 作者：陳維範 薛丹
摘（zhāi）要: 為提高軸承（chéng）外圈的加工效率，通過對數控車床上外圈裝夾方式的分析以及對外圈硬車及其滾道磨（mó）削原理的研（yán）究，設計了調心滾子軸承外圈（quān）硬車與精磨組合機床的方案，采用（yòng）硬車代替粗磨加工並在同一台機床上完成精磨加工，僅留下超精研工序在磨床上完成。實際加工（gōng）表明，該組合機床可在一次裝夾中完成軸承外圈一個端（duān）麵、外徑麵及滾道（dào）麵的加工（gōng），在保證加工（gōng）精度的基礎上將工時（shí）縮短了 1 /3。
關鍵詞: 滾動軸（zhóu）承; 調心滾子軸承; 外圈; 硬車; 車削; 磨削; 組合（hé）機床
軸承外圈的加（jiā）工工藝一般為套鍛→退火→粗車→熱處理→粗磨→精磨→超精研。滾（gǔn）道表麵粗糙度對軸承的振動、潤滑、早期疲勞及使用壽命有著重要影（yǐng）響［1 － 2］。在軸承的生產加工中，磨（mó）削加工約占總勞動量的 60% ，所用磨（mó）床數量也占全部切削機床數量的 60% 左右，磨削加工的成本約占軸承生產（chǎn）成本的 15% 以上［3］。
另外，磨削加工時砂輪及切削液消耗量大、粉塵和廢液汙染程度比較嚴（yán）重［4］。超硬材料刀具的出（chū）現以及數控（kòng）機床技（jì）術水平不（bú）斷提高，為硬車代替粗磨加工創造了條件（jiàn），硬車削技術( 簡稱硬車) 在（zài）發（fā）達國家已普遍應用［5］。采用精密硬車工藝，通過合理選擇切削用量，可以使零件的幾何精度和表（biǎo）麵粗糙度基本達到產品的終磨精度要求［6］，且其金屬切除效率是普（pǔ）通（tōng）磨削加工的3 ～ 4倍（bèi）［7 － 8］。
目前，國內的（de）軸承及齒（chǐ）輪等行業已經開始用硬車（chē）替代原有的粗磨、半精磨工藝［9］，例如用 C650 車床成功進行軸承外圈滾道的磨削［10］，並（bìng）研發了車（chē）磨組合（hé）機（jī）床等［11］。在對軸承外圈（quān）硬車加工及外圈滾道磨削原理進行研究的基礎上，按照客戶提出的要求，對某型號（hào）調心滾子軸承外圈的加工工藝進行了分析，完成了硬車與精磨組合機床的加工方案設（shè）計。
1 、調心滾子軸承外圈熱處理後的加工
1. 1 硬車加工
以 GCr15，GCr15Si Mn，GCr18Mo 為代表的淬硬軸承鋼，經淬火後硬度大於（yú） 58 HＲC，屬於（yú）典型的耐磨軸承材料［4］。硬車是指使用多晶（jīng）立方氮化硼( PCBN) 或立方氮化硼( CBN) 刀具（jù）、陶瓷刀具或塗（tú）層硬質（zhì）合金（jīn）刀具等在車床或車削加工中心上對淬硬鋼( 55 ～ 66 HＲC) 進行（háng）切削加工（gōng），是代（dài）替磨削的（de）經濟性加（jiā）工工藝，與磨削相比具有（yǒu）良好的加工柔性、經濟性和環保性［12 －13］。軸承外圈采用硬車加工工藝，可代替淬火後的粗（cū）磨工（gōng）藝。一（yī）次（cì）裝夾（jiá）即（jí）可完成（chéng）外圈 3 個麵的加工，生產效率得到顯著提高，且可獲得良好的加工精度，表麵粗糙度 Ｒa 可（kě）達 0． 4 μm 以下。
1. 2 滾道（dào）磨（mó）削
調心滾子軸承外圈滾道磨（mó）削原理（lǐ）如圖 1 所示，將磨頭設計成（chéng）軸向尺寸較（jiào）小的結構。磨（mó）削時，磨頭進入外圈孔內，外（wài）圈軸線 A － A 與磨頭軸線B － B在一個平（píng）麵內相互垂直且（qiě）相交於滾道（dào）球心。外圈在機床主軸的帶動下以（yǐ）角速度（dù） ωA繞 A － A 軸做旋轉運動; 杯砂輪在電動機的驅動下以角速度 ωB繞 B － B 軸做（zuò）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（jìn）給運動，通（tōng）過杯形砂輪的端麵與軸承外圈滾道的接觸實現磨削。這樣，可以保證加工出來的調心滾子軸承外圈滾（gǔn）道是一個球（qiú）麵，同時具有較高的加（jiā）工精度。
圖（tú） 1 調心（xīn）滾子（zǐ）軸（zhóu）承外圈滾道磨削原理
2 、外圈車磨加（jiā）工裝（zhuāng）夾方式
外圈車削加工的機床主要有臥式（shì）數控車床和立式數控車床。一般情況下，對於 300 mm 及以下的中小規格軸承外圈，采用（yòng）臥式數控車床加工;對於 300 ～ 800 mm 規格的軸承外圈，采用立式數控車床加工。
2. 1 軸承外圈浮動夾具
軸承外圈屬於薄壁（bì）件，裝夾容易變形，為了（le）保證加工精度，采用 6 點或 12 點浮動夾具裝（zhuāng）夾，可（kě）使夾緊力均勻地壓在軸承外圈外圓表（biǎo）麵，減小因（yīn）裝夾引起（qǐ）的變形。浮動夾具適用於臥式數控車床及立（lì）式數控車床，一次裝夾可對軸承外圈的一個端麵和內孔進行加工。軸承外圈 6 點浮動（dòng）夾具如圖 2a 所示，浮動卡爪通過銷軸固定在（zài）基座上，浮動卡（kǎ）爪可繞銷軸實現自動定心（xīn），從（cóng）而減小軸承外圈的變形。
圖 2 軸承外圈浮動夾（jiá）具
通過更換浮動卡爪可（kě）實現不同型號軸（zhóu）承外圈的裝夾。軸（zhóu）承外（wài）圈 12 點浮動夾具如圖 2b 所（suǒ）示，適用於外圈較薄或直徑較大工件的裝夾。
2. 2 電磁吸盤
在（zài）薄壁軸承套圈的精密硬車削加工（gōng）中，采用軸（zhóu）向吸（xī）持( 電磁吸盤) 是減小（xiǎo）甚至消除徑向裝夾變形的（de）可行方法［14］。如（rú）圖 3 所示，導磁塊安裝在磁力吸盤體上，確保磁力不變的情況下一次性加工套圈的 3 個麵（miàn）( 端（duān）麵、外徑麵、滾道麵) 。電磁吸盤（pán）同樣適用於立式數控車床及臥式數控車床，對於精（jīng）度要求較高或直徑較大的套圈，具有良好的吸（xī）持效果。
圖 3 電磁（cí）吸（xī）盤
利用電磁（cí）吸盤吸持軸承套圈端麵時，套圈的硬車工（gōng）藝參數為（wéi）最大吃刀深度 0． 25 mm，進給量0． 8 mm / r; 加工精度為表麵粗糙度 ( Ｒa) 0． 4 μm，圓度 0． 5 μm，圓柱度 10 μm，壁厚差小於 25 μm。電磁吸盤的磁力分檔可調，永磁吸盤即使意（yì）外（wài）斷（duàn）電也不會失去磁性，仍能可靠吸（xī）緊工件。電磁吸盤應用於立式數控車床時，套圈可采用V 形（xíng）塊粗定位，如圖 4 所示（shì）。將 V 形塊安裝在立式數控車床刀盤（pán）的一（yī）個刀位上，在安裝（zhuāng）套圈時，將 V 形塊刀位轉至電磁吸盤的上方，將套圈靠在V 形塊上即可實現粗定位，然後通過千分表精確（què）找正，縮短了輔助（zhù）時間。
圖 4 軸承套圈在立式數控車床電磁吸盤上的定位
在臥式（shì）數控車床上使用的（de）電磁吸（xī）盤如（rú）圖 5 所示。機床上設有 2 個 V 形塊，每（měi）個（gè） V 形塊上有 2個滾輪，V 形塊通過支架（jià）固定在機床床頭箱（xiāng）體（tǐ）上。先將軸承套（tào）圈靠在滾輪上實（shí）現粗定位，再通過（guò）千（qiān）分表找正，實（shí）現精確定位。
圖 5 電（diàn）磁吸盤（pán）在臥式數控車床上的使用
文獻［3，12］對采用（yòng）電磁吸盤吸持工件進行了試（shì）驗研究，結果（guǒ）表明試樣基準（zhǔn）麵的平麵度誤差越小，精密硬車加（jiā）工所得試（shì）樣溝道的圓（yuán）度誤差（chà）就（jiù）越小。因此，在電磁吸盤吸持軸承外圈前，需要對定位麵進行精加工，增加基準（zhǔn）麵與吸盤的接觸麵積，提高加工精度。
3 、調心滾子軸承外圈硬（yìng）車與精（jīng）磨（mó）組（zǔ）合加工
3. 1 調心滾（gǔn）子軸承外圈的結構與加（jiā）工工藝分析（xī）
淬火後的外圈毛坯如（rú）圖（tú） 6a 所示，外圈外徑為( 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; 一個端麵表麵粗糙度 Ｒa 為 0． 4 μm( 基（jī）準麵) ，另一端麵的表麵粗（cū）糙度 Ｒa 為 3． 2 μm。
圖 6 調心滾子軸承外圈
在機床上硬車、精磨滾道後的成品外圈（quān）如圖6b 所示，加（jiā）工後軸承外圈的上端（duān）內（nèi）外圓倒角（jiǎo）尺寸不變，滾道的表麵粗糙（cāo）度 Ｒa 降至 0． 2 μm，其餘加工麵的表麵粗（cū）糙（cāo）度 Ｒa 均降至 0.4 μm; 軸承（chéng）外圈直徑為 2600－ 0． 035mm; 滾道球半徑 SＲ 為 117． 3 mm，內孔最 大 直 徑 為 ( 234． 6 ± 0． 05 ) mm; 寬 度 為860－ 0． 02mm。采用電磁吸盤吸（xī）持軸承外圈（quān）基準麵，硬車工序的加工餘量: 外圓單邊餘量 0． 6 mm，一個端麵 0． 2 mm( 另一端（duān）基準麵無需加工) ，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（yǔ）精磨組合機床的設計方案（àn）
硬車與精磨組（zǔ）合機床在臥式數（shù）控車床的基礎上增加了磨削裝置，不僅具（jù）有硬車的功能（néng），還具（jù）有精磨功能，在一台機（jī）床上進行一次裝夾就可實現（xiàn）調心滾子軸承外圈（quān）的硬（yìng）車和滾道精磨加工。如圖 7 所示，組合機床（chuáng）采用 45°整體斜床身，最大回（huí）轉直徑 500 mm，最大切削（xuē）長度 200 mm，最大切削直徑 350 mm，主電動機功（gōng）率 7． 5 k W，最高轉速（sù） 4 000 r/min。主（zhǔ）軸（zhóu）采用 P2 級（jí）陶瓷軸承，中（zhōng）度預緊，加工精度可（kě）達到 IT5。另外，組合機床具備磨削冷（lěng）卻液和（hé）氮氣 2 種冷卻方式。
1—床身; 2—主電動機（jī）; 3—主（zhǔ）軸（zhóu）箱; 4—主軸; 5—X 軸電動機; 6—排刀板（bǎn）; 7—床鞍; 8—Z 軸電動機（jī）
圖 7 臥式數控機（jī）床主機結構
機床采用如圖 8 所示的排刀結構，排刀板上安裝 2 套刀夾，每個刀夾上均安裝有內孔車刀、外（wài）圓車刀和端麵車刀各一把，同時安裝變頻調（diào）速電動機和磨架。磨架（jià）前端安裝杯形砂輪( 最高轉速5 000 r / min) ，變頻調速電動（dòng）機經帶傳動機構帶動杯形砂輪旋轉。機床上的 V 形定位裝置如圖 9 所示，V 形塊通過（guò）滾軸（zhóu）安裝（zhuāng）在支架上，通過滾輪軸在V 形塊上安裝 2 軸線與主（zhǔ）軸平行的滾輪，通過滾（gǔn）輪與軸承外圓（yuán）的接觸實現粗定位。V 形塊可繞滾軸擺動，實現自動定心。
1—排刀板; 2—刀夾; 3—電動機; 4—杯形砂輪; 5—磨架; 6—帶傳動機（jī）構
圖 8 排刀刀（dāo）架結構
1—V 形塊（kuài）; 2—滾軸; 3—支架; 4—滾輪; 5—滾輪軸
圖 9 V 形定位裝置
按照用（yòng）戶要求設（shè）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（diàn）磁吸（xī）盤磁力影響工（gōng）件加工（gōng）精度，對軸承外圈的一個端麵進行精磨加工作為本（běn）工序的基準麵，其表麵粗糙度 Ｒa 為 0．4 μm，平（píng）麵度誤差小於0．005 mm。
1—電磁吸盤; 2—磨架; 3—杯形砂輪; 4—變頻調速電（diàn）動機; 5—V形定（dìng）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在磁力吸（xī）盤上，用（yòng）千分（fèn）表（biǎo）對外圓表麵找正後（hòu）通電上磁;移動 2 個 V 形塊，使滾輪接觸軸承外圓表麵，然後調整 V 形定位裝置，使滾輪離開軸（zhóu）承外圓表麵 0． 2mm( 可根據實際毛坯件調整) 後（hòu）固定，用於軸（zhóu）承外圈粗定位。加工時，先用 V 形定位裝置粗定位軸承外圈，用弱（ruò）磁將外圈（quān）吸持在磁力吸盤上，用千分表（biǎo）對外圓表麵找（zhǎo）正後通電上磁，啟動（dòng）機床進行加工。排刀刀架帶動車刀完成外圈內、外表麵和一個端麵的硬車; 精磨外圈滾道時（shí），排刀（dāo）刀架帶動磨（mó）頭進入（rù）外（wài）圈內孔（kǒng）中，杯型砂輪和軸承外圈各自繞軸線（xiàn）轉動，實現外圈滾道的精磨。
在車磨（mó）組合機上一次裝（zhuāng）夾即可完成調（diào）心滾子軸承外圈一個端麵、外徑麵和滾道麵的硬車，並能完成滾道（dào）麵的精（jīng）磨加工。原需在 2 台磨床上完成的粗磨、精磨加工工序在 1 台車磨組合機上進行一次裝夾（jiá）即可實（shí）現，工時減少了（le） 1 /3，有效（xiào）提高了用戶的加工效率。
4 、結束語
對硬車（chē）技（jì）術和調心滾子軸承外圈滾道磨削原理進行了（le）研究，對軸（zhóu）承套圈在數（shù）控車床（chuáng）上裝夾及定位方式進行了分析。根據（jù）用戶的要求，在臥式數控車床的基（jī）礎上（shàng），完成了（le）用於調心滾子軸（zhóu）承外圈加工的車磨組合機方（fāng）案設計。在一（yī）台機床上實現了軸承外圈外圓表麵（miàn）、滾道麵和一個端麵的硬車加工，以及對外圈滾道的（de）精磨; 僅有軸承外圈滾道的超精研工序需要在另一台機床上完成（chéng），滿足了用戶的需求。
投稿箱（xiāng）：
如果您有（yǒu）機床（chuáng）行業、企業相關新聞稿件發表，或進（jìn）行資訊合作，歡迎聯係本網編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
如果您有（yǒu）機床（chuáng）行業、企業相關新聞稿件發表，或進（jìn）行資訊合作，歡迎聯係本網編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
更多相關（guān）信息
業界視點
| 更多（duō）
行業數據
| 更多
- 2024年11月 金屬（shǔ）切削機床產量數據
- 2024年（nián）11月 分地區金屬切削機床產量數據
- 2024年11月（yuè） 軸承出口情況
- 2024年11月 基本型乘（chéng）用車（chē）（轎車）產量數據
- 2024年11月 新能源汽（qì）車產量數據
- 2024年11月 新能源汽車銷（xiāo）量情況
- 2024年（nián）10月 新能源汽車產量數據
- 2024年10月（yuè） 軸承出口情況
- 2024年10月 分（fèn）地區金屬切削機床（chuáng）產量數（shù）據
- 2024年10月 金屬切削機床產量數據
- 2024年9月 新能源汽（qì）車銷量情況
- 2024年8月 新能源汽車（chē）產量數據
- 2028年8月 基本型乘用車（轎車）產量數（shù）據