球面瓦外球面加工方法的改進(jìn)

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(中材裝備集團(tuán)有限公司，北京 100102)

引言

回轉(zhuǎn)窯、球磨機(jī)等是水泥廠的主機(jī)設(shè)備，而支承裝置是這些設(shè)備的重要零部件，支承裝置要承受設(shè)備回轉(zhuǎn)部分和物料在運(yùn)動過程中或靜止?fàn)顟B(tài)時上百上千噸的載荷，且工作環(huán)境惡劣。因此，要求支承裝置運(yùn)轉(zhuǎn)必須可靠、平穩(wěn)，以保證設(shè)備的安全運(yùn)行。

支承裝置所用的軸承為滑動軸承，它由軸承座、球面瓦、瓦襯等組成?；剞D(zhuǎn)窯支承點(diǎn)多，運(yùn)轉(zhuǎn)時窯體產(chǎn)生軸向竄動，因此要求滑動軸承具有良好的承載和自動調(diào)心的能力。而球面瓦是滑動軸承的關(guān)鍵零件，其加工精度直接影響到回轉(zhuǎn)窯的運(yùn)轉(zhuǎn)。球面瓦的加工精度主要取決于機(jī)加工方法及工藝水平。

本文重點(diǎn)論述了對回轉(zhuǎn)窯球面瓦外球面加工工藝方法的改進(jìn)，改進(jìn)后提高了球面瓦的加工效率，并使球面瓦的加工精度符合設(shè)計和使用要求。

1 球面瓦外球面加工方法簡述

1.1 球面瓦結(jié)構(gòu)

回轉(zhuǎn)窯的支承裝置是由托輪、托輪軸、軸承及底座等組成的，軸承為滑動軸承，由軸承座、球面瓦、瓦襯、軸承蓋等組成。

圖1所示為球面瓦結(jié)構(gòu)，其外表面為球面，是一個半球面體的零件，球面直徑尺寸較大，與帶有內(nèi)球面的軸承座配合，形成可承載及自動調(diào)心的軸承組。

1.2 球面瓦外球面的加工方法

加工球面零件多采用車削的方法，幾種典型的球面車削工藝方法如下。

(1)雙手控制法。零件數(shù)量較少時或單件球面零件，可以采用雙手控制法進(jìn)行車削。就是用雙手同時搖動中、小拖板，通過中、小拖板的合成運(yùn)動，車出所要求的球面，此法只適用于加工較小尺寸的球面。

圖1 回轉(zhuǎn)窯球面瓦

(2)機(jī)械靠模法?？磕７ㄜ囅魇且揽寇嚨陡鶕?jù)靠模的形狀平行移動車出所需表面形狀的一種方法。適合于小批量、大尺寸零件的車削加工，但是這種方法的車削精度較低，車削外球面時所產(chǎn)生的球形誤差較大。

(3)成形車刀法。采用成形刀車削外球面時，以切入式方法加工工件，要求成形刀刃口與被加工表面母線形狀一致。車刀刃口的缺陷直接影響加工表面的精度，需要有專用的刀具刃磨設(shè)備，成本高，難以車削尺寸較大的零件。

(4)旋風(fēng)車削法。要保證加工精度必須保證刀具的運(yùn)行軌跡與球面的任何瞬時都重合，這使得切削裝置機(jī)構(gòu)復(fù)雜，刀具在切削過程中的磨損會產(chǎn)生加工誤差，不適合加工大尺寸的外球面零件。

(5)用數(shù)控機(jī)床加工。采用數(shù)控車床加工球面雖然能達(dá)到圖樣設(shè)計的尺寸要求，但數(shù)控機(jī)床價格昂貴致使成本增加。

2 改進(jìn)前球面瓦的外球面加工

由于球面瓦尺寸較大及加工設(shè)備條件限制等原因，我公司對外球面的加工一直是采用1.25m以上的立式車床，采用機(jī)械靠模車削法(簡稱靠模法)加工。

2.1 靠模車削加工方法及特點(diǎn)

根據(jù)球面瓦的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在加工時將兩塊球面瓦組合成一體裝夾，形成一個整體，其主要目的一是球面瓦容易裝夾及找正；二是加工面連續(xù)切削，提高了刀具的使用壽命；三是便于球徑測量。其加工方法如圖2所示。

圖2 機(jī)械靠模法加工球面示意圖

球面是一種成形運(yùn)動簡單的旋轉(zhuǎn)曲面，它是由工件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動與刀具成形運(yùn)動合成加工而成?？磕＼囅鞣ㄊ擒嚨兑揽磕０宓哪Ｐ突∶嫫叫幸苿舆M(jìn)給，刀尖的運(yùn)動軌跡與模型弧線相同，從而車出與模型弧線尺寸相同的球面。

靠模法主要有以下特點(diǎn)：

(1)被加工球面的形狀(指母線形狀)由靠模板確定，其位置尺寸則由刀具與靠模的相對位置確定，因此每進(jìn)刀加工出的表面，其母線是半徑相同的弧，但中心O的位置不同(如圖3所示)，只有當(dāng)加工到預(yù)定尺寸時才成為正確的球面。

圖3 加工面母線變化

(2)由于進(jìn)給時刀架作平動，故實(shí)際進(jìn)給量、切削角度等切削參數(shù)將隨時變化(如圖4所示)。

2.2 靠模法存在的問題

在實(shí)際工作中，用靠模法加工球面瓦的外球面，其零件合格率只有30%左右，生產(chǎn)效率低。加工表面光潔度差，球面的形位誤差大，橢圓度為0.5～1.0mm，位置度公差為0.5～1mm。造成這些問題的原因有以下幾個方面：

2.2.1 靠模法加工球面的特點(diǎn)，決定了加工表面質(zhì)量差、精度低

圖4 靠模法的切削特點(diǎn)

(1)切削時刀具實(shí)際進(jìn)給量的變化，致使加工表面留下的殘留面積不一致，造成整個加工表面的粗糙度不一致，影響了表面質(zhì)量。切削角度的隨時改變，引起切削力變化，誘發(fā)刀刃自激振動，致使表面粗糙度數(shù)值增大，光潔度下降，影響表面質(zhì)量。

(2)切削時進(jìn)給量、切削角度等切削參數(shù)的隨時變化，必然引起切削力的變化。由于該加工裝置剛性不足，刀桿的彈性變形量隨切削力的改變而變化，引起刀尖的運(yùn)動軌跡發(fā)生改變，加工表面的形狀(母線形狀)產(chǎn)生偏差，造成球面形狀誤差，降低了球面精度。

2.2.2 工藝系統(tǒng)對加工表面精度的影響

(1)由于靠模板模型弧面的加工誤差，產(chǎn)生球面的形狀誤差。

(2)工件及靠模板在機(jī)床上裝夾，它們之間的相對位置誤差，造成球面瓦的位置誤差。

(3)刀桿系統(tǒng)裝夾時，若找正不準(zhǔn)確，刀尖運(yùn)動軌跡形成的平面不與工作臺回轉(zhuǎn)軸線重合，造成球面的橢圓度，這是引起球面形狀誤差的重要原因之一。

2.2.3 其他原因

(1)滾輪與靠模之間的摩擦引起的磨損，造成滾輪中心的運(yùn)動軌跡變化直接影響到球面的形狀精度。

(2)由于工藝系統(tǒng)剛性差，因而切削進(jìn)給量、切削深度的取值很小，延長了切削時間，造成生產(chǎn)效率低。

2.3 球面瓦的質(zhì)量對其使用的影響

(1)如果球面瓦的外球面形狀誤差大，與軸承座的內(nèi)球面不能很好地配合，將產(chǎn)生“夾幫”或“漏縫”，如圖5所示。內(nèi)外球面不能均勻地接觸，無法實(shí)現(xiàn)自由調(diào)心，球面瓦所承受的巨大載荷不能均勻地分布在軸承座上，容易造成球面瓦的破壞。

圖5 球面瓦與軸承座配合不良

(2)如果球面瓦表面光潔度低，與內(nèi)球面配合時，兩表面間的摩擦力增大，對滑動軸承的自動調(diào)心極為不利，會加劇襯瓦的磨損，并容易造成燒瓦事故。

(3)如果外球面形狀誤差大，在裝配時將加大刮研修配的工作量，增加勞動強(qiáng)度。若刮研量過大，可能造成裝配后的各組滑動軸承之間的中心高度不一致，將直接影響設(shè)備的安裝質(zhì)量，使設(shè)備留下事故的隱患。

(4)如果球面的橢圓度誤差大，很難刮研修配成形，造成零件報廢，增加生產(chǎn)成本。

(5)若球面誤差大，靠刮研修配而成，最終的球面尺寸與設(shè)計尺寸不符，給更換配件造成困難。

綜上所述，采用機(jī)械靠模法加工外球面存在很多不足，球面質(zhì)量難以保證，生產(chǎn)效率低。因此，應(yīng)采用一種精度高、效率高的加工外球面的方法來取代機(jī)械靠模法。

3 改進(jìn)的外球面加工方法——銑削法

我們知道，球面的包絡(luò)線由圓組成，根據(jù)這一特性，可以對球面瓦外球面的加工方法進(jìn)行改進(jìn)，采用銑削法加工外球面。

3.1 銑削法加工原理及特點(diǎn)

球面銑削法是根據(jù)平面與球面相截的截面形狀是圓，圓圍繞一軸線旋轉(zhuǎn)形成包絡(luò)面為球面這個原理，所得到的一種加工方法。刀刃與工件同時繞相交的兩軸線回轉(zhuǎn)，刀尖的運(yùn)動軌跡是圓，與球面的某一個截形圓重合，截形圓把旋轉(zhuǎn)的工件包絡(luò)成一個球面。兩軸線的交點(diǎn)就是球心。切削加工中工件的回轉(zhuǎn)是進(jìn)給運(yùn)動，刀具的旋轉(zhuǎn)是主運(yùn)動。

銑削法加工球面具有以下特點(diǎn)：

(1)每次進(jìn)刀加工出的表面是半徑不相等的球面，球面的球心位置始終不變。

(2)進(jìn)給時刀架繞定軸等速回轉(zhuǎn)，實(shí)際進(jìn)給量、切削角度等切削參數(shù)均保持不變。

3.2 銑削法加工外球面的工藝裝置

根據(jù)銑削法的加工機(jī)理，設(shè)計制作了加工外球面的工藝裝置，如圖6所示。外球面加工是將工藝裝置裝夾在精度較高的龍門銑床上進(jìn)行。

圖6 銑削法加工球面瓦

組成加工裝置的零件，一部分選用的是通用標(biāo)準(zhǔn)件如回轉(zhuǎn)工作臺，另一些是設(shè)計制作的刀盤、胎具等。刀盤裝夾在龍銑床側(cè)銑頭的主軸上，刀盤的直徑比球面寬度大5～10mm。供球面瓦旋轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)工作臺裝夾在銑床的工作平臺上，回轉(zhuǎn)臺上固定裝夾有一胎具，以便于球面瓦的定位裝夾。刀具回轉(zhuǎn)軸線與工件回轉(zhuǎn)軸線相交，是通過移動銑床工作平臺找正來實(shí)現(xiàn)?；剞D(zhuǎn)臺是機(jī)床通用夾具，因此其精度很高，它的旋轉(zhuǎn)可采用手動，也可采用機(jī)械傳動。機(jī)械傳動是由附加設(shè)置在銑床工作平臺上的傳動裝置來完成。傳動裝置由電機(jī)、三角帶、減速器、聯(lián)軸器等組成，通過聯(lián)軸器與回轉(zhuǎn)臺的輸入軸相聯(lián)。

3.3 球面瓦加工工藝步驟

3.3.1 球面瓦的端面、外圓、內(nèi)孔加工

球面瓦的端面、外圓、內(nèi)孔在車床上加工。

3.3.2 工件裝夾、機(jī)床調(diào)整、刀具裝夾。

(1)將回轉(zhuǎn)工作臺及傳動裝置等在銑床工作平臺上裝夾找正。

(2)校正銑床側(cè)銑頭，使主軸線與回轉(zhuǎn)工作臺平行，然后將其主軸線調(diào)整到球面的中心高度。

(3)將裝夾球面瓦的胎具與回轉(zhuǎn)工作臺定位緊固，然后將一對球面瓦裝夾，用胎具連接緊固。

(4)移動銑床工作平臺，調(diào)整兩回轉(zhuǎn)軸線使其相交，調(diào)整后記錄銑床工作平臺的標(biāo)尺刻度，以備以后調(diào)整用。

(5)裝夾刀盤，刀盤上的兩把刀要對稱一致。

(6)粗加工。若加工表面出現(xiàn)網(wǎng)狀刀紋，則可繼續(xù)加工。否則要微調(diào)銑床工作平臺，直至出現(xiàn)網(wǎng)狀刀紋。

3.3.3 切削加工參數(shù)的選定

(1)回轉(zhuǎn)工作臺的轉(zhuǎn)速：灰鑄鐵的進(jìn)給量一般選擇為：0.2～0.4mm。

(2)切削深度：取0.5～5mm。

(3)銑削速度：取60～110m/min。

3.4 銑削法加工外球面的優(yōu)點(diǎn)

與靠模法比較，采用銑削法加工球面有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)由銑削法加工球面的特點(diǎn)所決定，球面的加工質(zhì)量好，粗糙度Ra一般為1.6～6.4μm，符合設(shè)計圖紙的要求。

(2)銑削法加工裝置的剛性增加，切削效率提高兩倍多。

(3)工藝系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，選用標(biāo)準(zhǔn)件多，加工制作的工裝夾具相對減少，因而降低了工藝系統(tǒng)的積累誤差，使球面形位的精度提高。位置度為球Φ0.1mm以內(nèi)。

(4)加工裝置的裝夾找正相對比較方便，可采用試切法找正兩回轉(zhuǎn)軸線使其相交。提高了球面精度，橢圓度一般在0.05mm以內(nèi)。

綜上所述，采用銑削法加工的球面質(zhì)量明顯優(yōu)于靠模法，加工質(zhì)量符合設(shè)計要求，生產(chǎn)效率提高。

3.5 加工中應(yīng)注意的問題

(1)裝夾回轉(zhuǎn)工作臺時，應(yīng)盡量靠近側(cè)銑頭，避免銑頭主軸伸出過長而降低工藝系統(tǒng)的剛性。

(2)刀盤上刀桿長度不要太長，以免降低刀盤剛性，產(chǎn)生振刀現(xiàn)象。

(3)兩把刀的刀頭幾何形狀、尺寸要磨削一致，使刀盤受力均勻。

(4)球面裝夾時，要保持兩塊球面瓦的加工基準(zhǔn)一致，以減小誤差。

(5)加工中要注意回轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)向，使工件承受垂直向下的切削力，避免由于回轉(zhuǎn)臺卡盤與底盤間的軸承間隙，引起卡盤和工件的跳動。

3.6 誤差分析及消除方法

3.6.1 誤差分析

球面瓦產(chǎn)生形位誤差的因素較多，主要有以下幾種：對刀誤差δ刀，銑頭主軸徑向跳動誤差δ主，工件安裝及系統(tǒng)誤差δ裝，回轉(zhuǎn)臺主軸徑向跳動誤差δ臺，這些因素引起的球面瓦形位誤差為δ：

δ=δ刀+δ主+δ臺+δ裝

(1)

上述誤差有時是相互重疊的，有時則不一定重疊，因此應(yīng)盡量減小各種誤差。

3.6.2 誤差消除方法

在球面瓦的形位誤差δ中，δ主和δ臺是由所選用的機(jī)床及回轉(zhuǎn)臺的精度決定的，選用精度高的機(jī)床及回轉(zhuǎn)臺用于加工，這兩個誤差很小，對球面誤差的影響不大。對于δ裝，主要取決于工藝裝置本身的加工精度及安裝夾緊工件時的調(diào)整，因此提高工裝胎具的制作精度，裝夾時仔細(xì)校正，可以大大降低δ裝。對于δ刀，在粗加工時可略大些，但在精加工時必須仔細(xì)找正，可使用百分表等進(jìn)行找正，使銑刀旋轉(zhuǎn)中心重合，這樣就可以加工出符合圖紙要求的球面瓦。

3.7 銑削法加工存在的不足

(1)球面瓦的孔及外球面的加工需在兩種機(jī)床上完成，加大了工藝的復(fù)雜程度，增加了轉(zhuǎn)運(yùn)吊裝等環(huán)節(jié)。

(2)加工裝置復(fù)雜，準(zhǔn)備工作時間長。

(3)要求操作工人的技術(shù)水平高。

銑削法的經(jīng)濟(jì)效益分析

雖然銑削法存在不足，但它的經(jīng)濟(jì)效益是明顯的。主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

(1)球面瓦機(jī)加工的成品合格率由30%提高到接近100%。我公司每年加工各類球面瓦60塊左右，而每報廢1塊球面瓦的損失近1 800元，改進(jìn)后每年可減少損失近10萬元。

(2)加工效率提高兩倍多。節(jié)約工時，減少人工費(fèi)，加工每塊球面瓦節(jié)電50kW·h，每年節(jié)電近1 000kW·h。

(3)減少了球面瓦人工刮研時間，每塊球面瓦節(jié)約工時近15h，每年節(jié)約人工費(fèi)近8 000元。

(4)由于球面瓦加工精度提高，延長了使用壽命，減少了水泥廠配件的儲備，具有良好的社會效益。

4 結(jié)語

根據(jù)幾年來的經(jīng)驗(yàn)積累，我公司對球面瓦外球面加工工藝持續(xù)進(jìn)行改進(jìn)，以滿足不同產(chǎn)品的制造需求?，F(xiàn)根據(jù)銑削法加工外球面的原理，設(shè)計制作了專用的外球面加工設(shè)備，用于各類球面瓦的加工。實(shí)踐證明，采用銑削法加工球面瓦外球面是成功的，不僅提高了產(chǎn)品質(zhì)量和勞動生產(chǎn)率，而且具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，值得推廣應(yīng)用。

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