數(shù)控軸承座球面孔鏜床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

潘繼超，周有華，李自立，吳鐵成

(1.新鄉(xiāng)日升數(shù)控軸承裝備股份有限公司,河南 新鄉(xiāng) 453700; 2.泛科軸承集團(tuán)有限公司,福建 泉州 362300)

1 軸承座球面孔的加工

1.1 球面成形原理分析

球面的形成可以看作是一條圓弧素線沿一個圓形導(dǎo)線運(yùn)動的軌跡，加工方法大致分為4種：成形法、仿形法、范成法和刀尖軌跡法[1]。成形法受刀具刃口損耗影響大，一般用于內(nèi)球面孔的粗加工；仿形法受靠模板精度影響大，適用場合與成形法類似；范成法成形精度高，一般適用于內(nèi)球面孔的磨加工。刀尖軌跡法應(yīng)用廣泛，粗精加工皆宜，主要探討采用刀尖軌跡法加工球面孔的設(shè)備。

刀尖軌跡法加工出球面孔的條件為：刀具在沿球面孔軸線的剖面內(nèi)的移動軌跡必須是段圓弧，且圓心位于球面孔的軸線上，即形成圓弧素線；刀具與工件沿被加工球面孔的軸線相對旋轉(zhuǎn)即形成圓形導(dǎo)線，如圖1所示。

圖1 球面孔成形原理圖

刀尖在平面內(nèi)形成圓弧軌跡的機(jī)械方式分為2種：兩軸插補(bǔ)和單軸擺動。刀具與工件哪一方相對旋轉(zhuǎn)，理論上對加工球形精度并無影響，因此重點(diǎn)分析刀具形成圓弧軌跡的2種方式，甄別哪種方式在機(jī)械上容易形成更高精度的圓弧輪廓。

兩軸插補(bǔ)方式形成圓弧軌跡時，刀具尖部與切削輪廓的夾角β隨進(jìn)給不斷變化，刀尖的幾何形狀誤差δ直接影響加工輪廓的精度，呈復(fù)映誤差累加關(guān)系，如圖2所示。

圖2 刀具兩軸插補(bǔ)形成圓弧軌跡原理圖

單軸擺動方式形成圓弧軌跡時，刀具尖部與切削輪廓的夾角β隨進(jìn)給始終無變化，刀尖的幾何形狀誤差不會影響加工輪廓的精度，如圖3所示。

1.2 加工設(shè)備的新要求

先前的軸承座加工設(shè)備存在諸多難以克服的缺點(diǎn)：普通數(shù)控車床加工原理存在不足，兩軸插補(bǔ)機(jī)械結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)性要求高，保持精度需付出高昂的使用成本；老式擺刀鏜床僅能加工立式座，加工工序單一，尺寸不能準(zhǔn)確量化調(diào)整，刀具違背粗、精分立的機(jī)械加工原則。二者都存在自動化程度低的問題。在軸承產(chǎn)品品質(zhì)要求不斷提高、用工成本上升的當(dāng)下，提高產(chǎn)品加工質(zhì)量和加工過程的自動化程度成為企業(yè)的必然選擇[2]。綜合考慮加工原理、自動化實(shí)現(xiàn)難易程度等因素，軸承座球面孔加工必然向基于刀具單軸擺動成形原理的鏜削加工方向發(fā)展。

基于上述2種設(shè)備的缺點(diǎn)和軸承座球面孔加工發(fā)展趨勢，市場對加工設(shè)備提出了更高的要求：加工球形精度、球徑精度大幅度提升，并持續(xù)穩(wěn)定；工序集中，能夠一次裝夾完成球面孔和油槽的加工；適應(yīng)更多的軸承座類型，能夠滿足立式軸承座(圖4)、帶凸緣軸承座(圖5)等市面上80%以上的量產(chǎn)品種；自動化程度更高，能夠?qū)崿F(xiàn)自動上料、自動加工、自動排料，滿足一人多機(jī)的操作模式[3]。

圖4 立式鑄鐵軸承座外形圖

圖5 帶凸緣鑄鐵軸承座外形圖

2 設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及創(chuàng)新

基于刀具單軸擺動成形原理的系列軸承座球面孔數(shù)控鏜床[4]分為臥式結(jié)構(gòu)(圖6)和立式結(jié)構(gòu)(圖7)兩大類，以適應(yīng)立式軸承座和帶凸緣軸承座的加工，其核心部件基本相同，便于日常維護(hù)和刀具的通用。鏜床主要由床身、主軸箱、進(jìn)給系統(tǒng)、鏜刀系統(tǒng)、擺刀機(jī)構(gòu)、自動夾具、上下料機(jī)構(gòu)、供理料機(jī)、氣動系統(tǒng)、防護(hù)罩等構(gòu)成。以下主要介紹關(guān)鍵性的機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1—操作箱；2—自動機(jī)械手；3—自動夾具；4—排屑槽；5—床身；6—集中潤滑；7—電柜；8—護(hù)罩

1—操作箱；2—自動機(jī)械手；3—自動夾具；4—排屑槽；5—床身；6—集中潤滑；7—電柜；8—護(hù)罩

2.1 主傳動系統(tǒng)參數(shù)的確定

球面孔的鏜削分為4步：粗鏜底孔、粗鏜球面、鏜油槽、精鏜球面。球徑尺寸Sφ47～110 mm，HT200灰鑄鐵外球面軸承座各工序加工工藝參數(shù)見表1。

表1 外球面軸承座各工序加工工藝參數(shù)范圍

圖8 軸承座球面孔鏜削余量分配圖

圓柱孔鏜削余量由拔模斜度α產(chǎn)生的切削余量h1和設(shè)計(jì)余量h2組成；球面孔鏜削余量等于球面孔輪廓在軸向剖面上對應(yīng)的弦高h(yuǎn)3[2]。

根據(jù)以上參數(shù)，結(jié)合鏜床的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，經(jīng)計(jì)算確定新設(shè)計(jì)的數(shù)控軸承座球面孔鏜床的主要傳動系統(tǒng)參數(shù)如下：主軸驅(qū)動采用變頻調(diào)速三相異步電動機(jī)(6級，1 000 r/min，4 kW)，經(jīng)同步帶減速傳動(速比2∶1)，主軸額定轉(zhuǎn)速為500 r/min，最大輸出扭矩為76 N·m；主軸進(jìn)給驅(qū)動采用伺服電動機(jī)(0.9 kW，8.5 N·m)[5]，經(jīng)滾珠絲杠放大，可以產(chǎn)生5 000 N的進(jìn)給力，最大進(jìn)給速度為500 mm/min,最大快移速度為5 000 mm/min；擺刀進(jìn)給驅(qū)動采用伺服電動機(jī)(0.75 kW，2.5 N·m)[4]，經(jīng)滾珠絲杠放大，可產(chǎn)生3 000 N的進(jìn)給力,最大進(jìn)給速度為300 mm/min，最大快移速度為3 000 mm/min?？沙浞譂M足表1中的工件加工工況。

2.2 主軸及主軸箱進(jìn)給部分的設(shè)計(jì)

由于外球面軸承座加工為內(nèi)球面鏜削，且為斷續(xù)切削，加工過程中沖擊振動引起的表面質(zhì)量差、加工精度不穩(wěn)定及刀具損耗快等問題，長期困擾該類零件的加工。新的數(shù)控軸承座球面孔鏜床在主軸及進(jìn)給設(shè)計(jì)方面采取的措施為：主軸為套筒式結(jié)構(gòu)(圖9)，采用精密級單列角接觸球軸承和雙列圓柱滾子軸承“前三后一”的經(jīng)典鏜銑主軸結(jié)構(gòu)布局，前端3套7018AC，后端1套NN3018，具有高剛性、易維護(hù)等特點(diǎn)。主軸端部為ISO BBT50雙拘束接口，即主軸與鏜刀刀柄實(shí)現(xiàn)錐面和端面同時過定位配合，具有極佳的接觸剛性，且定心精度高、互換性好，是目前世界上最先進(jìn)的主軸與刀具連接方式之一。

主軸箱進(jìn)給運(yùn)動采用伺服電動機(jī)驅(qū)動預(yù)拉伸滾珠絲杠副帶動，可使進(jìn)給更加平順；拖板支承采用負(fù)游隙高剛性滾柱直線導(dǎo)軌加阻尼器的形式，兼具滾動導(dǎo)軌的靈活性和滑動導(dǎo)軌的阻尼性優(yōu)點(diǎn)，可衰減斷續(xù)切削帶來的振動沖擊且精度保持可達(dá)5年以上；拖板采用低重心設(shè)計(jì)，主軸軸線與支承導(dǎo)軌處于同一平面，使受力點(diǎn)與支承點(diǎn)“三點(diǎn)一線”距離最近，提升進(jìn)給系統(tǒng)剛性(圖9)。該結(jié)構(gòu)完全優(yōu)于擺刀鏜床進(jìn)給拖板采用液壓驅(qū)動、滑動導(dǎo)軌支承的結(jié)構(gòu)。

1—主軸；2—底座；3—絲杠；4—導(dǎo)軌；5—主軸箱

從實(shí)際使用情況來看，主軸和主軸箱進(jìn)給部分設(shè)計(jì)采取上述應(yīng)對措施，二者又集成在主軸箱上，在斷續(xù)鏜削加工工況中，可有效降低刀具加工時產(chǎn)生的自激振動幅值，反映到加工效果上表現(xiàn)為：表面質(zhì)量提升(表面粗糙度Ra可達(dá)1.25～1.6 μm)、刀具損耗降低(單個刀片可加工4 000～5 000件)及尺寸穩(wěn)定性提高(連續(xù)加工的100件軸承座球徑尺寸差為0.012～0.015 mm)。

2.3 組合鏜刀系統(tǒng)設(shè)計(jì)

球面孔鏜削加工工序中共需要5把刀。新設(shè)計(jì)的組合鏜刀系統(tǒng)如圖10所示，將這些刀具融合在一起，5把刀具各負(fù)其職，互不干擾[6]。系統(tǒng)中2把粗鏜底孔刀具進(jìn)給由伺服電動機(jī)驅(qū)動滾珠絲杠帶動主軸箱運(yùn)動實(shí)現(xiàn)；粗鏜球面、鏜油槽、精鏜球面刀具進(jìn)給由伺服電動機(jī)驅(qū)動齒條帶動齒輪擺動實(shí)現(xiàn)。

圖10 組合鏜刀系統(tǒng)示意圖

組合鏜刀系統(tǒng)中精確控制球徑尺寸的裝置是可調(diào)型精鏜單元，如圖11所示，此單元可用專用扳手調(diào)整螺母，順時針加尺寸，逆時針減尺寸，調(diào)整完畢自動鎖定。螺母上有刻度盤，每格0.01 mm；座圈上有微調(diào)刻度，可實(shí)現(xiàn)最小分辨率為0.001 mm的量化調(diào)整[7]。

圖11 可調(diào)型精鏜單元

2.4 自動化物料系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)控軸承座球面孔鏜床系列產(chǎn)品主要針對立式軸承座和帶凸緣軸承座進(jìn)行自動化設(shè)計(jì)，主要包括3個部分：上下料輸送裝置、自動機(jī)械手、自動夾具。下面以立式軸承座為例進(jìn)行介紹，帶凸緣軸承座與之類似。

立式軸承座上下料輸送裝置如圖12所示，分為毛坯供料輸送帶、完序理料輸送帶。2條輸送帶均由減速電動機(jī)驅(qū)動，均為不銹鋼材質(zhì)，具有極強(qiáng)的耐磨性。供料側(cè)輸送帶采用變頻調(diào)速，以適應(yīng)大小工件不同的生產(chǎn)節(jié)拍。

圖12 工件上下料輸送裝置(俯視)

自動機(jī)械手和夾具如圖13所示。機(jī)械手采用桁架式結(jié)構(gòu)，2個抓取單元分布在可水平移動的橫梁兩端，左端抓取單元從供料輸送帶上抓取工件，提升后水平移動至自動夾具；右端抓取單元從夾具上把完序件抓取提升后，水平移動放置到理料輸送帶上，從而完成工件的上下料動作。自動夾具配合機(jī)械手工作，上料時機(jī)械手將工件放至夾具內(nèi)夾緊定位，加工完畢后，夾具松開工件，機(jī)械手將工件抓取移動至理料輸送帶。

圖13 立式軸承座機(jī)械手和夾具

3 實(shí)際應(yīng)用效果

目前，數(shù)控軸承座球面孔鏜床已經(jīng)在國內(nèi)福建、河南等地外球面軸承座生產(chǎn)廠家批量使用，主要用于加工HT200立式軸承座和帶凸緣軸承座。通過近2年各廠家投入使用的情況來看，數(shù)控軸承座球面孔鏜床較普通數(shù)控車床具有明顯的優(yōu)勢，各項(xiàng)指標(biāo)對比見表2[8]。

表2 數(shù)控軸承座球面孔鏜床與普通數(shù)控車床加工外球面軸承座情況對比

另外，江蘇部分外球面軸承座生產(chǎn)廠家設(shè)備技改力度走在國內(nèi)前列，已進(jìn)入全功能精密數(shù)控車床時代，該類車床新投入使用階段的加工精度已經(jīng)接近鏜床，但是其采購及后續(xù)使用成本高，且難以解決自動化上下料的問題，僅有個別實(shí)力較強(qiáng)的廠家小范圍使用，還不具有普遍性，因此，未作為對比目標(biāo)。

4 結(jié)束語

數(shù)控軸承座球面孔鏜床系列產(chǎn)品的成功研制，創(chuàng)造性的將5把刀具集成到一個鏜削系統(tǒng)上，使得軸承座的加工工序進(jìn)一步集中，在提高加工精度及穩(wěn)定性、降低人力成本、節(jié)約能源消耗等方面較普通數(shù)控車床具有明顯優(yōu)勢。臥式和立式2種機(jī)型的相繼開發(fā)，目前已能滿足80%以上量產(chǎn)外球面軸承座的加工需要，為實(shí)現(xiàn)軸承座加工一人操作多機(jī)的自動化生產(chǎn)模式奠定了基礎(chǔ)，有力地支持了國內(nèi)軸承座加工邁上一個新的臺階。隨著對自動化程度需求的不斷提升，后續(xù)還會衍生出單機(jī)多序組成連線、單機(jī)全序集成復(fù)合等形式的自動化成套裝備，屆時軸承座加工將進(jìn)入全面自動化時代。