多線切割機用弧形導軌軸承單元的設計

王淼，王玉國，張亞輝，張闐，史松霞

(1.洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039； 2.河南省高性能軸承技術(shù)重點實驗室，河南 洛陽 471039；3.滾動軸承產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，河南 洛陽 471039)

1 概述

隨LED照明需求爆發(fā),智能手機后置鏡頭保護玻璃及Home鍵指紋傳感器等新應用的出現(xiàn)，對單晶硅、藍寶石等需求大大增加。相應的,這些材料的加工設備需求也增大[1-3]。多線切割機切割速度快、損耗低、精度高，已成為單晶硅、多晶硅、LED、石英水晶、磁性材料等硬脆性材料切片加工的主流設備。搖擺式多線切割機原理如圖1所示，多線切割機由幾百根等間距的高速線鋸將物料均勻的切割成幾百片等厚度的工件。某搖擺式多線切割機物料夾持裝置示意圖如圖2所示，為了保證切割過程中線鋸與物料之間受力均勻，物料需繞自身中心線往復旋轉(zhuǎn)一定角度。軸承單元主要功能是通過物料裝夾裝置帶動物料往復按一定角度轉(zhuǎn)動，并與主機連接，這就要求軸承單元既要保證物料轉(zhuǎn)動的精度，又要保證具有足夠的剛性。

1—物料夾持裝置；2—物料旋轉(zhuǎn)機構(gòu)；3—物料；4—高速線鋸圖1 搖擺式多線切割機原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of swinging multi-wire cutting machine

1—物料旋轉(zhuǎn)傳動機構(gòu)；2—固定端；3—軸承單元；4—物料圖2 某搖擺式多線切割機物料夾持裝置示意圖Fig.2 Diagram of material clamping device for a swinging multi-wire cutting machine

2 軸承單元技術(shù)要求

1)內(nèi)圈與裝夾有物料的物料夾具連接，帶動物料在固定的位置繞自身的中心往復旋轉(zhuǎn)回轉(zhuǎn)角度≥±12°；2) 外圈固定在主機架上；3)物料在轉(zhuǎn)動過程中軸、徑向的竄動量<0.01 mm；4)環(huán)境溫度為0～45 ℃;5)轉(zhuǎn)速為0.33 r/min；6)工件質(zhì)量為300 kg；7)工作壽命為5年以上。

3 軸承設計

3.1 軸承單元結(jié)構(gòu)設計

普通軸承為整圓結(jié)構(gòu)，必須通過軸承內(nèi)圈與軸、外圈與座孔的配合才能實現(xiàn)轉(zhuǎn)動部件與主機的連接，不適合搖擺式多線切割機類設備的使用要求。故此軸承單元采取剖分結(jié)構(gòu)，取整圓軸承的一部分，實現(xiàn)往復運動。例如：此軸承單元取整圓的1/6，可根據(jù)往復角度、空間、剛性等需要調(diào)整。

為了保證軸承具有足夠的剛性，選擇交叉滾子軸承作為基本結(jié)構(gòu)類型。軸承單元內(nèi)、外圈側(cè)面各突出一個平面，開有螺紋孔，通過螺栓連接使外圈與主機相連，內(nèi)圈與裝夾物料的工裝相連，最終實現(xiàn)主機與物料之間的安裝固定。同時上下分布的安裝平面節(jié)約了空間，又有一定的剛性?？紤]到工件運轉(zhuǎn)環(huán)境，為保證軸承旋轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性及抗傾覆力矩的能力，采用雙滾道結(jié)構(gòu)。初步設計2種滾道布置位置結(jié)構(gòu)，如圖3所示?，F(xiàn)對2種滾道布置結(jié)構(gòu)進行分析對比。

圖3 軸承單元結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of bearing unit

3.1.1 受力情況

結(jié)構(gòu)1在工件重力作用下僅單列滾子受載；結(jié)構(gòu)2兩列滾子同時承載，可減小單列滾道載荷，從而提高軸承單元的承載能力。

3.1.2 加工性能

結(jié)構(gòu)1滾道加工示意圖如圖4所示，由于尺寸受限，外圈和內(nèi)圈滾道會形成一個封閉環(huán)槽。容納軸承單元的空間尺寸預設為340 mm×120 mm×70 mm。初步估算軸承單元寬度為42 mm，滾道直徑約為446 mm。若選擇立式磨床加工，空間上可以滿足，但砂輪線速度卻無法滿足滾道磨削精度要求。大直徑小空間的加工，非常困難。

圖4 結(jié)構(gòu)1滾道加工示意圖Fig.4 Processing diagram for raceway of structure 1

結(jié)構(gòu)2采用分體式外圈結(jié)構(gòu)，軸承在立式磨床上利用臥軸磨削滾道，如圖5所示。由于滾道空間為開放式，采用正常直徑的砂輪就可進行滾道磨削加工，降低了加工難度，同時正常的砂輪線速度就可滿足軸承滾道精度及粗糙度的要求。

圖5 結(jié)構(gòu)2滾道加工示意圖Fig.5 Processing diagram for raceway of structure 2

3.1.3 可裝配性

對于結(jié)構(gòu)1，內(nèi)、外圈均形成了封閉的環(huán)槽，裝配時只能從一側(cè)邊轉(zhuǎn)動邊裝入滾子及保持架。裝入后保持架及滾子組件的位置無法調(diào)整。對于結(jié)構(gòu)2，外圈采用分體式結(jié)構(gòu)，軸承裝配容易，且游隙調(diào)整方便。

3.1.4 小結(jié)

綜合分析認為，該弧型導軌軸承結(jié)構(gòu)應選結(jié)構(gòu)2。

為均勻分離滾子，采用了整體扇形保持架，如圖6所示。為防止?jié)L子在運動中掉出，在滾道的兩側(cè)均裝有擋板限位裝置，如圖7所示。由于外圈為分體結(jié)構(gòu)，僅靠螺栓固定無法保證軸承在使用過程中的精度，故增加了2個過盈配合的圓柱銷，以防止轉(zhuǎn)動過程中兩半外圈發(fā)生錯位造成精度喪失，如圖8所示。

圖6 保持架結(jié)構(gòu)Fig.6 Structure of cage

圖7 擋板安裝示意圖Fig.7 Installation diagram of baffle

圖8 定位圓柱銷位置示意圖Fig.8 Position diagram of positioning cylindrical pin

3.2 材料選擇

材料要求：1)滾道表面有很高的接觸強度、抗磨損能力和抗剝蝕能力;2)應有較好的淬硬性和適當?shù)拇阃感?3)由于該軸承單元結(jié)構(gòu)復雜，且需要熱處理后進行機加工，因此在滿足軸承耐磨性的同時，還要保證除滾道外其他表面的可加工性。

套圈材料選用42CrMo，具有優(yōu)良的力學性能(抗磨損、抗剝蝕、抗塑性變形、抗沖擊)，可使軸承承載能力更強，使用壽命更長[3]。滾道表面淬火后硬度可達55～62 HRC，其他部分調(diào)質(zhì)硬度達到229～269 HB。滾子材料為GCr15。

3.3 軸承單元部分參數(shù)計算

從運轉(zhuǎn)平穩(wěn)性和剛性來說，軸承單元滾子數(shù)量越多越好，滾道直徑越大越好。該軸承單元承受的力主要是物料及夾具產(chǎn)生的重力和傾覆力矩，還要承受高速線鋸時產(chǎn)生的切割力。估算該聯(lián)合載荷并不大(2.9～4.9 kN)，空間和加工性是限制軸承主參數(shù)的因素。經(jīng)與主機廠商議，滾道長度取整圓的1/6。主參數(shù)設計以此為基礎。

3.3.1 滾子的布置

由于軸承為剖分結(jié)構(gòu)，主機對回轉(zhuǎn)角度的要求決定了滾子安裝空間?；⌒螌к壿S承回轉(zhuǎn)示意圖如圖9所示，要滿足主機回轉(zhuǎn)角度≥±12°的要求，內(nèi)圈轉(zhuǎn)出外圈的角度需大于12°，但不宜過大。內(nèi)、外圈重疊部分即為滾子的有效安裝空間，回轉(zhuǎn)角度過小會使?jié)L子數(shù)量減少。最終確定內(nèi)圈轉(zhuǎn)出外圈角度為15°，此時軸承有效回轉(zhuǎn)角度為±15°。

3.3.2 滾道直徑

由于該軸承單元結(jié)構(gòu)特殊，滾道直徑的選取要充分考慮可加工性，以防加工中存在干涉問題，如圖10所示。為保證砂輪加工滾道過程中不與套圈擋邊干涉，必須事先考慮滾道的位置以及加工時所允許的最大砂輪直徑。根據(jù)現(xiàn)場實際的加工設備，最終軸承滾道直徑確定為446 mm。

圖10 砂輪滾道磨削示意圖Fig.10 Grinding diagram of grinding wheel raceway

3.3.3 游隙設計

為保證軸承的剛性，根據(jù)經(jīng)驗軸向游隙為-0.02～0 mm。

3.3.4 精度設計

物料在轉(zhuǎn)動過程中要求軸向和徑向的竄動量<0.01 mm，作為軸承單元，運轉(zhuǎn)精度應達到徑向、軸向跳動小于0.01 mm,基本相當于同轉(zhuǎn)盤軸承P2跳動，故軸承單元精度為P2。

部分軸承單元參數(shù)見表1，其他參數(shù)設計可參考交叉滾子軸承的設計方法。

表1 軸承單元參數(shù)Tab.1 Parameters of bearing unit

4 設計方案驗證

為保證設計的可靠性，對主參數(shù)進行校核。

4.1 壽命計算

參考文獻[4]中交叉圓柱滾子導軌基本額定動載荷及壽命的計算方法,當Dw=6 mm時，單個滾子的基本額定動載荷C1=3.84 kN。導軌基本額定動載荷為

C=[2L(Z/2-1)]1/36(Z/2)3/427/9C1,

(1)

由(1)式得C為41.1 kN。

導軌軸承壽命為

(2)

式中：P為導軌軸承承受當量載荷；θ為旋轉(zhuǎn)的角度；n為每分鐘往復的次數(shù)。

根據(jù)工況條件計算，P=21 kN，θ=15°，n=0.5；由(2)式可得Lh=1.9×106h=213年?5年，顯然壽命遠遠滿足要求。

圓弧導軌不同于普通軸承，在壽命滿足情況下還應校核其允許載荷F。F可表示為

F=C1Z/2=36.48 kN?2.9～4.9 kN，

顯然載荷也滿足要求。

4.2 軸承安全校核

當Dw=6 mm時，單個滾子的基本額定靜載荷為C01=2.96 kN。導軌基本額定靜載荷為

C0=ZC01=56.24 kN。

根據(jù)工況條件計算，導軌軸承承受當量靜載荷P0為1.5 kN,則軸承安全系數(shù)S0為

S0=C0/P0=37?1.45(重載)，

滿足要求。

4.3 圓柱銷安全校核

該軸承單元所用圓柱銷主要承受兩半外圈錯位產(chǎn)生的剪切應力，核算圓柱銷的剪切強度。圓柱銷的剪切應力為

式中：F為圓柱銷所承受的剪切力，根據(jù)材料力學計算后取150 N。

圓柱銷材料為45#鋼時，[τ]=80～100 MPa，τ<[τ]，圓柱銷不存在安全問題。

5 工藝路線

5.1 外圈

鍛件圓環(huán)→車加工→滾道表面淬火→粗磨平面→內(nèi)、外徑磨圓→找正內(nèi)徑線切割外形→鉆安裝孔、油孔→去應力穩(wěn)定處理→磨平面→磨內(nèi)徑面→磨雙滾道→線切割切斷→鉆斷面安裝孔→外圈完成。

5.2 內(nèi)圈

鍛件圓環(huán)→車加工→滾道表面淬火→粗磨平面→內(nèi)、外徑磨圓→去應力穩(wěn)定處理→磨平面→磨安裝面內(nèi)徑面→靠磨安裝面→磨滾道(配游隙)→找正外徑線切割外形、切斷→鉆安裝孔、油孔→鉆斷面安裝孔→內(nèi)圈完成。

6 結(jié)束語

將設計好的多線切割機用弧形導軌軸承單元裝機使用，軸承單元實際徑向、軸向跳動分別為0.00～0.005 mm，0.008～0.009 mm。運行過程中軸承運轉(zhuǎn)正常，物料可在固定的位置繞自身的中心往復旋轉(zhuǎn)，回轉(zhuǎn)角度±12°。檢驗切割完成后的試樣物料，單片平行度 ≤0.008 mm，滿足了客戶要求。