端面壓緊機(jī)構(gòu)在微型抗磁軸承磨削中的應(yīng)用

李兵建,張旭,魏秀軍,陳曦,李鵬飛

(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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河南 洛陽 471039;3.滾動(dòng)軸承產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟,河南 洛陽 471039)

1 存在的問題

端面壓緊機(jī)構(gòu)是指垂直于被加工工件的端面施加作用力,使之可靠定位于基準(zhǔn)面上,并隨定位部件穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu),定位部件所做的運(yùn)動(dòng)包含旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在軸承套圈精加工過程中,常用到電磁無心夾具、雙滾輪驅(qū)動(dòng)端面壓緊的壓力轉(zhuǎn)子機(jī)構(gòu)、液壓/氣壓定心端面滾輪壓緊機(jī)構(gòu)、兩支點(diǎn)定心端面滾輪壓緊機(jī)構(gòu)等定位夾具[1],其中軸承外圓、內(nèi)圓磨削專用磨床常應(yīng)用前2種。

電磁無心夾具工作原理如圖1所示,套圈以外徑面和端面為定位基準(zhǔn)面, 外徑面依靠前后支承定位,端面依靠機(jī)床磁極定位,并利用直流電磁線圈產(chǎn)生磁力,將工件端面吸附在磁極的端面上。當(dāng)磁極繞其軸心O旋轉(zhuǎn)時(shí),磁極就迫使工件繞其自身中心O′旋轉(zhuǎn),由于兩者有一個(gè)偏心量e,于是磁極端面對(duì)套圈產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)力矩和一個(gè)通過O′并垂直于OO′的摩擦合力F,從而使工件獲得穩(wěn)定的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)[2]。電磁無心夾具的局限性在于被加工工件應(yīng)為鐵磁性材料。

O—磁極中心;O′—工件中心;e—偏心量;α—支承角;β—兩支承夾角。

雙滾輪夾具由上下滾輪、徑向支承和端面定位板組成,如圖2所示。工作時(shí)由同向旋轉(zhuǎn)的上、下滾輪靠摩擦力驅(qū)動(dòng)套圈旋轉(zhuǎn),下滾輪中心與套圈中心同處于y軸上。上、下滾輪的軸心線與套圈的軸心線有一個(gè)不同方向的傾角β,保證工件軸向貼緊端面定位板,以獲得高精度的軸向定位[3]。雙滾輪夾具僅用于微型軸承零件內(nèi)表面的磨削加工。

圖2 雙滾輪夾具工作原理圖

抗磁軸承要求在使用過程中不受外界磁場干擾,具備高耐蝕性、高精度、長壽命等性能,選用的材料通常為鎳基、鈷基類非鐵磁性高合金鋼[4-5],電磁無心夾具和雙滾輪夾具已不能滿足微型抗磁軸承非鐵磁性材料套圈外表面的加工需求,有必要對(duì)磨削微型抗磁軸承套圈時(shí)的端面壓緊方式進(jìn)行改進(jìn)。因此,本文根據(jù)現(xiàn)有磨床,創(chuàng)新設(shè)計(jì)了端面壓緊機(jī)構(gòu)。

2 微型抗磁軸承小外徑面和端面原磨削加工方案

F618/2.5抗磁軸承小外徑面(D面)和端面(M面)是安裝定位基準(zhǔn)面和工藝加工基準(zhǔn)面,其加工精度要求高,工藝要求如圖3所示。

圖3 小外徑面和端面工藝要求

在對(duì)抗磁軸承小外徑面和端面進(jìn)行磨削加工前,需采用特殊的工藝方案將導(dǎo)磁工裝和套圈粘結(jié)在一起,待粘結(jié)牢固后方可進(jìn)行磨削加工,工藝步驟如下：

1)研磨套圈兩端面(A面和C面);

2)研磨導(dǎo)磁工裝兩端面(M面和N面);

3)粘接導(dǎo)磁工裝和凸緣外圈,使導(dǎo)磁工裝和套圈變成一整體可導(dǎo)磁零件;

4)在一定壓力下,壓緊導(dǎo)磁工裝M面和凸緣外圈A面,保證固化后組合零件端面平行差滿足工藝要求,如圖4所示;

圖4 壓裝示意圖

5)按固化工藝完成固化粘接;

6)待粘結(jié)牢固后,采用傳統(tǒng)的磨削方式在電磁無心夾具上進(jìn)行小外徑面和端面的精密磨削加工;

7)在專用的化學(xué)溶劑中分離凸緣外圈A面和導(dǎo)磁工裝M面。

8)重復(fù)多次粘接、分離,完成批次加工。

通過上述工序完成抗磁軸承套圈小外徑面和端面的磨削加工,進(jìn)入下一工序。采用該方案可加工出滿足工藝要求的套圈,但由于小外徑面作為后續(xù)加工的基準(zhǔn)面,需經(jīng)過粗磨加工、精磨加工和修磨加工,因此,每生產(chǎn)一個(gè)批次的產(chǎn)品就必須重復(fù)多次粘接、分離,勞動(dòng)強(qiáng)度大,生產(chǎn)效率低,制造成本高,生產(chǎn)周期長,嚴(yán)重制約著生產(chǎn)的批量化。為實(shí)現(xiàn)降本增效,縮短生產(chǎn)周期,滿足批量生產(chǎn)需求,工藝創(chuàng)新和效率提升勢在必行。

3 端面壓緊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

3.1 工作原理

利用連桿機(jī)構(gòu),通過氣缸的往復(fù)運(yùn)動(dòng),帶動(dòng)固定轉(zhuǎn)軸總成在一定角度內(nèi)正反運(yùn)動(dòng),進(jìn)而帶動(dòng)端面壓緊機(jī)構(gòu)在軸向產(chǎn)生作用力,壓緊套圈端面,為套圈提供軸向壓緊力。軸向壓緊力通過以下方式控制：1)調(diào)節(jié)氣缸進(jìn)氣口壓力;2)通過限位開關(guān)實(shí)現(xiàn)軸向壓緊力的雙重控制,實(shí)現(xiàn)代替電磁線圈產(chǎn)生軸向磁力的目的。

在徑向支承定位方面,前支承采用150°的V形浮動(dòng)頭,后支承采用65°斜面支承,以便更好地實(shí)現(xiàn)套圈旋轉(zhuǎn)過程中的自調(diào)節(jié)、自適應(yīng)功能。在磨削過程中,為避免套圈外徑尺寸的分散造成旋轉(zhuǎn)過程不穩(wěn)定,在端面壓緊機(jī)構(gòu)中增加軸向防護(hù)機(jī)構(gòu),保證磨削過程安全可控。在調(diào)整端面時(shí),壓緊無心夾具的夾角α,β和偏心量e見表1,磨削原理如圖5所示。

表1 端面壓緊機(jī)構(gòu)無心夾具調(diào)整參數(shù)

O—磁極中心;O′—工件中心;e—偏心量;α—支承角;β—兩支承夾角。

3.2 各部件功能及安裝

根據(jù)微型抗磁軸承外圈工藝要求,設(shè)計(jì)端面壓緊機(jī)構(gòu),裝配圖如圖6所示,圖中各零件(圖7)之間的作用和相互關(guān)系如下：

(a) 主視圖 (b) C視圖

(a) 工件軸殼體 (b) 氣缸過渡頭 (c) 固定軸安裝板 (d) 連接塊 (e) 固定軸座

1)工件軸殼體如圖7a所示,固定在機(jī)床底座托板上,安裝固定軸安裝板。

2)氣缸過渡頭如圖7b所示, 連接氣缸軸和連接塊。

3)固定軸安裝板如圖7c所示,通過螺栓固定連接在工件軸殼體上,左端通過螺栓連接安裝固定軸座,右下端安裝氣缸,為端面壓緊機(jī)構(gòu)提供源動(dòng)力,氣缸通過氣缸過渡頭和連接塊與固定軸聯(lián)動(dòng)桿連接。

4)連接塊如圖7d所示,與氣缸過渡頭和固定軸聯(lián)動(dòng)桿連接。

5)固定軸座如圖7e所示,通過螺栓連接安裝在固定安裝板上,為固定轉(zhuǎn)軸總成提供支承架。

6)固定轉(zhuǎn)軸總成如圖7f所示,通過壓緊固定轉(zhuǎn)軸固定在固定軸座中,上下對(duì)稱安裝,通過正反旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)壓緊軸總成壓緊或松開工件端面,為機(jī)構(gòu)提供回轉(zhuǎn)支承,內(nèi)裝2套圓錐滾子軸承,保證該機(jī)構(gòu)具有足夠的剛性和壽命。

7)固定軸連接板如圖7g所示,一端與固定轉(zhuǎn)軸總成殼體連接,一端安裝固定軸聯(lián)動(dòng)桿。

8)固定軸聯(lián)動(dòng)桿如圖7h所示,兩端分別與2個(gè)固定轉(zhuǎn)軸總成連接,將氣缸的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng);中間與連接塊連接傳遞氣缸直線運(yùn)動(dòng)。

9)壓緊軸安裝板如圖7i所示,左端通過固定軸連接板與固定轉(zhuǎn)軸總成安裝在一起,傳遞回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng);右端與軸向調(diào)節(jié)板連接,通過2個(gè)平行滑槽對(duì)壓緊軸總成進(jìn)行粗調(diào)整。

10)軸向調(diào)節(jié)板如圖7j所示,和壓緊軸安裝板連接,上端安裝徑向調(diào)整螺釘座,實(shí)現(xiàn)壓緊軸總成軸向的精確調(diào)整。

11)徑向調(diào)整螺釘座如圖7k所示,固定在軸向調(diào)節(jié)板上,調(diào)整壓軸總成的徑、軸向位移,以滿足不同套圈尺寸的定位要求。

12)限位板如圖7l所示,與固定軸連接板連接,調(diào)整固定轉(zhuǎn)軸總成的壓緊極限位置。

13)壓緊軸總成如圖7m所示,作為末端執(zhí)行機(jī)構(gòu),右端固定在軸向調(diào)節(jié)板上,內(nèi)部安裝一對(duì)高精度角接觸球軸承;左端安裝直徑4 mm硬質(zhì)合金棒,外徑面與套圈端面壓緊并一起穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)。

14)前支承和后浮動(dòng)頭如圖7n所示,固定在支承架上,為套圈磨削提供徑向力。

4 實(shí)際加工效果

以F618/2.5抗磁軸承為例,采用上述調(diào)試好的端面壓緊機(jī)構(gòu),按工藝要求采用復(fù)合磨削的方式加工已粗磨過的500個(gè)外圈小外徑面和端面,磨削加工參數(shù)見表2。加工完成后,隨機(jī)抽取50個(gè)外圈(總數(shù)量的12%)進(jìn)行檢測,結(jié)果見表3。由表3可知：1)外徑尺寸散差為0.01 mm,其中43#外圈外徑6.032 mm比工藝尺寸最大值大0.002 mm,其余均滿足要求,這是由于合金材料的固有特性,金屬粘結(jié)砂輪,致使砂輪切削能力不能夠充分發(fā)揮,在磨削過程中可通過增加砂輪修整頻率、增加修整量或插入長修程序進(jìn)行控制;2)形位公差和表面粗糙度均滿足工藝要求;3)所抽取樣本合格率為98.3%。對(duì)于小外徑面的檢測,在終磨小外徑面工序?yàn)槿繖z測,可避免不合格品的產(chǎn)生。

表3 F618/2.5抗磁軸承外圈小外徑面和端面各項(xiàng)指標(biāo)檢測結(jié)果

改進(jìn)前、后加工方案對(duì)比見表4：新方案縮短了工藝流程,降低了加工難度、勞動(dòng)強(qiáng)度及廢品率,據(jù)統(tǒng)計(jì)每加工500個(gè)可節(jié)省人力、物力成本約5 500元,且生產(chǎn)效率提高了近10倍。

表4 工藝方案對(duì)比分析

5 結(jié)束語

針對(duì)傳統(tǒng)電磁無心夾具和雙滾輪夾具不能滿足微型抗磁軸承非鐵磁性材料套圈外表面加工需求的問題,結(jié)合現(xiàn)有磨床設(shè)計(jì)了端面壓緊機(jī)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了代替電磁線圈產(chǎn)生軸向力的目標(biāo),通過調(diào)整氣缸壓力和限位開關(guān)實(shí)現(xiàn)了端面壓緊力的精確控制,并通過實(shí)際磨削加工驗(yàn)證了新工藝方案的可行性、合理性。此外,該機(jī)構(gòu)不僅適用于加工可導(dǎo)磁金屬,同樣適用于不可導(dǎo)磁的合金、金屬陶瓷、陶瓷、塑料,且能夠保證加工精度和可靠性。