外球面球轴承座数控复合加工机床探讨

摘要:针对当前外球面球轴承座加工精度及自动化程度低的问题，设计了一种数控复合加工机床，轴承座仅一次装夹，基于镗杆旋转中心、刀具摆动中心、工件球面中心三心合一的复合运动原理，通过粗镗、镗槽、半精镗、精镗完成球面孔和油槽的镗削，同时完成球面注油孔钻孔、攻丝加工。采用新的加工机床后，轴承座加工精度及生产效率大幅提高。

关键词:滚动轴承;外球面轴承;轴承座;机床;自动化;加工精度

1概述

外球面球轴承座内径面与轴承外径面配合，两者之间具有自调心功能。随无心磨削技术的发展，外球面球轴承外径面加工精度已达到较高水平，但轴承座内径面加工精度仍较低［1－5］，轴承座主要加工部位如图1所示，包括球面孔、油槽和注油孔。轴承座内径面与轴承外径面精度不匹配，会产生以下问题:1)球面不吻合，润滑脂泄漏，泥土、灰尘、水分等容易进入，影响轴承使用寿命和工作性能;2)尺寸散差大，轴承外径面与轴承座内径面通用性和互换性差;3)球面轮廓误差大，配合时零件易变形，影响其自调心功能。现有外球面球轴承座加工设备以两轴联动插补数控车床为主流，存在以下不足:1)滚珠丝杠间隙、两伺服轴惯量不匹配影响轴承座球面轮廓度，要保证较高的加工精度，成本较高。2)两轴插补时刀具几何形状误差影响加工轮廓，导致误差复映。3)工件旋转，无法实现钻孔、攻丝复合加工，自动上、下料困难，工序分散，占地面积大。4)自动化程度低。针对上述问题，开发了一种外球面球轴承座数控复合加工机床。

2数控复合加工机床结构

2.1整体结构

外球面球轴承座数控复合加工机床采用模块化设计，主要由床身、主轴箱、镗头体(含镗刀伺服推拉机构)、钻攻单元、工件拖板伺服进给机构(含工件夹具)等组成，如图2所示。通过高强度螺钉将主轴箱安装在床身上，采用骑缝销定位，镗头体与主轴采用BT50锥柄连接，变频电动机通过同步带驱动主轴旋转，采用高精度套筒式主轴(轴、径向跳动不超过0．005mm)，镗杆机构旋转精度较高。钻攻单元固定于主轴箱上，依次为钻孔机、攻丝机，水平可调整，整体可旋转45°，满足偏角度注油孔斜向钻、攻的需求。通过螺钉将工件拖板固定在床身上，采用销钉定位，上拖板通过伺服电动机+联轴器+滚珠丝杠驱动进给，自动夹具具有较高的定位精度(±0．01mm)和重复定位精度(±0．005mm)，可依次精准进给至各工位。

2.2镗头体机构

镗头体为核心机构，镗头体(图3)通过主轴和镗刀伺服推拉机构(图4)驱动实现镗刀旋转+摆动的复合运动以及工件多工位进给。精镗、半精镗齿轮分别由精镗、半精镗摆动圆锥滚子轴承支承，圆锥滚子磨损后，通过压紧端盖可进行二次预紧，从而使刀具保持较高的摆动精度。镗刀连杆通过拉杆驱动镗头体内精镗齿轮顺、逆时针摆动，摆动角度由伺服电动机控制，精镗齿轮啮合驱动半精镗齿轮同时顺、逆时针摆动，半精镗齿轮驱动拨块，实现镗槽刀具上、下进给。镗刀伺服推拉－旋转转换机构由伺服电动机、联轴器、滚珠丝杠轴承座、滚珠丝杠组成，伺服电动机驱动滚珠丝杠旋转，带动滑座前后移动，滑座采用线规滑块导向，镗刀连杆通过可旋转的轴承座安装在滑座上。镗刀连杆完成旋转+前后移动的复合运动。

3外球面球轴承座的加工

3.1轴承座的整体复合加工流程

拖板安装在床身上，上拖板通过伺服进给机构驱动进给，伺服进给机构由伺服电动机、弹性联轴器、滚珠丝杠组成，支承为十字交叉滚子导轨，具有刚性好，动、静摩擦因数一致，定位精度高等优势。夹具安装在上拖板上，轴承座在夹具上装夹定位，上拖板在伺服进给机构驱动下，轴承座依次通过各工位。轴承座进给至注油孔钻孔工位，钻孔机完成钻孔，粗镗刀具旋转+轴承座进给完成球面孔粗镗圆柱黑皮，上拖板进给至镗槽位、半精镗位、精镗位，半精镗刀具、镗槽刀、精镗刀具(攻丝机与精镗同步)依次对轴承座加工，完成注油孔钻孔→球面孔粗镗圆柱→半精镗球面→镗油槽→精镗球面(注油孔攻丝)的复合加工。

3.2球面孔、油槽的复合加工

通过螺钉锁紧压块将粗镗刀具安装在镗头体端头，主轴带动粗镗刀具旋转，伺服进给，完成轴承座圆柱孔的加工(主要去除黑皮毛坯)。半精镗刀具、精镗单元至轴承座球面中心，刀具完成旋转+摆动的复合运动，满足镗杆旋转中心、刀具摆动中心、工件球面中心合一的条件，依次完成球面孔的半精镗、精镗。精镗单元具有尺寸微调功能，可保证球面孔的加工精度。镗槽刀具位于轴承座油槽位置，半精镗齿轮驱动拨块，镗槽刀具上、下进给+主轴旋转的复合运动完成油槽加工。

3.3注油孔的复合加工

轴承座注油孔一般先在打孔机上钻孔，再搬到攻丝机上攻丝完成，加工效率低。数控复合加工机床钻攻单元如图5所示，通过螺钉将钻攻单元安装在主轴箱上，采用销钉定位，钻孔机、攻丝机安装在滑座上，滑座与横梁燕尾配合，可水平调整，横梁与回转板组合，链条安装在回转板上，通过链轮机构驱动链条，以回转中心为中心可整体旋转45°，满足不同角度注油孔的加工。钻孔机液压驱动可上、下移动，电动机通过同步带轮驱动钻孔机旋转，钻头旋转+下降实现轴承座注油孔的加工，结束后钻头上升。1—钻头;2—支承座;3—回转板;4—链条;5—钻孔同步带轮;6—钻孔电动机;7—链轮机构;8—横梁;9—滑座;10—钻孔机同步带轮;11—攻丝机;12—攻丝电动机;13—攻丝电动机同步带轮;14—丝锥;15—回转中心。图5钻攻单元Fig．5Drillingandtappingunit攻丝机采用导杆式，导杆导程等于丝锥导程，电动机转速与丝杆导程的乘积为丝锥升降速度，同步带轮驱动攻丝机导杆，攻丝电动机正转，丝锥下降攻丝，攻丝电动机反转，丝锥上升，完成轴承座注油孔丝孔的加工。

3.4优点及不足

复合加工的优点如下:1)镗刀杆集粗镗、半精镗、精镗、镗油槽刀具于一体，精镗刀采用精镗刀头，具有微调功能，可提高球形和球径椭圆加工精度。2)将粗、精工序分开，零件应力得到充分释放，减小了误差累积。3)粗、半精、精刀具分开，提高了刀具使用寿命及球面加工精度。4)镗球面孔工位有钻孔机、攻丝机，一次装夹即可完成注油孔的加工，且配有自动化装置，可实现自动上、下料。5)采用全封闭护罩，可以带切削液加工，减少了工件发热导致的加工精度低的问题。存在的不足及改进方向如下:1)刀具磨损后，无法同车床一样通过改变数控系统参数进行刀具补偿，需要手工调整精镗刀头，操作不便。2)采用全封闭护罩，铁粉同切削液混合，切削液需定期更换。3)由于镗杆直径较小，刚性不足，小尺寸轴承座不宜选择该类加工方式。后期可采用定制精镗刀头，减小精镗刀头直径，提高镗杆刚性。4)钻头侧向受力，易折断。后期可增加导向板，防止钻头偏移，提高钻头使用寿命。

4实际加工效果

采用新加工方案后，球形及球径椭圆加工精度提高至0．01mm以内，表面粗糙度Ｒa值从1．6～3．2μm降低至1．0～1．6μm，每个刀具加工件数从20～30提高至100，每套轴承加工时间从1．5～2．0min降低至45～47s，单人操作台数从2台提高至5～12台，加工精度及生产效率明显提高。

参考文献:

［1］周有华，潘继超，洪达毅，等．轴承座球面孔镗床的改进设计［J］．轴承，2015(3):23－29．

［2］潘继超，周有华，李自立，等．数控轴承座球面孔镗床的结构设计［J］．轴承，2016(7):21－25．

［3］沙杰．加工中心结构、调试与维护［M］．北京:机械工业出版社，2005．

［4］李华．机械制造技术(修订版)［M］．北京:高等教育出版社，2013．

［5］王世保，潘继超，皇甫兵，等．一种组合摆动镗刀刀杆装置:CN204194845U［P］．2015－03－11.

作者：王志伟 代思洁 安德生 杨志强 贾玉浩 单位：上海旋格自动化设备科技有限公司 新乡市福晟机械有限公司 河南良正机械有限公司