康红艳，鲍 莉，王俊峰

(洛阳理工学院 机械工程系,河南 洛阳 471023)

1 问题的提出

对普通机床进行改造以代替购置专用机床，完成专项产品的加工或提高加工效率，既便捷又经济。在单件小批生产中，选用现有的通用设备，经过适当改造，来完成特殊产品的加工任务，是企业的首选。

球面凹模用在冷冲压浪形保持架兜孔整形模具上，尺寸规格较多。对保持架球面兜孔的尺寸、位置、粗糙度起决定作用，从而影响到相应球轴承的噪声和寿命。如图1所示，球面凹模的端面上均布着n个球半径为SR、深度为h的球窝。球窝半径和深度的尺寸精度为H6，表面粗糙度Ra为0.4 μm，需要经过粗加工、磨削、研磨才能保证要求。该零件的品种规格多，批量小，n，SR，h各不相等,应首先考虑在普通机床上加工。拟在普通车床如CA6140上完成球窝的车磨加工。

图1 球面凹模

2 设计思想

2.1 内球面加工方法及成形原理

内球面加工常用的方法有成形法、轨迹法和展成法。本设计中车球窝用成形法，磨球窝用展成法。展成法磨削内球面的成形原理如图2a所示，砂轮轴线相对于工件轴线偏转α角，两者相交于O点。砂轮端面和球半径为SR的球面相截，所得的截形始终是一个偏心距为e、直径为砂轮直径d的圆。当砂轮和工件绕各自的轴线旋转时，这个圆绕工件的轴线旋转形成内球面[1-2]，两轴线的交点O为球心。砂轮轴线的倾斜角α为：

(1)

图2 内球面磨削原理

2.2 改造总体思路

设计安装在车床主轴上的专用夹具，使夹具中心相对于车床主轴的中心偏移一个球窝的中心半径，将一个球窝的中心置于车床主轴的中心，进行车或磨加工；通过分度机构，将圆周分布球窝的中心依次置于车床主轴的中心，实现一次装夹多工位加工。粗加工时，刀架不变，用成形车刀车球窝；精加工时，去掉刀架上的小拖板，换上安装在中拖板上的砂轮主轴，将砂轮主轴座旋转，使砂轮主轴轴线相对于车床主轴轴线倾斜一定角度，用圆柱砂轮磨球窝。同样可以用改造后的车床磨圆周分布的直孔，方法是砂轮主轴座不旋转角度，即砂轮主轴轴线平行于车床主轴轴线。

3 设计内容

3.1 专用夹具的设计

专用夹具结构如图3所示，夹具安装和卡盘的安装类似，通过夹具体左端面和内锥孔在机床主轴定位，用4个螺栓固定在主轴上[3]。

1—夹具体；2—配重块；3—定位键；4—过渡盘；5—分度盘；6—滑块；7—螺栓；8—环形压圈；9—压板

夹具体上的定位槽内装有滑块，用滑块移动来调整偏心距，使球窝中心和主轴中心重合。滑块上的圆柱面和分度盘的定位孔配合，另一端的方形定位键与分度盘的等分槽单面靠紧定位。为了使相同等分的工件可以使用同一个分度盘，在分度盘上装有过渡盘，通过螺钉与分度盘固定成一体，分度盘用压板压紧在夹具体上。工件通过环形压圈固定在过渡盘上。夹具体上方的配重块用来平衡偏心夹具旋转产生的不平衡力。

3.2 刀架改造

3.2.1 总体设计方案

刀架改造的要求是在刀架上增加一套磨削装置，其主要部件为砂轮主轴。因为球窝直径不大，为了保证磨削质量，砂轮线速度v要达到20～32 m/s，因此摒弃了传统的齿轮和皮带传动，采用高速电主轴作为动力源[4]。在磨小孔时，砂轮线速度还可以适当降低。

本设计方案是把普通车床刀架上的小拖板去掉，安装磨削装置。磨削装置包括电主轴支座、支座座板、电主轴等。支座底面到主轴中心的高度应实际测绘，以保证砂轮主轴和车床主轴的轴线等高。电主轴安装如图4所示，支座座板下面的凸圆柱以小间隙配合(H7/h6)装在中拖板的定位孔中，支座座板可相对于中拖板任意旋转，按(1)式计算出的偏转角α旋转后，用原来车床上夹紧小拖板转盘的2个T形螺钉夹紧,这2个T形螺钉装在中拖板上与定位孔同心的环状T形槽中。支座座板通过2个定位销和4个螺钉与支座连成一体，电主轴通过压紧螺钉固定在支座座孔中。

1—中拖板；2—支座座板；3—支座；4—电主轴；5—T形螺钉；6—压紧螺钉；7—定位销

按上述方案可以实现图2b所示方向的倾斜角度磨球窝，缺点是磨削装置倾斜后靠近人体，影响视线。为了改善磨削视线，考虑中拖板的行程，可以在中拖板的另一端加工车床上安装小拖板相似的定位孔和环状T形槽来安装磨削装置，实现图2a所示的方向倾斜角度磨球窝。

3.2.2 电主轴的选用

电主轴性能的好坏在很大程度上决定了整台机床的加工精度和生产效率。电主轴的主要工作原理是直接将空心的电动机转子热压在主轴上，电动机定子固定在主轴壳体孔内，形成完整的主轴单元。通电后直接带动主轴运转，进行磨削，省去了带轮或齿轮传动。本改造设计开发的高速磨削电主轴，极限转速nmax为36 000 r/min，精度为旋转主轴左端的轴向跳动和径向跳动不超过0.003 mm。

对于一般企业，可以先选定合适的砂轮线速度v，再根据磨削的球面直径范围确定砂轮的直径范围，由砂轮的最小直径dmin计算电主轴的极限转速nmax：

(2)

电主轴的极限转速nmax确定后，结合测绘的刀架空间位置尺寸确定电主轴的外形尺寸，从电主轴生产厂家选择合适的型号。

3.3 球窝磨削质量的控制

控制球窝磨削质量，可以采取以下措施：

(1)调整机床时，应使砂轮主轴的轴线和车床主轴的轴线等高且平行，否则会造成球面形状的畸变。可以根据已加工表面的切削纹路即刀纹来判断，如果切削纹路是单向的，说明两轴线不等高或不平行。如果切削纹路是交叉网纹，则说明球面形状正确。

(2)磨削时纵向或横向移动刀架，使砂轮工作刃通过球窝的中心，通过纵向移动刀架实现砂轮的工作进给。

(3)根据切削纹路和底部凸尖来判断砂轮工作刃是否通过球窝的中心。砂轮工作刃不通过球窝的中心，会在球窝底部出现凸尖(图5a、图5c)。图5a为砂轮工作刃未达到球窝的中心；图5b为砂轮工作刃通过球窝的中心；图5c为砂轮工作刃超过了球窝的中心。

(4)球窝形状和球半径尺寸用样板检验，球窝深度和中心径用专用仪器检验，球窝的等分性通过夹具本身的精度和旋转时单向旋转始终保持定位键和定位槽单侧接触来保证。球窝半径尺寸不合格时，微调砂轮轴线的倾斜角α或修整砂轮外径。

(5)可以把砂轮的倾斜角α调整成固定值如45°，这时砂轮直径应修整为固定值，按d=2SR·sin 45°=1.41SR计算得到。

图5 球窝磨削的凸尖和刀纹

4 结束语

通过设计安装在车床主轴上的专用夹具和安装在中拖板上的砂轮主轴，对普通车床改造，可以实现车磨两用系列化加工浪形保持架兜孔整形模具的等分球窝。实际应用表明，该方案切实可行，在产品批量不大、购置专用机床不经济的情况下，对企业具有参考意义。