李兵建,张旭,魏秀军,陈曦,李鹏飞

(1.洛阳轴承研究所有限公司,河南 洛阳 471039;2.河南省高性能轴承技术重点实验室,河南 洛阳 471039;3.滚动轴承产业技术创新战略联盟,河南 洛阳 471039)

1 存在的问题

端面压紧机构是指垂直于被加工工件的端面施加作用力,使之可靠定位于基准面上,并随定位部件稳定运动的机构,定位部件所做的运动包含旋转运动。在轴承套圈精加工过程中,常用到电磁无心夹具、双滚轮驱动端面压紧的压力转子机构、液压/气压定心端面滚轮压紧机构、两支点定心端面滚轮压紧机构等定位夹具[1],其中轴承外圆、内圆磨削专用磨床常应用前2种。

电磁无心夹具工作原理如图1所示,套圈以外径面和端面为定位基准面, 外径面依靠前后支承定位,端面依靠机床磁极定位,并利用直流电磁线圈产生磁力,将工件端面吸附在磁极的端面上。当磁极绕其轴心O旋转时,磁极就迫使工件绕其自身中心O′旋转,由于两者有一个偏心量e,于是磁极端面对套圈产生一个旋转力矩和一个通过O′并垂直于OO′的摩擦合力F,从而使工件获得稳定的回转运动[2]。电磁无心夹具的局限性在于被加工工件应为铁磁性材料。

O—磁极中心;O′—工件中心;e—偏心量;α—支承角;β—两支承夹角。

双滚轮夹具由上下滚轮、径向支承和端面定位板组成,如图2所示。工作时由同向旋转的上、下滚轮靠摩擦力驱动套圈旋转,下滚轮中心与套圈中心同处于y轴上。上、下滚轮的轴心线与套圈的轴心线有一个不同方向的倾角β,保证工件轴向贴紧端面定位板,以获得高精度的轴向定位[3]。双滚轮夹具仅用于微型轴承零件内表面的磨削加工。

图2 双滚轮夹具工作原理图

抗磁轴承要求在使用过程中不受外界磁场干扰,具备高耐蚀性、高精度、长寿命等性能,选用的材料通常为镍基、钴基类非铁磁性高合金钢[4-5],电磁无心夹具和双滚轮夹具已不能满足微型抗磁轴承非铁磁性材料套圈外表面的加工需求,有必要对磨削微型抗磁轴承套圈时的端面压紧方式进行改进。因此,本文根据现有磨床,创新设计了端面压紧机构。

2 微型抗磁轴承小外径面和端面原磨削加工方案

F618/2.5抗磁轴承小外径面(D面)和端面(M面)是安装定位基准面和工艺加工基准面,其加工精度要求高,工艺要求如图3所示。

图3 小外径面和端面工艺要求

在对抗磁轴承小外径面和端面进行磨削加工前,需采用特殊的工艺方案将导磁工装和套圈粘结在一起,待粘结牢固后方可进行磨削加工,工艺步骤如下：

1)研磨套圈两端面(A面和C面);

2)研磨导磁工装两端面(M面和N面);

3)粘接导磁工装和凸缘外圈,使导磁工装和套圈变成一整体可导磁零件;

4)在一定压力下,压紧导磁工装M面和凸缘外圈A面,保证固化后组合零件端面平行差满足工艺要求,如图4所示;

图4 压装示意图

5)按固化工艺完成固化粘接;

6)待粘结牢固后,采用传统的磨削方式在电磁无心夹具上进行小外径面和端面的精密磨削加工;

7)在专用的化学溶剂中分离凸缘外圈A面和导磁工装M面。

8)重复多次粘接、分离,完成批次加工。

通过上述工序完成抗磁轴承套圈小外径面和端面的磨削加工,进入下一工序。采用该方案可加工出满足工艺要求的套圈,但由于小外径面作为后续加工的基准面,需经过粗磨加工、精磨加工和修磨加工,因此,每生产一个批次的产品就必须重复多次粘接、分离,劳动强度大,生产效率低,制造成本高,生产周期长,严重制约着生产的批量化。为实现降本增效,缩短生产周期,满足批量生产需求,工艺创新和效率提升势在必行。

3 端面压紧机构的设计

3.1 工作原理

利用连杆机构,通过气缸的往复运动,带动固定转轴总成在一定角度内正反运动,进而带动端面压紧机构在轴向产生作用力,压紧套圈端面,为套圈提供轴向压紧力。轴向压紧力通过以下方式控制：1)调节气缸进气口压力;2)通过限位开关实现轴向压紧力的双重控制,实现代替电磁线圈产生轴向磁力的目的。

在径向支承定位方面,前支承采用150°的V形浮动头,后支承采用65°斜面支承,以便更好地实现套圈旋转过程中的自调节、自适应功能。在磨削过程中,为避免套圈外径尺寸的分散造成旋转过程不稳定,在端面压紧机构中增加轴向防护机构,保证磨削过程安全可控。在调整端面时,压紧无心夹具的夹角α,β和偏心量e见表1,磨削原理如图5所示。

表1 端面压紧机构无心夹具调整参数

O—磁极中心;O′—工件中心;e—偏心量;α—支承角;β—两支承夹角。

3.2 各部件功能及安装

根据微型抗磁轴承外圈工艺要求,设计端面压紧机构,装配图如图6所示,图中各零件(图7)之间的作用和相互关系如下：

(a) 主视图 (b) C视图

(a) 工件轴壳体 (b) 气缸过渡头 (c) 固定轴安装板 (d) 连接块 (e) 固定轴座

1)工件轴壳体如图7a所示,固定在机床底座托板上,安装固定轴安装板。

2)气缸过渡头如图7b所示, 连接气缸轴和连接块。

3)固定轴安装板如图7c所示,通过螺栓固定连接在工件轴壳体上,左端通过螺栓连接安装固定轴座,右下端安装气缸,为端面压紧机构提供源动力,气缸通过气缸过渡头和连接块与固定轴联动杆连接。

4)连接块如图7d所示,与气缸过渡头和固定轴联动杆连接。

5)固定轴座如图7e所示,通过螺栓连接安装在固定安装板上,为固定转轴总成提供支承架。

6)固定转轴总成如图7f所示,通过压紧固定转轴固定在固定轴座中,上下对称安装,通过正反旋转带动压紧轴总成压紧或松开工件端面,为机构提供回转支承,内装2套圆锥滚子轴承,保证该机构具有足够的刚性和寿命。

7)固定轴连接板如图7g所示,一端与固定转轴总成壳体连接,一端安装固定轴联动杆。

8)固定轴联动杆如图7h所示,两端分别与2个固定转轴总成连接,将气缸的直线运动转换为回转运动;中间与连接块连接传递气缸直线运动。

9)压紧轴安装板如图7i所示,左端通过固定轴连接板与固定转轴总成安装在一起,传递回转运动;右端与轴向调节板连接,通过2个平行滑槽对压紧轴总成进行粗调整。

10)轴向调节板如图7j所示,和压紧轴安装板连接,上端安装径向调整螺钉座,实现压紧轴总成轴向的精确调整。

11)径向调整螺钉座如图7k所示,固定在轴向调节板上,调整压轴总成的径、轴向位移,以满足不同套圈尺寸的定位要求。

12)限位板如图7l所示,与固定轴连接板连接,调整固定转轴总成的压紧极限位置。

13)压紧轴总成如图7m所示,作为末端执行机构,右端固定在轴向调节板上,内部安装一对高精度角接触球轴承;左端安装直径4 mm硬质合金棒,外径面与套圈端面压紧并一起稳定旋转。

14)前支承和后浮动头如图7n所示,固定在支承架上,为套圈磨削提供径向力。

4 实际加工效果

以F618/2.5抗磁轴承为例,采用上述调试好的端面压紧机构,按工艺要求采用复合磨削的方式加工已粗磨过的500个外圈小外径面和端面,磨削加工参数见表2。加工完成后,随机抽取50个外圈(总数量的12%)进行检测,结果见表3。由表3可知：1)外径尺寸散差为0.01 mm,其中43#外圈外径6.032 mm比工艺尺寸最大值大0.002 mm,其余均满足要求,这是由于合金材料的固有特性,金属粘结砂轮,致使砂轮切削能力不能够充分发挥,在磨削过程中可通过增加砂轮修整频率、增加修整量或插入长修程序进行控制;2)形位公差和表面粗糙度均满足工艺要求;3)所抽取样本合格率为98.3%。对于小外径面的检测,在终磨小外径面工序为全部检测,可避免不合格品的产生。

表3 F618/2.5抗磁轴承外圈小外径面和端面各项指标检测结果

改进前、后加工方案对比见表4：新方案缩短了工艺流程,降低了加工难度、劳动强度及废品率,据统计每加工500个可节省人力、物力成本约5 500元,且生产效率提高了近10倍。

表4 工艺方案对比分析

5 结束语

针对传统电磁无心夹具和双滚轮夹具不能满足微型抗磁轴承非铁磁性材料套圈外表面加工需求的问题,结合现有磨床设计了端面压紧机构,实现了代替电磁线圈产生轴向力的目标,通过调整气缸压力和限位开关实现了端面压紧力的精确控制,并通过实际磨削加工验证了新工艺方案的可行性、合理性。此外,该机构不仅适用于加工可导磁金属,同样适用于不可导磁的合金、金属陶瓷、陶瓷、塑料,且能够保证加工精度和可靠性。