CN1063377C - “切入----贯穿”两步法凸度母线超精加工工艺及机床 - Google Patents

Abstract

本发明属于一种把磨削后的圆锥或圆柱直母线表面超精加工成带凸度母线表面的工艺及机床。它特别适合于超精加工滚轴承套圈凸度滚道，使轴承工作时滚道应力分布合理，大大提高旋转精度和使用寿命。机床有二个工件主轴和二个超精振荡机构，实现从“粗超”到“精超”的“两步法”超精。采用宽度小于被加工表面母线长度1/2的窄油石，在高频小振幅“切入”法超精的同时，油石又沿被加工母线方向作变速度大往复“贯穿”运动。实现高效率、高精度的超精出带凸度母线的滚道表面。

Description

“切入----贯穿”两步法凸度母线超精加工工艺及机床

本发明属于一种把被加工工件圆锥或圆柱直母线内、外表面超精加工成为带凸度母线表面的全新工艺及机床。本发明特别适用于超精加工圆锥和圆柱滚子轴承套圈的凸度滚道。

当前国内、外圆锥或圆柱轴承套圈滚道表面超精加工通常公知的方法是：

1)利用一块宽度窄于被加工表面母线长度的宽状油石进行超精，在加工过程中油石沿着平行于工件母线的方向，以＜2000次/min的往复振荡频率和0～4mm的振幅进行振荡。与此同时，油石沿工件的径向压向旋转的工件表面，进行“切入法”超精加工。这种“切入法”超精是当前国内、外最常用的超精机艺。“切入法”超精工艺及机床，以德国THIELENHAUS公司生产的RM85型和RM150型为代表。当前瑞典、日、德、中国等生产和使用的超精机绝大多数是采用这种超精加工原理。“切入法”超精工艺及机床其优点是：油石宽，超精加工效率高。但是由于圆锥轴承套圈经过磨加工后套圈滚道不可避免的存在锥角误差，采用这种宽油石超精，超精后滚道母线的直线性和锥角误差难以解决。滚道母线两端的区域无法加工到，经常出现两端“露花”现象(即：磨削后的砂轮磨削痕迹花纹无法超精切除干净)。

2)利用宽度小于被加工表面母线长度的窄油石(也可以用宽油石)，采用匀速大往复加0～4mm振幅的小振荡运动，来实现把圆锥和圆柱滚子轴承套圈母线全长加工完整，以解决上述“露花”现象。但是采用这种超精方法由于油石宽度很窄，且同一块油石既要用作粗超，又要用作精超，因此生产效率比较低。

以上两类超精工艺及设备在机械工业部科技信息研究院的检索文献上(见附件)均有记载。这两类超精工艺及机床只能加工出具有直母线的表面，而这种具有直母线滚道表面的轴承套圈在轴承产品使用过程中，轴承套圈滚道与滚动体接触区域，特别是在滚道两端，产生应力集中现象，这将导致轴承零件急剧磨损，大大降低轴承产品的旋转精度和使用寿命。这是急待解决的问题。

本发明的目的和任务在于提供一种全新的超精工艺和机床，它不仅能够以较大的超精切削余量，有效地切除工件被加工表面由于上工序磨削烧伤而残留的软化变质层，而且又能高精度、高效率地将轴承套圈滚道由上工序磨削成的直母线表面超精成为具有一定凸度量的鼓形滚道表面(一般来说：凸起量为2～7μm或更大些，凸度量大小可根据轴承产品设计的要求来调整)。这种具有凸度母线表面的轴承套圈，可保证轴承产品在工作过程中滚动体和套圈滚道接触区域应力分布均匀合理，在滚道母线两端不再产生应力集中现象，从而大大提高轴承产品的旋转精度和使用寿命。这种全新的凸度滚道对于汽车专用轴承，精密机床主轴轴承、铁路客车与货车高速及准高速轴承提高其旋转精度、转速、使用寿命具有极大的技术经济意义。这同样对于汽车零件(如：曲轴、凸轮轴、活塞销等)、液压元件等超精加工也具有现实的意义。

本发明的目的和任务是这样实现的：

1．在同一台机床上具有两个工件主轴和两个超精振荡部件，使用不同的切削用量(转速、压力、振荡频率等)，不同种类的油石(不同的磨料、不同的粒度、不同的粘结剂等)，对工件实现从“粗超”工位到“精超”工位的“两步法”超精。它能以较大的超精切削余量(可达8～10μm，甚至更大)，有效地切除工件被加工滚道表面由于上工序磨加工产生的软化变质层。

2．超精加工使用的油石宽度h小于被加工表面母线长度H的1/2，即：h＜1/2H；在加工过程中油石以压力P(一般为1～10kgf)压向被超精的工作表面，一方面具有高频率(一般为3000次/min)和微小的振幅(一般为0～2mm)的“切入”运动，另一方面油石又具有沿被加工的工件母线以变化的速度V作大往复“贯穿”运动(见图1、图2)。

3．油石在沿被加工母线表面作变速度大往复“贯穿”运动，当油石在母线的中点处(L=1/2H处)其往复速度最快V=±Vmax(“+”、“-”表示往复运动的方向)；当油石在向母线两端头方向运动时，往复速度逐渐减慢；当油石在母线两端头处其往复速度V=Vmin=0，并作0～3秒短暂停留，其停留时间的长短可根据超精加工所需凸度量大小，任意选择调整。

4．通过上述1、2、3的结果，实现高精度、高效率超精加工出中间具有凸度量△的鼓形母线滚道表面(见图3)。

本发明所提供的是一种全新的超精工艺和机床，它与现有的超精方法和机床相比较，不仅能以高效率和大的超精切削余量(一般可达8～10μm以上)有效地切除被加工表面由于磨削加工而产生的软化变质层，而且使用这种新方法超精加工的工件母线表面经过高精度轮廓仪测量结果表明：它已经有效地把上工序磨削成的直母线表面超精成为具有一定凸度量的鼓形表面(一般可达2～7μm)。以抽检超精加工7507E圆锥轴承套圈滚道为例说明：该工件超精加工时间为12秒，检测仪器使用英国Toylor-Hobson高精度轮廓仪，超精后母线凸起量约为4.478μm(见图4)。这种带凸度母线表面的轴承套圈，实现了轴承产品在工作过程中滚动体和套圈滚道接触区域内应力分布均匀合理，保证滚道母线两端不再产生应力集中现象，从而有效地提高轴承产品旋转精度和使用寿命(见图5)。

本发明具体结构是由下述实施例及附图所给出：

图1是以滚子轴承内环套圈为代表，对圆锥或圆柱外表面采用“切入----贯穿”法超精加工而成为凸度母线表面的原理图。

图2是以滚子轴承外环套圈为代表，对圆锥或圆柱内表面采用“切入----贯穿”法超精加工而成为凸度母线表面的原理图。

图3是通过“切入----贯穿”法超精加工出具有中间凸度的鼓形母线表面图。

图4是采用“切入----贯穿”法超精加工圆锥轴承套圈凸度滚道检测实例。

图5是具有凸度滚道的滚予轴承工作区应力分布图。

图6是根据本发明总体思想而提出的“切入----贯穿”凸度母线两步法超精机床的总图。

图7是实现本发明变速度大往复“贯穿法”超精的具体结构剖面图。

图8是图7所示大往复“贯穿法”超精结构的K-K剖面图。

图9是实现本发明“切入法”超精的具体结构剖面图。该机构在使用时是安装在图7所述的变速大往复机构滑板11之上。

下面将结合这些附图对本发明的最佳实施例作详细描述：

图6展示出“切入----贯穿”凸度母线两步法超精机床的总体设计。A1是用于粗超加工的右振荡部件，它由实现有粗超工位作变速度往复的机构B1和实现粗超工位作高频振荡的切入机构C1共同组合而成。A2是用于精超加工的左振荡部件，它与A1相同，是由实现在精超工位作变速度往复的机构B2和实现精超工位作高频振荡的切入机构C2共同组合而成。被超精加工的工件由送料机械手从上料工位Ⅰ输送到粗超工位Ⅱ，当粗超加工结束后，再输送到精超工位Ⅲ进行精超加工。粗、精超加工全部完成后，成品输送到下料工位Ⅳ，实现在同一台机床上从“粗超”到“精超”的两步法超糖加工。在“粗超”工位Ⅱ，右振荡部件A1上装夹有切削性能好且磨料粒度较粗(如：W10～W14)的氧化铝种类油石，选择较低的工件转速(如：2000～3000转/min)和油石采用较快的往复速度，实现有效地切除被加工表面由于上一工序磨削加工而带来的软化变质层(一般可达8～10μm)。与此同时，又把工件直母线表面超精成为带凸度母线的表面几何形状。在“精超”工位Ⅲ，左振荡部件A2上装夹有磨料粒度很细(如W3～W5)性能优越的碳化硅(或：立方体碳化硼等)磨料，选择较高的工件转速(如：3000～6000转/min)和油石采用较慢的变速往复速度(如：一个超精加工周期内实现1～3次往复双行程)，使被超精表面获得最理想的表面粗糙度(一般可达Ra0.03～0.05)。

图7、图8是依据本发明使油石沿被加工母线作变速大往复的机构和设备，即图6中B1和B2机构的剖面图。

调速电机5驱动蜗轮蜗杆减速器4(或其他类型减速器)，使固定在输出轴18上的滑块座3低速旋转。与滑块座3相配的偏心滑块6的小轴上安装了二套靠导向槽板8消除径向游隙的轴承7。导向槽板8固定在“夹紧----纵向快进、快退”油缸体9上，当夹紧油缸20通入高压油后，夹紧活塞杆，使偏心滑块6、油缸9一整套机构与安装在滑板11上的油石高频小振荡机构联成一体。

当偏心滑块座3旋转时，使轴承7围绕减速器输出轴18作圆周简谐运动，从而带动装夹在整套振荡机构上的油石可沿着高精度滚动导轨10、13的导轨面作变速度往复“贯穿”运动。

变速度往复“贯穿”运动的速度快慢是靠调整调速电机5的转速来实现。

变速度往复“贯穿”运动的行程大小是靠调整偏心滑块6上的轴承7的中心位置相对于轴18的偏心大小来实现。

变速往复“贯穿”运动在母线两端的停留时间是靠电气开关21和19发讯控制调速电机5的制动时间长短来实现。

当机床用于加工圆锥轴承套圈滚道时，其加工滚道锥角大小是靠蜗杆15、通过轴17、蜗轮16、夹紧套12带动回转体2转动来实现。锥角调整完毕后，用螺钉14紧固在底座1上。

图9是依据本发明使油石以一定压力压向被加工表面的同时又实现高频率(3000次/min)，小振幅(0～2mm)的“切入法”超精机构和设备。即图6中C₁、C₂机构的剖面图。

调速电机22的轴端所安装的皮带轮23经过同步齿形皮带24(或：多楔三角带等其他带传动)、皮带轮25而驱动偏心轴26高速(3000次/min)旋转。偏心轴26是由二个偏心量大小相等(2mm)、偏心相位相反的偏心轴组成。偏心轴26外部安装有二个偏心套29、33，而偏心套外部又安装各2套轴承。当偏心轴26高速旋转时，通过偏心套33带动轴承内圈高速旋转，而轴承外圈则在导向槽板35中作高速往复纯滚动，并通过导向槽板35带动安装在精密滚动导轨28内的滑块30和固定在滑块30上的油石刀杆座31实现高频率、小振幅的振荡运动。与此同时，通过偏心套29、导轨27、滑块32，带动平衡块36以相反的相位进行高频率、小振幅的振荡运动，以实现高速振荡时惯性力的相互抵消和静平衡。

“切入法”超精机构的油石加压是通过油缸37带动安装在底座34上整套的切入机构C1、C2(图6)来实现。“切入法”振荡频率的快慢是通过改变调速电机22的转速来实现。而振幅大小是通过调整偏心轴26与偏心套29、33的偏心量大小来实现。

Claims (2)

1．一种把圆锥或圆柱直母线内、外表面超精加工成为具有带凸度母线表面的方法，其特征是：

(1)在同一台机床上分别安装有二个独立传动的工件主轴和二个独立传动的超精振荡机构，它们分别用于粗超工位和精超工位进行“两步法”超精；

(2)在粗超工位工件的转速、油石磨料的种类、粒度粗细、油石的振荡及往复频率与精超工位工件的转速、油石磨料种类、粒度粗细、油石的振荡及往复频率等工艺参数互不相同；

(3)在超精加工的振荡机构上装夹有宽度小于被加工表面母线长度1/2的窄油石，油石在振荡机构驱动下压向被加工表面后，一方面进行频率为＜4000次/min、振幅＜4mm的“切入”法超精，与此同时油石又沿着被加工母线作变速度大往复的“贯穿”法超精运动；

(4)油石在沿被加工母线作变速度大往复“贯穿”运动时，在工件母线长度1/2的中部区域里，油石其往复运动速度最快V=Vmax，随着油石朝往被加工母线两端方向运动时，速度逐渐降低，当油石运动位置处于母线两端头部区域时，其往复运动速度V=Vmin=0；

(5)油石可在被加工母线两端头部区域作0～3秒时间的短暂停留，其停留时间长短可根据被加工工件表面母线所需要的凸度量大小进行无级选择，从而超精出所需要的凸度母线工作表面。

2．一种使用权利要求1所述方法而专门发明设计的超精加工机床，其特征是：在同一台机床上分别安装有二个独立传动的工件主轴，一个主轴是用于粗超工位驱动工件旋转，另一个主轴是用于精超工位驱动工件旋转用，而在机床的床身上又分别安装有二套独立驱动的超精振荡机构，其中用于粗超加工的右振荡部件(A1)，它是由实现“贯穿”法超精的变速往复机构(B1)和实现“切入”法超精的高频小振荡机构(C1)共同组合面成，用于精超加工的左振荡部件(A2)，它是由实现“贯穿”法超精的变速大往复机构(B2)和实现“切入”法超精的高频小振荡机构(C2)共同组合而成；

所述两个实现“贯穿”法超精的变速大往复机构(B1、B2)包括：

(1)一个可改变油石大往复运动速度快慢的调速电机(5)和减速器(4)；

(2)在减速器(4)的输出轴上安装有可根据油石往复行程大小的需要而可任意调整偏心量大小的偏心滑块(3、6)；

(3)在偏心滑块(6)上安装有镶嵌在导向槽板(8)内并可沿导向槽板(8)滑动的轴承(7)；

(4)导向槽板(8)固定在“夹紧----纵向快进和纵向快退”油缸体(9)上，而油缸的活塞杆又与安装在高精度滚动导轨付上的滑板(11)相联，当夹紧油缸(20)通入压力油时可把活塞杆夹紧，从而使导向槽板(8)、油缸(9、20)和滑板(11)紧固成一个刚体；

(5)调速电机(5)可驱动偏心滑块(3)旋转并带动轴承(7)围绕减速器输出轴(18)作圆周简谐运动，从而使安装在滑板(11)上的整套振荡机构沿着导轨(10、13)作变速的往复运动；

(6)电气开关(19、21)可发讯控制调速电机使它在大往复行程的两端头区域制动，通过时间继电器可调整制动时间，实现0～3秒的停留；

(7)蜗杆(15)、蜗轮(16)可带动整套机构回转，调整超精大往复母线运动轨迹的角度，实现对各种锥角大小的圆锥母线超精加工；

所述两个实现“切入”法超精的高频小振荡机构(C1、C2)包括：

(1)一个可改变调整转速的调速电机(22)经过皮带传动，驱动一根由二个偏心量大小完全相等而偏心的方向相反的偏心轴组成的长偏心轴(26)旋转；

(2)偏心轴(26)外部安装有二个偏心套(29、33)，而偏心套外部又各安装二套镶嵌在导向槽板(35)内并可沿导向槽板纯滚动运动的轴承；

(3)二个导向槽板(35)分别固定在精密滚动导轨(30、32)上；

(4)固定在导轨(30)上的油石刀杆座(31)与固定在导轨(32)上的平衡块(36)其重量相等，质量相同，当在调速电机驱动下作高频率、小振幅运动时其惯性力大小相等，方向相反，实现平稳无冲击的振荡；

(5)油石加压缸(37)可带动整套机构移动，并使安装在油石刀杆座(31)上的油石对超精加工表面加压。

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