M7475B立轴平面磨床大尺寸工作台设计

王玉国，李 立，宋吉祥

(洛阳轴研科技股份有限公司 大型轴承制造部，河南 洛阳 471039)

轴承加工中，磨加工是关键工序，磨加工的优劣直接影响轴承的旋转精度和寿命。其中，磨削平面是磨加工的第一道工序，也是第一个基准，所以，轴承零件平面磨削的质量，直接影响到轴承后续加工的优劣。某生产车间平面磨床最大加工直径为Φ1 000 mm，大于该尺寸的轴承套圈平面加工需在改装的立式车床上进行，但平面磨削精度难以保证。为此，对现有平面磨床进行改造，以扩大加工范围，满足生产要求。

1 改造思路

现有M7475B立轴平面磨床尚有较大工作空间可以利用，其工作台直径为750 mm，工作台行程为450 mm，即当工作台行驶到最远端时，工作台中心距床头距离为825 mm。与工作台同一水平面上除床头、防水板(可拆卸)外，并无其他部件干涉，因此，设想将工作台直径加大到1 500 mm。

该机床为电磁吸盘吸附工件以实现工件装卡，考虑到大工作台加工难度大、造价高等因素，参考电磁无心外圆磨床，增加磁极块并固定到工作台上(图1)，每次用砂轮靠平来满足平面基准要求。机床工作台加大，负荷增加。如果将磁极块伸出圆台外径，增加加工直径，可减小工作台的直径，减轻工作台重量，减轻机床负荷。因此将大圆盘直径做为1 250 mm，加长磁极块伸出圆盘125 mm，加工直径可达到1 500 mm，圆周方向用12个磁极来放置工件。机床总加工高度为300 mm，减去增加平台和磁极的高度，基本可以满足高度200 mm以下工件的加工要求。改造后，该机床可以满足直径1 500 mm以内，高度200 mm以下工件的平面磨削。

图1 新工作台的结构

另外，因为工作台为水平放置，工件质量全部落在加长磁极上，加工时的磨削力也通过工件传给了加长磁极块和机床。因此，要求加长磁极块既要有很好的平面度，又要有良好的负载能力，不能在加工中变形太大，影响加工精度。

2 校核计算

对磁极块弯曲变形和受最大负载时是否发生塑性变形进行分析计算。

2.1 弯曲变形的计算

磨削过程中，磁极块主要受机床进刀时的压力、工件重力和自身重力3个力的作用，使其产生弯曲变形。磨削力加载后，随着工件磨量逐渐变小，磨削力也逐渐减小，并最终变为零，由其产生的弯曲变形也最终变为零。为保证磁极块在磨削力加载时不产生塑性变形，选用45#钢。磁极自身质量也会引起弯曲变形，产生一定的挠度，采取在每次加工工件前，直接将磁极块用砂轮靠平，以消除由其自重产生的变形。

因此，对工件的质量作用于磁极块可能产生的弯曲变形进行分析计算，磁极块的受力如图2所示。将磁极外伸出工作台部分简化为悬臂梁，受力简图、弯矩图及挠度图如图3所示。由图3可知：

图2 工作台与磁极块截面图

图3 磁极块受力分析

(1)

(2)

式中：y为工件重力使磁极产生的弯曲变形，mm；P为工件重力作用于一个磁极上的重力，N；L为磁极外伸出工作台的长度，mm；E为材料的弹性模量，GPa；I为磁极截面的惯性矩，mm4；b为磁极截面的宽度，mm；h为磁极截面的高度，mm。图2截面Ⅰ-Ⅰ中，b=70 mm，h=45 mm，代入(2)式得I=531 562.5 mm4。取工件质量为180 kg，重力平均分到12个磁极上，每个磁极所受重力为147 N。将P=147 N，L=125 mm，45#钢E=206 GPa，I=531 562 mm4，代入(1)式得产生的弯曲变形y=-0.000 9 mm。一般直径大于Φ1 000 mm的P5轴承零件，要求平行差小于0.03 mm，因此该变形量完全能够满足零件加工要求。

2.2 塑性变形的计算

将平面磨削中砂轮进刀的压力与工件的重力合为一个集中力P，磁极重力设为一个均布载荷q，则磁极的力学分析如图4所示。

由图4b,图4c可知，刚伸出工作台的部分受剪力最大为Q=P+qL，弯矩最大为Mmax=PL+qL2/2，而此处也是整个磁极伸出工作台部分截面积最小的部位。由此断定，该处为磁极应力最大的部位，工况最为恶劣。

图4 磁极块受力分析

假设砂轮进刀时，在力的作用下砂轮及砂轮轴不发生变形，进刀量都传递给磁极，即磁极弯曲变形等于进刀量(实际中，磁极的变形不会超过砂轮的进刀量)。加工中，一次进刀量一般为0.02 mm左右。假设一次进刀量为0.05 mm满足使用要求，将y=0.05 mm代入(1)式，得P=8 410 N。对于横截面为矩形的磁极，最大弯曲剪应力发生在水平方向的中间截面上，最大剪应力公式为：

(3)

式中：τmax为最大剪应力，MPa；Q为截面剪力，N；q为磁极重力均布载荷的集度，N/mm。

图2截面Ⅱ-Ⅱ中，b=70 mm，h=30 mm，代入(2)式得I=157 500 mm4。由于磁极的外形尺寸都已经确定，得出均布载荷的集度q=0.24 N/mm。将已知条件P=8 410 N，q=0.24 N/mm，L=125 mm，h=30 mm，I=157 500 mm4代入(3)式，得出τmax=6.03 MPa。

对于塑性材料，[τ]=0.6～0.8[σ]。取[τ]=0.6σs=0.6×355 MPa=213 MPa。则，

τmax<[τ]

(4)

式中：[τ]为材料的许用剪应力,MPa；σs为45#钢的屈服极限,MPa。

最大弯曲正应力公式为：

(5)

将已知参数代入(5)式中，得σ=100.3 MPa。

则，σ<σs

(6)

由(4)式和(6)式可知，机床进行工件磨削时，磁极的剪应力与正应力均小于安全值，不会使其发生塑性变形，可以满足使用要求。

3 结束语

通过对M7475B机床的改造，基本解决了直径Φ1 000～1 500 mm的薄系列轴承在该机床上的平面磨削加工，各项精度指标满足要求。但对于大直径超高的轴承零件，该机床仍无法加工，需要在更大型的专用设备上进行加工。