一种高精密全自动轴承外圈径向钻孔机

顾其俊，陈光明，王君明,杨文强

(1.浙江机电职业技术学院，杭州 310053；2.新昌大市聚职业中学，浙江 新昌 312500 ；3.新昌县锦程精密机械有限公司，浙江 新昌 312500)

为解决非标轴承外圈径向钻孔的生产需求，前期已研发了一款全自动外球面轴承外圈径向钻孔机[1]，实现了非标轴承外圈的自动径向钻孔，但采用该钻孔机钻孔，径向孔数和孔间角度受到限制，而且孔径尺寸和孔壁表面质量一般，钻孔后产生的孔口内部毛刺不易去除，需要人工反复手动刮除，容易刮伤表面，产品外观质量较差，无法满足现有市场中高精密轴承的生产需求，因此，又全新设计开发了一种高精密全自动轴承外圈径向钻孔机。

1 钻孔机结构框架设计

针对应用需求，新的钻孔机进行了创新设计，包括用于轴承上料的自动分选检测机构和自动上料装置,用于不同角度分度钻孔的伺服主轴夹持分度装置和伺服钻孔装置,以及用于轴承精加工的伺服倒角装置和气动铰孔装置等机械机构，并通过电气控制系统中的PLC程序控制各种机械机构相对运动，实现了对工件的毛坯检测、钻孔加工、内边倒角及内部铰孔等工序的全自动化加工(图1)。

1—气动铰孔装置；2—伺服倒角装置；3—自动下料机构;4—伺服钻孔装置；5—自动上料装置；6—伺服主轴夹持分度装置；7—自动分选检测机构

1.1 自动分选检测机构[2]

自动分选检测机构如图2所示。工件自上料箱输出后进入送料检测机构，检测分选机构对工件的毛坯尺寸进行自动精度检测，剔除不合格的工件毛坯，检测合格的毛坯经下料输送通道输送到工件上料装置的进料口，由进料口处设置的感应器触发上料气缸运动，气动推杆推动工件进入伺服主轴夹持分度装置的工件夹头上，完成工件的自动上料。

1—废品输出通道;2—下料输送通道；3—检测分选机构；4—上料通道

1.2 伺服主轴夹持分度装置[3]

伺服主轴夹持分度装置如图3所示，包括安装支架、主轴座、主轴、主轴电动机以及工件夹持机构。安装支架安装于床身顶面；主轴座安装在安装支架上；主轴两端轴承支承安装于主轴座上；主轴电动机与主轴通过皮带传动，驱动主轴旋转分度；工件装夹机构包括工件夹头和夹紧驱动机构，工件夹头为筒状内胀式，安装于主轴前端，通过夹紧驱动机构的夹紧气缸带动夹紧拉杆夹紧和松开工件。夹持部的前方作为工件加工区，伺服钻孔装置和气动铰孔装置分别相对设置于工件夹头前方工件加工区的两侧。

1.3 伺服钻孔装置[2-4]

伺服钻孔装置如图3所示，包括安装座、钻头、钻杆、钻杆支承座、X轴固定板、Y轴调节板、调节底座、钻头动力电动机以及钻头进给机构。钻杆通过轴承支承穿装于钻杆通孔内，钻头固定安装于钻杆前端，钻杆后端与钻头动力电动机连接,钻头动力电动机配合安装有减速器，驱动钻杆旋转；调节底座通过调节螺钉安装于床身上，Y轴调节板通过滑槽滑榫结构可调节的安装于调节底座上，X轴固定板固定安装于Y轴调节板上，安装座通过滑槽滑榫结构可调节的安装于X轴固定板上。

1—钻头；2—Y轴调节板；3—钻杆支承座；4—钻头动力电动机；5—钻头进给电动机；6—安装座；7—X轴固定板；8—主轴电动机；9—夹紧气缸；10—安装支架；11—主轴座；12—工件夹头；13—调节底座

钻头进给机构包括钻头进给电动机、丝杆副和导轨副，导轨副的导轨沿X轴方向固定安装于安装座上，钻杆支承座固定连接于导轨副的滑块，钻杆支承座与丝杆副的螺母固定连接，丝杆副的丝杆轴安装于螺母上，钻头进给电动机与丝杆传动连接，钻头进给电动机驱动丝杆旋转，带动钻杆支承座在X轴方向进给钻孔加工。

1.4 伺服倒角装置

伺服倒角装置如图4所示，包括倒角刀、固定底座、动力刀杆、刀架座以及倒角进给机构。固定底座安装于床身上。倒角进给机构包括X轴倒角进给机构和Y轴倒角进给机构，X轴倒角进给机构包括X向导轨副、滑块、进给拖板和X向驱动电动机，X向导轨副安装于固定底座上，滑块安装于X向导轨副上，进给拖板安装于滑块上，由X向驱动电动机丝杆驱动进给拖板运动；Y轴倒角进给机构包括Y向导轨副、刀架座和Y向驱动电动机，Y向导轨副安装于进给拖板上，Y向驱动电动机通过丝杆副驱动运动，刀架座安装于Y方向导轨副上，随Y向导轨副Y向运动。刀架座上安装有动力刀杆，动力刀杆包括倒角电动机和伞齿轮传动机构，倒角电动机固定安装于刀架座上，伞齿轮传动机构一端与倒角刀的后端连接，另一端与倒角电动机的电动机轴连接，倒角电动机通过伞齿轮传动机构驱动倒角刀具旋转，钻头为复合钻头，具有倒角功能。

1—固定底座;2—X向导轨副；3—进给拖板；4—Y向导轨副；5—刀架座；6—倒角刀；7—动力刀杆；8—倒角电动机；9—Y向驱动电动机；10—X向驱动电动机

1.5 气动铰孔装置

气动铰孔装置如图5所示，包括固定座、调节螺钉、调节支架、支承架、导轨副、进给气缸、刀具安装座和主轴。固定座安装于机床床身上；调节支架燕尾配装于固定座上，由安装于固定座上的调节螺钉调节前后位置，调节支架上安装支承架，并通过调节支架上的滑槽实现刀具的高度调节，支承架上安装有导轨副和进给气缸，刀具座安装于导轨副上的滑块上，在进给气缸的驱动下进行直线运动；主轴安装于刀具座上，由安装于刀具座上的电动机驱动高速旋转。

1—导轨副；2—铰刀；3—主轴；4—刀具座；5—驱动电动机；6—进给气缸；7—支承架;8—调节支架；9—调节螺钉；10—固定座

1.6 电气控制系统

电气控制系统包括数控系统和伺服电动机。数控系统通过程序协调控制自动上下料、检测、装夹、进给钻孔、伺服倒角等机械部件的运行。根据实际动作需求共配置了6个伺服进给电动机，通过设置6个伺服驱动模块分别控制主轴分度、伺服钻孔装置的转动和移动、伺服倒角装置的刀具转动和位置移动等相对运动，控制系统选用广数-DA98B系列[5]。该系统配置有多个输入、输出点，可实现多轴控制功能，DA98B系列数控系统外部接线如图6所示。

图6 DA98B系列数控系统接线图

2 工作流程

工件由自动分选检测机构中的上料箱上料，经过检测机构检测，输送到自动上料装置输送通道中，由自动上料装置中的推料机构将工件安装到主轴上；工件夹紧后伺服钻孔装置直线移动，进行钻孔加工；钻孔完成后钻头退回，伺服倒角装置驱动倒角刀具伸进工件内腔中，使倒角刀具对准径向通孔的内孔口，倒角电动机驱动倒角刀具旋转对钻孔的内孔口进行倒角加工；倒角完成后，主轴电动机驱动主轴旋转分度，使工件夹头带动工件旋转到指定的加工位置，然后由气动铰孔刀具对准径向通孔，进给气缸驱动铰刀进给铰孔加工。实现了一次装夹，完成径向钻孔、内倒角以及铰孔等多工序。

3 生产验证

设备试制成功后在某企业进行了试生产，通过一段时间的生产运行后，统计数据(表1)表明，该钻孔机工作稳定可靠，加工精度高,产品品质较传统自动化钻孔机得到明显提升。

表1 外圈钻孔机数据对比

4 结束语

新设计的高精密全自动轴承外圈径向钻孔机，解决了传统自动钻孔加工存在孔壁表面质量差、内边孔口毛刺多等技术难题。通过数控系统程序与机械结构设计的相互控制，实现了毛坯检测、上料、分度钻孔、内边孔口倒角、孔壁铰孔等工序的自动化生产，大幅提高了产品的加工品质和加工精度。该设备还可应用于各类圆环类、套类等机械零件圆周径向精密钻孔加工，其加工最大孔径可达16 mm，最大钻深可达40 mm，且分度方便，具有一定的推广价值。