超大型数控滚子砂带抛光机结构研究

王玉峰

（濮阳技师学院，河南 濮阳 457000）

0 引言

目前，国内圆锥圆柱滚子表面精加工是通过外径超精和滚子球基面磨削来实现的。滚子超精机超精出带修正线的全凸或半凸滚子要采用专门设计的超精导辊，磨损快，且工装修磨工艺复杂，成本高。而球基面磨削受限于滚子尺寸，一般滚子直径都在50 mm 以下，且仅适用于圆锥滚子的基础面超精。中小型圆柱滚子端面磨削多采用双端面磨床，由于送料盘直径大、厚度薄等，双端面磨床不适宜特大尺寸滚子的加工［1］。随着大型、特大型轴承加工对旋转精度和转速要求的日益提高，作为滚动轴承中最重要部件的滚动体，对其技术要求也越来越高［2］。而对超大型圆锥圆柱滚子（滚子直径为65～170 mm、长度为60～230 mm）的精加工一直是国内滚子加工的薄弱环节，国产成熟设备处于空白期。经充分的市场调研与工艺技术分析，研发设计出数控超大型滚子外径及端面砂带抛光机，突破该技术的成功开发。

1 总体结构布局

机床总体布局如图1 所示。该机床主要用于外径为60～170 mm、长度为60～230 mm 、滚子全锥角为0°～24°范围内的圆锥圆柱滚子砂带超精加工，适用于采用硬车或磨削后进行砂带超精加工的生产工艺。在一台设备上，可同时实现对圆锥或圆柱滚子外径、圆锥滚子球基面和圆柱滚子双端面的超精加工。该机床采用四超头双工位布局，左工位为滚子端面砂带超精，两边各布置一个水平前后振荡，且上下往复行走的超精头；右工位为滚子外径砂带超精。端面抛光采用单砂带水平方向前后小振荡加垂直方向上下砂带大往复超精原理；外径抛光原理采用双砂带，粗、精超两步法设计，砂带工作时沿滚子侧母线左右小振荡的同时，进行左右大往复进给外径抛光。外径超精头整体可旋转角度［3］。

图1 机床总体布局

滚子端面抛光过程如下。机床启动—机器人或人工上料—左工位滚子到位—压紧机构伺服定位—压紧机构尾座液压夹紧—左工位工件驱动装置旋转—左工位砂带垂直（左右两端面）进给—左工位砂带压紧（左右两端面）—端面砂带振荡—端面抛光—端面抛光结束—左压紧机构尾座松压—左压紧机构伺服退回—工件落入工件输送带—砂带锁紧气缸退回—砂带更新—端面抛光循环结束。

滚子外径抛光过程如下。机器人或人工上料—右工位工件到位—压紧机构伺服定位—压紧机构尾座液压夹紧—右工位工件驱动装置旋转—右工位外径砂带垂直进给—右工位粗砂带压紧—外径砂带往复—外径粗抛光砂带松压—外径粗抛光结束—外径粗抛光砂带锁紧气缸退回—外径粗抛光砂带更新—右工位细砂带压紧—外径砂带往复—外径细抛光松压—外径细抛光结束—右压紧机构尾座松压—右压紧机构伺服退回—外径细抛光砂带锁紧气缸退回—外径细抛光砂带更新—外径抛光循环结束。

2 滚子的夹紧与转动

该机床配置两套滚子驱动单元，分别位于床身的左前方和右前方（见图1）。该技术充分利用大直径滚子中心有通孔、两端面都留有中心孔和不需要精加工下沉端面的工艺特点。为适应单个滚子的夹紧与驱动，采用两顶尖定位夹紧，夹紧力由液压伺服比例阀控制，可根据滚子尺寸及重量进行无级调节。滚子定位左端驱动壳体固定在床身上，尾顶尖座体安装在液压和伺服联合驱动的顶尖移动拖板上。由伺服电机驱动滚珠丝杠来快速实现拖板的大行程精确预定位，顶尖到达预定位置后，安装在丝杠螺母上的液压缸启动，将右顶尖向左推进，实现对滚子的定位夹紧。同时可通过液压系统的伺服比例阀来精确设定对滚子的夹紧力大小。该机床中优先选用夹紧力范围与滚子尺寸的对应关系见表1。

表1 砂带抛光机滚子夹紧力与滚子尺寸对应关系

滚子驱动力由左顶尖周边伸出的四个弹性驱动销与滚子左端凹平面间的摩擦力和两顶尖孔的摩擦力提供，四个弹性驱动销的伸缩由工件轴上的旋转液压缸来提供动力。结构设计上，利用滚子端面凹平面空间结合驱动力来选择顶尖型号及驱动销的大小，滚子选用驱动销直径为6 mm，顶尖选用4号锥顶尖。优先选用驱动力范围与滚子尺寸对应关系见表2。滚子夹紧及旋转驱动结构如图2所示。

表2 滚子旋转驱动力与滚子尺寸对应关系

图2 滚子的夹紧与驱动结构

3 滚子端面的砂带超精加工机构

圆柱滚子的两端均为平面超精加工，要控制好砂带上下往复的工艺参数，保证中间不发生凹陷即可。可采用小振荡大往复原理及多段拼接行程，分别设置各段往复次数及速度。由于去除材料与振荡频率、砂带压力及砂带接触时长成正相关，需要通过压力自动调节、往复行程与分段伺服自动控制及振荡频率伺服调节，对每一个类型的滚子设计出一个特殊的超精加工程序。由于设备配套有多伺服自动控制系统，完全可满足单个滚子球基面的超精加工。在机械结构设计上，必须保证砂带在大水平方向上产生振荡、竖直方向上进行往复，压带板在做前后振荡运动的同时，做上下往复运动。振荡频率和振幅可调，往复运动由伺服电机驱动滚珠丝杠实现自动控制。

4 滚子外径的砂带超精加工机构

整体外径超精机构如图3 所示。外径砂带机械底座固定在床身右后方位置，砂带回转板安装在底座前侧，回转板安装在上下拖板上，上下拖板外侧还安装有水平左右移动拖板，砂带更新机构安装在左右拖板外侧。对于圆柱滚子，外径侧母线为全凸或半凸的修正线超精加工，同样采用小振荡大往复原理及多段拼接行程，各段往复次数及速度分别设置的方法。由于去除材料与振荡频率、砂带压力及砂带接触时长成正相关，需要通过压力自动调节、往复行程与分段伺服自动控制及振荡频率伺服调节，对每一个类型的滚子验证出一个特殊的超精加工程序。在对滚子进行外径超精加工时，选用200目粗砂带来去除材料和侧母线塑形，再选用500目细砂带来提高滚子外表面的光洁度，通过双砂带的程序控制，既实现了形状可控，又实现了精度可控［4-5］。

图3 外径砂带超精机构

对于圆锥滚子，由于外圆侧母线带有倾角，如果砂带头不能调整角度的话，理论上会造成砂带因滚子外圆接触面减小而成为一个线接触。为适应不同锥角的滚子，在砂带振荡机构后方增设一层回转板，可在0°～30°自由转换，转角调整采用全自动控制。具体结构设计如下。①回转板可以绕固定回转轴旋转，锁紧梯形螺母与液压缸的活塞稳定连接，液压驱动回转板的锁紧与解锁状态；②回转板解锁后，由伺服电机带动丝杠，丝杠螺母通过铰链机构与回转板连接为一体，可通过伺服电机带动精密滚珠丝杠来精密控制回转板的旋转角度变动量；③回转板相对基准零位的实际偏转值则由安装在回转中心上的角度编码器实时读取，再将角度数值反馈到机床数控系统中与设定角度值进行比对。当实际角度值与设定角度值吻合时，砂带转角驱动电机停止转动，转角锁紧液压缸锁紧，角度调整，保证外径超精的压带轮侧母线与滚子外圆侧母线平行。

5 砂带自动更新机构

砂带自动更新机构（如图4 所示）决定着超精加工是否能进行自动循环加工。首先，要解决砂带涨紧的问题。在超精加工过程中要保证与工件接触的砂带处于一个稳定状态，不能自由移动。为解决这个问题，在循环机构中增设砂带导向轮、断带检测、砂带锁紧气缸，同时给压带气缸预留一定行程，保证砂带始终与工件表面接触。另外，在砂带循环方向上，保证工件的旋转带给砂带的摩擦力与砂带收紧力方向一致。当砂带的出带端被锁紧气缸锁紧时，砂带与工件旋转引起的摩擦力只会让砂带处于胀紧状态，而不会松弛。其次，解决砂带磨损后的自动更新问题。超精加工过程中砂带会磨损，要定时定量更新。为方便程序控制，结构设计中选用带抱闸功能的伺服电机驱动收带盘，在编制程序时，通过伺服电机的计数功能来计算收带盘旋转的转数，再通过转数及砂带的厚度来计算砂带盘外径的增加值。随着砂带盘收带后砂带盘直径的增加而减小一次收带的转角，最终实现砂带更新量的自动调整与控制。

图4 砂带自动更新机构

6 设备超精加工数据分析

通过在该机床上对滚子进行精加工，并对滚子的表面质量进行分析，加工前后技术比较分析结果见表3。在超精加工阶段，没有大的切削力和电磁夹紧，不会带来内部损伤。主要对外观、圆度、轮廓度和表面粗糙度进行验收。在外观上，由于砂带目数选择合理，加工后的滚子色泽均匀。通过对工艺进行参数化处理，可方便调出客户想要的交叉纹理。在指定精密轮廓仪和粗糙度仪上经多次验证，测定重点关注的精度指标完全符合高端客户对精度的要求，且还具有10%以上的精度富余。

表3 超精加工前后滚子主要技术参数比较

7 结语

数控超大型滚子外径及端面砂带抛光机研发的成功，是国内超大型滚子轴承制造企业提高生产效率和产品质量、降低进口成本的重要基础。本研究从硬件设备关键技术研发、多功能复合配置，软件系统的选型及二次开发到加工产品精度检测与提高工艺研究等环节入手，得到大量的基础性研发数据和多项技术突破。通过研究，提高了理论水平，完善了设计理念。产品研制过程能丰富产业化实践能力，也使得工艺路线得到充分的实践检验。