球面滚子外径超精机

周俊荣，刘明，贺宇，周晨曦，周俊瑞

(1.五邑大学 机电工程学院，广东 江门 529020；2.无锡瑞鼎机床有限公司，江苏 无锡 214191)

目前，国内对轴承内、外圈的超精技术已日趋成熟，因此对影响轴承运转的球面滚子的超精加工提出了更高的要求[1]。球面滚子经过超精研加工后，其圆度误差、表面粗糙度值明显下降，表面变质层被除去。装配而成的轴承噪声值明显下降，旋转精度、产品质量及寿命可靠性均有较大幅度的提高[2-3]。而国内目前所用的球面滚子超精机存在加工范围小，满足不了市场上多种球面滚子规格的需求；上下料繁杂、效率低；滚子易划伤等问题。因此，研究球面滚子外径超精研机是我国轴承行业的迫切需求。

1 机床加工原理

油石装在油石夹中，油石夹与摆动主轴相连，同时摆动。摆动主轴中心至油石摩擦端的距离即为滚子的球面半径SR(图1)，改变油石至中心的位置即调节SR的大小；摆动角度α由与摆动主轴相连的曲柄连杆机构控制。

球面滚子采用特殊的工装使之稳定转动，且不产生轴向移动，油石以恒定压力压向球面滚子，对滚子外径面超精，使滚子的表面质量得以改善(圆度和波纹度提高30%以上，表面粗糙度Ra达到0.05 μm)。

2 机床整体与主要部件设计

设计的球面滚子外径超精机整体布局如图2所示，为两工位超精，即1次可以同时超精2个滚子。机床包括床身、上下料机构、工件传动机构、摆动主轴、油石夹持和补偿机构、冷却过滤装置和电气系统等。床身上设置有左、右2个立柱，立柱上安装箱体，箱体上安装摆动主轴，摆动主轴的前端安装油石夹持和补偿机构(超精机构)，摆动主轴由曲柄连杆机构驱动。

图2 机床整体机构布局示意图

在床身上，立柱和箱体前端安装工件传动机构，由可无极调速的电动机驱动，实现工件的稳定转动，而无轴向移动，使机床实现油石对滚子外径面的切入式磨削。工件传动机构的前端安装有上、下料机构。

2.1 摆动机构

摆动机构包括摆动主轴(图3)和曲柄连杆机构(图4)。摆动电动机连接减速机，减速机通过皮带轮与曲柄连杆机构连接，曲柄连杆机构设置有偏心滑块，通过调整偏心滑块的径向位置(即改变长度a)调节摆动主轴的摆动角度。曲柄连杆机构依次连接连杆和中间连杆，中间连杆与摆动主轴相连接。床身左、右立柱上固定摆动主轴和油石摆动气缸，每根摆动主轴对应1个油石摆动气缸，油石摆动气缸的活塞杆与摆动主轴轴心的拉杆相连接。

1—主轴；2—前端盖；3，4，9，10—衬圈；5—套筒；6—衬套；7—支承块；8—弹簧座；11—后端盖；12—支承套；13—六方套；14—拉杆

图4 曲柄连杆机构原理示意图

2.2 超精机构

超精机构包括超精头和油石磨损补偿装置。超精头通过摆臂固连于摆动主轴左端部，从而使超精头和油石盒中的油石随摆动主轴摆动。超精头顶部设置有油石磨损补偿气缸，油石磨损补偿气缸一侧设置有压杆，用于压住油石盒中的油石，使活塞与压杆连接，通过调节在旋转板上不同孔的位置使油石垂直移动，满足不同规格滚子的要求；超精头通过油石的摆动实现粗超、精超，使球面滚子的表面粗糙度、波纹度和圆度达到要求，同时自动补偿油石的磨损。

2.3 上、下料机构

采用切入式超精加工方法，超精滚子的规格范围更广。传统上料方式(手动或半自动上料)效率较低，换工装较麻烦，设计采用了可调式上料机构，超精不同规格的滚子时，只需调节上料道上面和侧面的螺杆便可改变料道的大小；下料机构由机械手和下料道构成，下料道底端与送料带连接，能够稳定地实现上、下料，而且速度较快。设计的上、下料机构结构简单、操作方便，减少了换工装的时间，效率大大提高。

3 机床主要技术参数

球面滚子外径超精机加工范围(图5)：滚子直径Dw为12～80 mm；球面半径SR为70～260 mm；滚子长度Lw为12～90 mm。滚子超精后表面粗糙度Ra达到0.05 μm；圆度提高30%(<1 μm)；波纹度提高15%(<1 μm)。

图5 滚子示意图

以23024C为例，滚子参数为：Dw=15.6 mm，Lw=18.8 mm，SR=81.5 mm。超精前、后滚子的实际检测数据对比见表1。

表1 超精前、后滚子的检测数据对比 μm

球面滚子外径超精机设有粗超与精超2种超精方式，且可在同一工位上完成，粗超与精超的时间可在手触板上设置，方便、快捷。一次加工完成所用时间约14 s，即加工效率约为每件7 s。

4 结束语

近年来，由于轴承行业的飞速发展，我国对调心滚子轴承的需求量越来越大，要求的精度越来越高，滚子规格也越来越多。该机床的成功研制将为多种规格高质量调心滚子轴承的生产提供关键的装备支持。