CN101502948A - 修整高精度轴承成形砂轮的方法及其进给装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种修整高精度轴承成形砂轮的进给装置，由带动金钢笔沿砂轮切向、轴向和径向运动的三个进给装置组成，3个进给装置分别由独立的伺服电机通过传动系统驱动和PLC控制。本发明采用切向进给装置(4)沿砂轮切向的运动间接完成沿砂轮径向运动的方法，避免了修整砂轮时对单轴坐标最小步长的限制与极高的步长精度要求，提高了砂轮的修整精度及其所磨削的轴承轮廓精度。本发明的装置结构简单，可以大大降低砂轮修整进给装置的制造要求，具有极高的性价比。基于本发明的方法，研制的圆锥滚子轴承对数曲线滚道磨床，可以大大提高轴承滚道对数曲线的加工精度及其稳定性，解决了该类轴承磨床的行业技术难题，填补了该领域的空白。

Description

修整高精度轴承成形砂轮的方法及其进给装置

技术领域

本发明属轴承精密加工技术领域，特别是涉及一种修整轴承成形砂轮的方法及其进给装置。

背景技术

近年来，随着我国汽车、铁路提速、轨道交通等的迅速发展，轴承等关键和通用零部件的需求量和性能要求也越来越高。但是，由于我国尚缺乏先进的、具有自主知识产权的轴承制造工艺及其专用设备，所生产的轴承尚不能达到国际高精度或高性能轴承标准。大多数与铁路机车车辆配套的轴承制造公司是中外合资企业，如南口斯凯孚铁路轴承公司是中瑞(瑞士SKF)合资，银川富安捷轴承公司是中德(德国FAG)合资，我国国有企业或民营企业大多因所生产轴承的疲劳寿命等性能差距而不能进入OEM(Original Equipment/Entrusted Manufacture)市场。

我国圆锥(柱)滚子轴承的使用寿命与发达国家同类产品差距大的主要原因是，国内滚子轴承加工技术难以支持凸度理论的实现，从而导致轴承在运转过程中滚子两端边缘压力奇异分布，即边缘应力集中现象，使轴承过早产生疲劳磨损而失效。基于凸度理论的滚子轴承工作表面，可以很好地改善或消除边缘应力集中现象。目前，国内企业生产的圆锥(柱)滚子轴承专用磨床，都采用传统的沿砂轮径向(Y轴)和轴向(X轴)的插补方法，难以实现高精度对数曲线插补运动对单轴坐标的最小步长要求和高的线轮廓度要求。因此，发明和研制一种磨削高精度对数曲线轴承滚道的成形砂轮修整方法及其进给装置，从根本上解决高精度对数曲线轴承专用磨床研制中的技术瓶颈，对提升我国具有自主产权的轴承专用磨床研制水平，提高高精度圆锥(柱)滚子轴承的生产能力及其国产化率，都具有极其重要的现实意义和工程应用前景。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种修整高精度轴承成形砂轮的方法及其进给装置，以解决现有技术中加工精度低的缺陷。

一种修整高精度轴承成形砂轮的进给装置，由金钢笔、轴向进给装置、径向进给装置、和切向进给装置三部分组成，独立的3个伺服电机通过传动机构驱动上述三个进给装置带动金钢笔运动，并采用可编程逻辑控制器控制上述三个进给装置的进给运动。

所述的传动机构为滚珠丝杠传动付。

一种使用上述装置修整高精度轴承成形砂轮的方法，通过径向进给装置沿砂轮径向Y轴的运动，实现金钢笔一次修整量的进给及其磨损量的补偿进给，通过切向进给装置沿Z轴和轴向进给装置沿X轴的直线插补运动直接驱动金钢笔，完成金钢笔对砂轮的对数曲线成形面的精确修整。

所述的直线插补运动中，采用切向进给装置直接驱动金钢笔沿砂轮切向Z轴的进给位移间接完成传统的沿砂轮径向Y轴的位移，并与砂轮轴向X轴的进给运动合成直线插补运动，完成金钢笔对砂轮的对数曲线成形面的精确修整，并避免了修整砂轮时对单轴坐标最小步长的限制与极高的步长精度要求。

有益效果

本发明所述的一种修整高精度轴承成形砂轮的方法，通过直接驱动金钢笔沿砂轮切向Z轴的进给运动间接完成其相对砂轮径向Y轴的位移，由于金钢笔沿Z轴的进给量远远大于其相对Y轴的位移量(ΔY≈ΔZ²/Ds，Ds为砂轮直径)，即金钢笔相对Y轴的实际位移量ΔY误差仅是Z轴进给量ΔZ误差的ΔZ²/Ds，也即Z轴的进给误差包括反向间隙误差对Y轴的位移精度几乎不会造成任何影响，从而避免了修整高精度对数曲线轴承滚道砂轮时对单轴坐标最小步长的限制与极高的步长精度要求，降低了对砂轮修整进给装置的制造要求，提高了对数曲线砂轮的修整精度及其所磨削的轴承轮廓精度。本发明所述的一种修整高精度轴承成形砂轮的进给装置，可以大大降低砂轮修整进给装置的制造要求，并通过采用PLC控制方式即可满足高精度轴承极高的对数曲线轮廓度要求，具有极高的性价比。

基于本发明的方法，研制的圆锥滚子轴承对数曲线滚道磨床，可以大大提高轴承滚道对数曲线的加工精度及其稳定性，解决了该类轴承磨床的行业技术难题，填补了该领域的空白。

附图说明

图1为修整高精度轴承成形砂轮的进给装置结构示意图；

图2为图1的A向视图；

图3为金刚笔沿砂轮切向进给运动取代径向进给运动的精度控制原理图。

1 砂轮                      2 金钢笔

3 伺服电机                  4 Z轴(砂轮切向)进给装置

5 X轴(砂轮轴向)进给装置     6 Y轴(砂轮径向)进给装置

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

一种修整高精度轴承成形砂轮的进给装置，由金钢笔2、轴向进给装置5、切向进给装置4、和径向进给装置6三部分组成，独立的3个伺服电机3通过滚珠丝杠传动付驱动上述三个进给装置带动金钢笔2运动，并采用可编程逻辑控制器(PLC)控制上述三个进给装置的进给运动。

一种修整高精度轴承成形砂轮的方法，通过径向进给装置6带动金钢笔2沿砂轮径向Y轴的运动，实现金钢笔2一次修整量的进给及其磨损量的补偿进给，通过切向进给装置4，直接驱动金钢笔2沿砂轮切向Z轴的进给运动间接完成其相对砂轮径向Y轴的位移，并与由轴向进给装置5直接驱动金钢笔2沿砂轮轴向X轴的进给运动合成直线插补运动，完成金钢笔2对砂轮1的对数曲线成形面的精确修整。

通过直接驱动金钢笔沿Z轴的进给运动间接完成其相对Y轴位移的运动方式，使金钢笔沿Z轴的直接进给量远远大于其间接完成的相对Y轴的位移量，其分析计算如下：

由ΔOBA(图2)有：

${\left(\frac{D_5}{2}\right)}^2-{\left(\mathrm{\ΔZ}\right)}^2={\left(\mathrm{OB}\right)}^2={(\frac{D_5}{2}-\mathrm{\ΔY})}^2={\left(\frac{D_5}{2}\right)}^2-D_5\mathrm{\ΔY}+{\left(\mathrm{\ΔY}\right)}^2---\left(1\right)$

(ΔZ)²+(ΔY)²＝D₃ΔY                 (2)

因为ΔY非常小，故忽略(ΔY)²项，则有：

ΔY≈(ΔZ)²/D₃                             (3)

或有： $\mathrm{\ΔZ}=\sqrt{\mathrm{\ΔY}\·D_5}---\left(4\right)$

由上述分析计算可知，金钢笔相对Y轴的实际位移量(ΔY)误差仅是Z轴进给量(ΔZ)误差的ΔZ²/D_s，因此，Z轴的进给误差包括反向间隙误差对Y轴的位移精度几乎不会造成任何影响，从而避免了修整高精度对数曲线轴承滚道砂轮时对单轴坐标最小步长的限制与极高的步长精度要求，降低了对砂轮修整进给装置的制造要求，提高了对数曲线砂轮的修整精度及其所磨削的轴承轮廓精度。

根据常用的轴承类型与规格，通常，轴承滚道磨削用的砂轮直径(D_s)范围为30-600mm，砂轮直径大一些，砂轮修整一次后的使用时间会长一些，但是用于磨削轴承外圈内滚道的砂轮直径将受到轴承外圈孔的限制。砂轮宽度(B)范围为20-30mm，对数曲线砂轮成形面的增量值为3-30μm。

金钢笔沿砂轮径向(Y轴)和轴向(X轴)合成直线插补运动，根据轴承滚道凸度理论和高精度对数曲线轮廓度要求，基于免疫进化算法，优化确定直线插补时的几十种不同斜率及其插补点，以精确合成对数曲线的砂轮工作表面。

将上述方法及装置用于圆锥滚子轴承内圈对数曲线外滚道专用磨床，所要求的对数曲线砂轮成形面增量为20μm，对数曲线的线轮廓公差为0.2μm。所选择砂轮参数为，直径(D_s)300mm，宽度(B)20mm。下面进行采用本发明可获得的精度分析和效益：

若根据轮廓度精度，要求金刚笔在Y轴上的插补增量(ΔY)为0.1μm，则由公式(4)计算得：ΔZ＝0.173mm。

显然，按传统砂轮修整方式，要求Y轴直接进给0.1μm所花的代价很大，不仅机构复杂庞大，而且达到稳定可靠非常困难，甚至不可能。而采用本发明要求Z轴直接进给0.173mm(173μm)是轻而易举的。

反之，应用本发明，若使Z轴具有0.173mm的ΔZ增量，且其进给精度为5μm，则Y轴在获得0.1μm的ΔY增量的同时，可以保证具有0.83×10^-4μm的进给精度。

采用PLC控制上述进给运动，并可以获得如上述分析计算所述的极高的对数曲线轮廓精度，说明基于本发明研制的圆锥滚子轴承内圈对数曲线外滚道专用磨床还具有很高的性价比。

实施例2

按实施例1所述，并将上述方法及装置用于圆锥滚子轴承外圈对数曲线内滚道专用磨床，所要求的对数曲线砂轮成形面增量为20μm，对数曲线的线轮廓公差为0.2μm。所选择砂轮参数为，直径(D_s)30mm，宽度(B)20mm。下面进行采用本发明可获得的精度分析和效益：

若根据轮廓度精度，要求金刚笔在Y轴上的插补增量(ΔY)为0.1μm，则由公式(4)计算得：ΔZ＝0.0547mm。

显然，按传统砂轮修整方式，要求Y轴直接进给0.1μm所花的代价很大，不仅机构复杂庞大，而且达到稳定可靠非常困难，甚至不可能。而采用本发明要求Z轴直接进给0.0547mm(54.7μm)是轻而易举的。

反之，应用本发明，若使Z轴具有0.0547mm的ΔZ增量，且其进给精度为5μm，则Y轴在获得0.1μm的ΔY增量的同时，可以保证具有0.83×10^-3μm的进给精度。

采用PLC控制上述进给运动，并可以获得如上述分析计算所述的极高的对数曲线轮廓精度，说明基于本发明研制的圆锥滚子轴承外圈对数曲线内滚道专用磨床还具有很高的性价比。

Claims (3)

1.一种修整高精度轴承成形砂轮的进给装置，其特征是：由驱动金钢笔(2)的轴向进给装置(5)、切向进给装置(4)、和径向进给装置(6)三部分组成，独立的3个伺服电机(3)通过传动机构驱动上述三个进给装置带动金钢笔(2)运动，并采用可编程逻辑控制器控制上述三个进给装置的进给运动。

2.一种使用权利要求1所述的装置修整高精度轴承成形砂轮的方法，其特征是：径向进给装置(6)沿砂轮径向的运动仅用于实现金钢笔(2)一次修整量的进给及其磨损量的补偿进给Y轴，切向进给装置(4)和轴向进给装置(5)合成的直线插补运动直接驱动金钢笔，用以完成金钢笔(2)对砂轮(1)的对数曲线成形面的精确修整。

3.权利要求1所述的修整高精度轴承成形砂轮的进给装置，其特征是：所述的传动机构为滚珠丝杠传动付。

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