CN102059624A - 轴承滚道可控磨削设备及磨削工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种机械设备和使用方法，即一种轴承滚道可控磨削设备及磨削工艺，其设备的特点是：工作台(2)通过双向平动机构装在机架(1)上；砂轮总成通过绕机架平面横轴摆动的纵摆架(6)，以及绕机架平面纵轴摆动的横摆架(3)与机架(1)相铰链；砂轮总成通过双向进给支架装有砂轮修整机构；机架(1)上装有与横摆架(3)相连的横摆油缸(5)、和纵摆架(6)相连的纵摆油缸(4)；双向平动机构、横摆油缸(5)、纵摆油缸(4)、双向进给支架均与计算机控制系统相联系。有益效果是：可以使工件在限定平面的任意点与砂轮进行任意角度的磨削，计算机控制可使加工精度显著提高，降低工件加工余量，减少接触面积，降低磨削温度和磨削液用量，甚至实现“冷态”加工，提高了工件表面完整性，实现高效、低耗、低成本绿色清洁生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种机械设备和使用方法，即一种轴承滚道可控磨削设备及磨削工艺。
背景技术
轴承滚道是轴承内套和外套之间容纳滚珠的空间，是轴承工作时承受负荷的工作表面，轴承滚道的表面完整性直接影响轴承的工作性能。轴承滚道的表面完整性主要包括滚道的表面形貌、表层组织的硬度和残余应力分布等。研究表明，破坏轴承滚道表面完整性的主要因素是磨削加工过程中磨削比能过高。磨削比能是磨除单位材料所消耗的能量，其值表征了磨削过程中所消耗能量的大小。滚道磨削过程中砂轮磨粒和滚道表面之间发生冲击、滑擦、耕犁和切削作用，产生磨削力和磨削热等能量，当热量超过某一临界值时，就会引起滚道表面的热损伤，造成表面的氧化、烧伤，使滚道表层产生残余拉应力、微观组织变化和微裂纹等缺陷，导致轴承套圈的尺寸精度、形状精度误差增大，降低滚道的抗磨损、抗疲劳性能，降低轴承的工作可靠性和使用寿命。显然，减少磨削过程中的冲击、滑擦、耕犁和切削作用，是降低磨削比能的重要途径。而要达到这一目的，就要对现有设备的性能进行改进和提高。现有设备的砂轮体积大，磨削精度低，要求工件具有较大的加工余量，造成磨削量大，效率低，特别是对于复杂形状的滚道需要多道磨削工序，这些因素集中体现为磨削热的增加。为了降低磨削热，目前多采用向磨削区供给大流量磨削液的浇注式供液法。可是，由于砂轮高速旋转形成的“气障”使磨削液难以进入磨削区，实际进入磨削区的流量极小，不能消除热量产生的根源，只能在外围来冷却工件，带走热量。这不仅浪费磨削液，增加供给和处理磨削液的成本，对环境造成污染，而且磨削液在砂轮与工件楔形间隙中形成流体动压力，使砂轮主轴产生弯曲变形，导致实际切深减小，加重形状和尺寸误差。
发明内容
本发明的目的是：提供一种磨削精度高，速度快，砂轮与工件磨削接触面小，能一次完成多个不同法向表面的磨削作业，磨削液用量大幅度减少，磨削比能显著降低，轴承滚道的表面完整性指标显著提升的轴承滚道可控磨削设备和工艺。
上述目的是由以下技术方案实现的：研制一种轴承滚道可控磨削设备，包括机架、工作台、砂轮总成，砂轮总成包括砂轮、主轴、主轴箱。其特点是：所说的工作台通过双向平动机构装在机架上；砂轮总成通过绕机架平面横轴摆动的纵摆架，以及绕机架平面纵轴摆动的横摆架与机架相铰链；砂轮总成上通过双向进给支架装有砂轮修整机构；机架上装有与横摆架相连的横摆油缸、和纵摆架相连的纵摆油缸；双向平动机构、横摆油缸、纵摆油缸、双向进给支架均与计算机控制系统相联系。
所说的双向平动机构包括装在机架上的纵滑道，纵滑道上装有可沿纵滑道滑动的滑块，滑块上装有横向滑轨，横向滑轨上装有可沿横向滑轨滑动的工作台，工作台上装有卡装工件的卡盘和带动工件转动的电机。
所说的砂轮总成与机架的连接方式是，砂轮总成的主轴箱固连在纵摆架上，纵摆架通过两端的横轴与下面的横摆架上的支架相铰链，横轴的一端固连纵摆偏心轮，偏心轮上的偏心轴与连杆相铰链，连杆的另一端与纵摆油缸的活塞杆前端相铰链，偏心轮一侧装有触碰式限位开关；横摆架两端与机架上的两个纵向半轴相连，其中，一个半轴是与横摆架固定连接的固定半轴，另一个是与横摆架转动连接的转连半轴，固定半轴的另一端装有横摆偏心轮，偏心轮上的偏心轴与连杆相铰链，连杆的另一端与横摆油缸的活塞杆前端相铰链，偏心轮一侧装有触碰式限位开关。
所说的横摆偏心轮经限位开关设定的摆角在±10°之间，纵摆偏心轮经限位开关设定的摆角在±20°之间。
所说的砂轮修整机构的双向进给支架：在纵摆架底座上有一个横向滑道，横向滑轨上面装有滑座，滑座上面装有纵向滑轨，纵向滑轨上装有纵向笔架，纵向笔架上装有金刚石笔。
所说的砂轮修整机构设有装在砂轮上方的可在线监测的声发射传感器。
所说的砂轮轴下端挡圈上装有圆度在线检测的激光测距位移传感器。
所说的砂轮是厚度≤5mm的CBN或金刚石超硬磨料砂轮。
所说的计算机控制系统的主机为PC机，通过串行通信接口与下位计算机相联系，通过CNC控制程序与工作台、砂轮总成、砂轮修整机构相联系；下位计算机设有前方信号采集器、放大电路、包络滤波电路、有效值输入、微分值输入和加权振铃计数电路，以及光电编码器、辩向电路。
一种轴承滚道磨削工艺：先将轴承内外圈磨削工件分别装卡在工作台两端，并将磨削参数输入PC机，PC机即可控制工作台横向位移与两砂轮相对，再沿纵向位移，同时控制砂轮主轴进给，而与工件相接触，并指令横摆架、纵摆架按照事先确定的参数摆转，使砂轮按特定的角度进行磨削，完成磨削后各部件按原路返回。
本发明的有益效果是：采用双向平动工作台和具有双向摆动功能的砂轮总成，以及超薄高硬度砂轮，可以使工件在限定平面的任意点与砂轮进行任意角度的磨削，采用计算机控制技术，使加工精度显著提高，因而可以降低工件的加工余量，减少砂轮与滚道的接触面积和加工时间，磨削温度大为降低，磨削液用量极少，甚至可以实现“冷态”加工，较好的解决了轴承滚道磨削烧伤问题，提高了工件表面完整性，实现高效、低耗、低成本绿色清洁生产。
附图说明
图1是一种实施例的立体示意图；
图2是这种实施例的部件机架的立体示意图；
图3是这种实施例的部件工作台双向平动机构的立体示意图；
图4是这种实施例的部件工作台的立体示意图；
图5是这种实施例的部件横摆架的立体示意图；
图6是这种实施例的部件纵摆架的立体示意图；
图7是这种实施例的部件纵摆油缸的立体示意图；
图8是这种实施例的在线监测机构示意图；
图9是这种实施例的计算机控制系统结构原理图。
图中可见：机架1，工作台2，横摆架3，纵摆油缸4，横摆油缸5，纵摆架6，纵滑道7，活塞杆8，连杆9，横摆偏心轮10，固连半轴11，转连半轴12，滑块13，纵驱油缸14，横向滑杆15，内圈16，外圈17，电机18，横驱油缸19，横摆架边框20，转连孔21，支架22，固连孔23，主轴箱24，主轴25，砂轮26，金刚石笔27，纵摆架底座28，横轴29，横向滑轨30，滑座31，纵向滑轨32，纵向笔架33，纵摆偏心轮34，声发射传感器35，轴端挡圈36，激光测距位移传感器37。
具体实施方式
本发明总的构思是实现工件在平面上的任意点平移，砂轮在限定的空间内任意摆动，并通过计算机控制实现精准加工，进而提高加工精度和效率，降低磨削热量的产生，减少磨削液的用量。下面结合附图介绍一种实施例：图1所示设备是一个轴承滚道磨削机床，由机架1、工作台2、横摆架3、纵摆油缸4、横摆油缸5、纵摆架6构成。结合图2可见，机架1沿纵向固连一支纵滑道7。结合图3、4可见，纵滑道7上面通过双向平动机构支撑一个工作台2。双向平动机构的方式很多，图中例举的是在纵滑道7上面有一个滑块13，滑块13里面装有纵驱油缸14，滑块13上面装有横向滑杆15，工作台2可通过横驱油缸19在横向滑杆15上横向滑动。显然，通过滑块13的纵向滑动和沿的横向滑杆15的横向滑动，工作台2即可到达平面内的任意位置。在工作台2上面两端分别通过卡具装有轴承的内圈16和外圈17两个工件。每个工件的下面都装有一部可带动工件转动的电机18。结合图2、5可见，机架1纵向两端有一对半轴，一个是固连半轴11，另一个是转连半轴12，横摆架3两侧各有一个边框20，一侧边框通过固连孔23与固连半轴11固定连接，另一侧边框通过转连孔21与转连半轴12转动连接。在固连半轴11的外端固连一个横摆偏心轮10，横摆偏心轮10的偏心轴与一连杆9相铰链，连杆9的另一端与横摆油缸5的活塞杆8相铰链。显然，油缸5进给时，可推动横摆偏心轮10转动。在横摆偏心轮10附近，设有两个触碰限位开关，通过PC机控制程序限制横摆偏心轮10在±10°范围内摆转，并且带动横摆架3绕纵轴在±10°范围内摆动。结合图6可见，纵摆架6的底座28两侧分别有一个横轴29装在横摆架3的两个支架22上，横摆架3的前面两端各有一个主轴箱24，里面都装有主轴电机和砂轮主轴25，主轴25的下面装有砂轮26。主轴25既可以转动，又可以上下进给。砂轮26是厚度≤5mm的CBN或金刚石超硬磨料砂轮。结合图7可见，纵摆架6一侧横轴29固连一个纵摆偏心轮34，纵摆油缸4通过连杆、活塞控制纵摆偏心轮34，在两个触碰限位开关和PC机控制程序下，限制纵摆偏心轮34的转角在±20°范围内摆转。也就是带动纵摆架6绕横轴在±20°范围内摆转。
图9例举了计算机控制系统的一种方式。图中可见：PC主机一方面接受键盘输入的参数，另一方面通过串行通信接口与下位计算机相联系，通过CNC控制程序与工作台、砂轮总成、纵摆油缸、横摆油缸以及砂轮修整机构相联系；下位计算机设有前方信号采集器、放大电路、包络滤波电路、有效值输入、微分值输入和加权振铃计数电路，以及光电编码器、辩向电路。
工作时，先将轴承内圈16、外圈17分别装卡在工作台2的两个卡盘上，并在计算机程序控制下，工作台2通过横向调整，使内圈16、外圈17分别与两个砂轮26对正，再沿纵滑道7滑动与砂轮相接触，砂轮26按照指令转动和进给，进行横向、纵向摆动，既可在限制范围内合成任意的磨削角度，一次完成全部磨削过程。完成后各部件按原路返回。
图1、6介绍了砂轮的修整机构，纵摆架6的底座28有一条横向滑轨30，上面有滑座31，滑座31前面有纵向滑轨32，纵向滑轨32上面装有纵向笔架33，纵向笔架33前面装有金刚石笔27。修整时，砂轮26先停到修整位置，金刚石笔27进给，与待修整砂轮26回转中心接触，根据修整曲线修整砂轮26，确保砂轮廓形精度及磨削能力。
如图8所示，在两根砂轮轴12上分别装有声发射传感器35，可检测150mm范围内的AE信号，金刚石笔27与砂轮26接触时，控制系统通过监测声音信号变化来判断金刚石笔27与砂轮26的切深，在金刚石笔27未达到砂轮26最大磨损量时，AE信号会随时间逐渐加大，当达到最大磨损量时，AE信号在全砂轮宽度上近似均匀的幅值。在加工过程中，砂轮26与工件的切深也可以通过声发射传感器35在线监测。
砂轮26的磨损状态也可以用声发射传感器监测获得。砂轮26的磨损状态与声发射传感器35的幅值有很好的对应关系，当声发射传感器35的幅值增加到一定程度时，则表示砂轮26已经钝化。但是受加工条件和加工参数的影响，声发射传感器35的信号是变化的，因此需要掌握各种加工条件下以及加工过程的各个阶段声发射传感器35的信号变化值。砂轮26的钝化还会导致振动信号主峰向低频偏移，电机的功率也会增加，综合各种信号分析，可以判断砂轮26是否磨损和磨损状态。当来自声发射传感器35的信号表示砂轮26需要修整时，控制系统根据砂轮26的磨损状态和加工参数自动计算出修整曲线，并产生NC代码供控制系统控制砂轮26的修整过程。
如图8所示，在砂轮轴端的轴端挡圈36上装有进行圆度在线检测的激光测距位移传感器37。圆度在线检测的原理是激光测距位移传感器37发射的激光指向砂轮26与滚道接触点所在圆周附近的点。砂轮26磨削轴承滚道时，激光测距位移传感器37随砂轮主轴25一起旋转，砂轮26每偏转一个角度，传感器37则在该位置测若干个不同的点，把测得的信号传给PC机，PC机即根据收集的信号，采用最小二乘法计算圆度误差，再把计算结果反馈给控制系统。
Claims (10)
1.一种轴承滚道可控磨削设备，包括机架、工作台、砂轮总成，砂轮总成包括砂轮、主轴、主轴箱，其特征在于：所说的工作台(2)通过双向平动机构装在机架(1)上；砂轮总成通过绕机架平面横轴摆动的纵摆架(6)，以及绕机架平面纵轴摆动的横摆架(3)与机架(1)相铰链；砂轮总成上通过双向进给支架装有砂轮修整机构；机架(1)上装有与横摆架(3)相连的横摆油缸(5)、和纵摆架(6)相连的纵摆油缸(4)；双向平动机构、横摆油缸(5)、纵摆油缸(4)、双向进给支架均与计算机控制系统相联系。
2.根据权利要求1所述的轴承滚道可控磨削设备，其特征在于：所说的双向平动机构包括装在机架(1)上的纵滑道(7)，纵滑道(7)上装有可沿纵滑道(7)滑动的滑块(13)，滑块(13)上装有横向滑杆(15)，横向滑杆(15)上装有可沿横向滑杆(15)滑动的工作台(2)，工作台(2)上装有卡装工件的卡盘和带动工件转动的电机(18)。
3.根据权利要求1所述的轴承滚道可控磨削设备，其特征在于：所说的砂轮总成与机架(1)的连接方式是：砂轮总成的主轴箱(24)固连在纵摆架(6)上，纵摆架(6)通过两端的横轴(29)与下面的横摆架(3)上的支架(22)相铰链，横轴(29)的一端固连纵摆偏心轮(34)，纵摆偏心轮(34)上的偏心轴与连杆相铰链，连杆的另一端与纵摆油缸(4)的活塞杆前端相铰链，纵摆偏心轮(34)一侧装有触碰式限位开关；横摆架(3)两端与机架(1)上的两个纵向半轴相连，其中，一个半轴是与横摆架(3)固定连接的固定半轴(11)，另一个是与横摆架(3)转动连接的转连半轴(12)，固定半轴(11)的另一端装有横摆偏心轮(10)，横摆偏心轮(10)上的偏心轴与连杆(9)相铰链，连杆(9)的另一端与横摆油缸(5)的活塞杆前端相铰链，横摆偏心轮(10)一侧装有触碰式限位开关。
4.根据权利要求3所述的轴承滚道可控磨削设备，其特征在于：所说的横摆偏心轮(10)经限位开关设定的摆角在±10°之间，纵摆偏心轮(34)经限位开关设定的摆角在±20°之间。
5.根据权利要求1所述的轴承滚道可控磨削设备，其特征在于：所说的砂轮修整机构的双向进给支架是：在纵摆架(6)底座(28)上有一个横向滑轨(30)，横向滑轨(30)上面装有滑座(31)，滑座(31)上面装有纵向滑轨(32)，纵向滑轨(32)上装有纵向笔架(33)，纵向笔架(33)上装有金刚石笔(27)。
6.根据权利要求1所述的轴承滚道可控磨削设备，其特征在于：所说的砂轮修整机构设有装在砂轮上方的可在线监测的声发射传感器(35)。
7.根据权利要求1所述的轴承滚道可控磨削设备，其特征在于：所说的砂轮主轴(25)下端挡圈(36)上装有用于圆度在线检测的激光测距位移传感器(37)。
8.根据权利要求1所述的轴承滚道可控磨削设备，其特征在于：所说的砂轮(26)是厚度≤5mm的CBN或金刚石超硬磨料砂轮。
9.根据权利要求1所述的轴承滚道可控磨削设备，其特征在于：所说的计算机控制系统的主机为PC机，通过串行通信接口与下位计算机相联系，通过CNC控制程序与工作台、砂轮总成、砂轮修整机构相联系；下位计算机设有前方信号采集器、放大电路、包络滤波电路、有效值输入、微分值输入和加权振铃计数电路，以及光电编码器、辩向电路。
10.根据权利要求1所述的轴承滚道可控磨削设备，其特征在于：其轴承滚道磨削工艺是：先将轴承内外圈磨削工件分别装卡在工作台两端，并将磨削参数输入PC机，PC机即可控制工作台横向位移与两砂轮相对，再沿纵向位移，同时控制砂轮主轴进给，而与工件相接触，并指令横摆架、纵摆架按照事先确定的参数摆转，使砂轮按特定的角度进行磨削，完成磨削后各部件按原路返回。
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