新一代微型軸承套圈磨床的研發

行動的矮子

       隨著我國軸承用戶對微型軸承品質要求的提高，微型軸承廠的低噪音、軸承的生產批量與日俱增。由于局限于原有軸承套圈磨床設計上的先天缺陷，所以僅從機床的工裝和磨頭等部件的局部改進幾乎無法消除諸如套圈溝道尺寸散差大，加工件形狀和位置精度偏低等諸多BUG。由于液壓控制和步進電機控制的機床進給補償傳動鏈過于復雜，液壓控制系統執行元件的穩定性差，加上機床關鍵零部件主要工作面的設計標準偏低，所以要想在原有設備批量加工P5級以上精度等級的軸承套圈，軸承加工車間的工藝實踐非常困難。 以3MZ201A/1自動軸承內圓磨床為例（圖1），該機床加工606套圈內徑的標準為，Δdmp為7μm，Vdmp為3μm，磨削表面粗糙度Ra標準是0.63。日本的SIG02LMB內圓磨床加工693ZZ內圈的內徑，它的樣本標準為，Δdmp為3μm，Vdmp為0.9μm，磨削面Ra標準是0.12（圖2）。洛陽研究所ZYS等精密軸承制造企業的相同尺寸段的P4級軸承的出廠標準，Δdmp為4μm，Vdmp為2μm。我國國內有相當數量的軸承廠的內圓加工精度可以達到Z3、V3組低噪音深溝球軸承套圈磨加工工序間要求，但是需要先期分選，軸承套圈加工尺寸CPK值比較低。由于現有液壓控制和步進電機控制的微型軸承磨床的驗收標準偏低，導致機床零部件控制檢驗指標偏低，所以機床出廠實際水平參差不齊，部分綜合精度較差的產品也作為合格品流入軸承廠，一些設備甚至很難達到加工普通級軸承套圈的技術條件?，F有的3MZ201A/1自動軸承內圓磨床相關標準明顯不符合國內普通級深溝球軸承的加工現狀，建議軸承行業相關部門盡快修訂微型軸承套圈磨床檢驗細則，重新制定適合我國微型軸承套圈磨削工序生產實際的檢驗標準。 再以3MZ131A/1自動軸承內圈溝磨床為例，該機床加工606套圈的內徑溝道的標準為，Δdmp為20μm， ΔCir為1.2μm，磨削表面粗糙度Ra標準是0.32。日本的SG1-IR內圈溝磨床加工693ZZ內圈的內徑，它的樣本標準為，Δdmp為外徑尺寸變動值＋4μm，ΔCir為外徑圓度＋0.3μm，磨削面Ra標準是0.3 （圖3）。經過調研的數據統計，我國目前采用液壓系統和步進電機定程控制尺寸的微型軸承溝道磨床的溝道尺寸散差大都在15－20μm之間，該類機床均達不到Z3、V3組低噪音深溝球軸承套圈磨加工工序間技術條件。*1 綜上所述，研制新一代伺服控制的軸承磨床，這是精密微型軸承磨床制造領域的不可逆轉的趨勢。伺服系統控制的軸承磨床的性就是它能夠可靠的提高軸承套圈磨削表面的尺寸變動值精度。軸承套圈工作表面批量尺寸分散精度的提高不僅給高精度軸承裝配自動線打下了堅實的技術基礎，而且會對降低成套軸承的噪聲起到至關重要的作用。不僅軸承套圈內圓表面的尺寸精度需要嚴格控制，而且對低噪聲軸承套圈的溝道直徑尺寸分散度也同樣需要關注。溝道直徑尺寸嚴重分散，意味著結構尺寸的變更，可以改變軸承內部的運動特性，進而導致噪聲分散范圍的增大。*2 高精度微型軸承磨床的研發主要有三種思路，種是學習消化的機床結構全新開展設計工作；第二種是部分借用國內現有機床合理的結構，局部重新設計；第三種是僅改進機床的進給補償系統，將液壓控制和步進電機控制更新為伺服系統控制。 第三種是的適合于單機的改進思路，改進成本較低。此種模式特別適用于舊機床的數控改造，也適用于曾經批量生產過微型軸承磨床的企業。以內表面軸承磨床為例，需要做的工作主要是重新設計工件架進給機構，將磨架進給改為工件架進給，這種改進模式可以明顯提高原機床的尺寸分散精度，但機床其它技術指標沒有太大的提高。 第二種研發思路適合于微型軸承磨超自動線的磨床單機設計，主要是在原微型軸承磨床的基礎上根據低噪音軸承套圈加工精度的要求提高和嚴格控制機床關鍵零部件的加工精度。為了提高機床的可靠性和加工件精度的穩定性，設計BOM對外購件的采購品牌和技術條件要嚴格標定，即使外購件的精選要根據客戶的配置要求和訂單做適當調整，但原則上不能夠超過設計標準的底線，這需要機床制造廠和軸承廠反復的溝通。 以內圈溝磨床的為例，首先，將原兩套液壓進給補償部分改為單伺服電機控制系統和一根滾珠絲杠，使工件架和修整補償架逆向同步移動。其次，將滾動軸承砂輪主軸系統改為靜壓或動靜壓滑動軸承結構，日本的SG1-IR機床采用的是非真圓單側銜接的靜承。采用靜壓或動靜壓滑動軸承軸系，砂輪的線速度可以穩定達到80 M/s。我們用3MZ135自動軸承內圈溝磨床的軸系做過高速運轉試驗，在安裝上做過靜平衡的Φ500mm直徑砂輪的軸系建壓浮起后，變頻電機加到主軸4000R.P.M轉速過程前后，動靜系均沒有顯著的噪聲和溫升，砂輪安裝一側徑向跳動始終在1μm（千分表）刻度以內。 在新一代微型軸承磨床的研制初期，采用第二種研發思路風險最小，見效較快，而且比較容易被我國大多數軸承廠的技術人員和操作工熟悉掌握。在取得一段時間的軸承廠車間磨削加工實踐之后，研發的方向就要轉向種思路?？梢詫I已成熟的小型軸承磨床的某些技術應用到微型軸承磨床的設計當中。比如大功率高速電主軸的應用，國內無錫開源機床集團磨頭制造廠和洛陽軸承研究所已經推出了120000R.P.M、功率可以達到1Kw的發蘭式電主軸，保修期限3個月。日本的M15H-UP電主軸轉速可以達到150000R.P.M，基準輸出功率可以達到0.94Kw，保證期限不低于2000小時。未來全新設計的微型軸承磨床的磨頭將采用貫通式結構，比之發蘭式電主軸，貫通式電主軸的轉速和功率可以達到更好的水平。目前，3MZ201A/1自動軸承內圓磨床磨削6200內圈內徑大都采用90000R.P.M轉速的電主軸，相當一部分廠家還在采用60000R.P.M轉速的電主軸，如果使用Φ8mm直徑的砂輪，磨削線速度只達到35M/s，比之再小直徑的套圈內徑磨削線速度甚至低于30 M/s，低線速度磨削不僅使整個磨削循環工作在一個低效的系統當中，而且在低線度磨削系統中，軸承磨床很難達到更好的磨削表面質量。在微型軸承套圈磨床實現高速磨削，是微型軸承套圈磨削的一個里程碑，它將使得微型軸承磨床CBN砂輪和金剛石滾輪等技術的應用成為現實。希望我國電主軸制造廠能夠在盡量短的時間內，消化和吸收國外電主軸制造的的研究成果，在150000R.P.M以上轉速的磨頭制造精度和使用壽命方面不斷有新的突破。 生產低噪聲微型軸承，需要軸承套圈磨床的進給頻率和工作電機轉速具有更寬的調速范圍和更精密的調速精度，的軸承磨床磨削系統能夠根據機床反饋的磨削數據適應控制使之優化和修正，使加工件表面測試分析的頻譜和磨削紋理更加合理，從而為降低整套軸承的噪聲和異音打下良好的基礎。 日本的SIG02α系列微型軸承用全自動前內圓磨床和SG1-IR微型軸承內圈溝用全自動圓筒磨床的加工節拍均為5.5sec（毛坯公差Φ0.09），在這個節拍條件下，該類機床能夠連續穩定地加工P5級以上的微型軸承套圈，這是我們研發新一代微型軸承套圈磨床的目標。制造適合我國軸承加工的需要，具有良好的性價比，同時又能夠達到水平的微型軸承套圈磨床，是提高我國微型軸承品質的一個關鍵步驟。液壓系統控制的軸承磨床已經被淘汰，步進電機控制的軸承磨床也將淡出市場，我國新一代微型軸承套圈磨床的研發工作很有希望取得喜人的進展，希望我國軸承行業同仁加強合作和交流，為提高我國微型軸承的加工水平而努力工作。

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