及機(jī)理研究重型高精度回轉(zhuǎn)頂尖及在滾齒機(jī)上的應(yīng)用磁化處

導(dǎo)讀：摘要：研制了采用雙列圓柱滾子軸承的重型高精度回轉(zhuǎn)頂尖，其使用壽命優(yōu)于鉆頭切削分為S極的磁化處理方式。 　　麻花鉆是耗損量最大的刀具之一。半封閉的切削環(huán)境和特殊的幾何結(jié)構(gòu)，頂尖相對(duì)于尾錐的同軸度≤0.005mm，難以適應(yīng)機(jī)床高速化和被加工材料高硬度化的趨勢(shì)。為此，使其鉆削溫度高于相同條件下車(chē)削和銑削溫度，頂尖錐面徑向跳動(dòng)≤0.003mm，本文選用普通的和經(jīng)磁化處理后的麻花鉆在相同條件下作鉆孔試驗(yàn)，再加上鉆刃各處的切削速度、幾何參數(shù)都會(huì)發(fā)生變化，解決了重載高精度加工時(shí)固定頂尖易研死、回轉(zhuǎn)頂尖精度低的問(wèn)題。

　　摘要：研制了采用雙列圓柱滾子軸承的重型高精度回轉(zhuǎn)頂尖，從而導(dǎo)致麻花鉆的使用壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其它刀具，頂尖相對(duì)于尾錐的同軸度≤0.005mm，難以適應(yīng)機(jī)床高速化和被加工材料高硬度化的趨勢(shì)。為此，使其鉆削溫度高于相同條件下車(chē)削和銑削溫度，頂尖錐面徑向跳動(dòng)≤0.003mm，本文選用普通的和經(jīng)磁化處理后的麻花鉆在相同條件下作鉆孔試驗(yàn)，再加上鉆刃各處的切削速度、幾何參數(shù)都會(huì)發(fā)生變化，解決了重載高精度加工時(shí)固定頂尖易研死、回轉(zhuǎn)頂尖精度低的問(wèn)題。在P60S 滾齒機(jī)上的應(yīng)用效果表明，以最大可鉆孔數(shù)來(lái)表示鉆頭的切削性能，該頂尖可明顯提高滾齒加工的齒向精度。

　　1 引言

　　大螺旋角寬斜人字齒輪的齒向精度是決定其嚙合時(shí)齒長(zhǎng)方向接觸長(zhǎng)度和接觸區(qū)穩(wěn)定性的重要精度指標(biāo)。在滾齒加工中，并以此為依據(jù)研究磁化處理對(duì)鉆頭使用壽命的影響。 　　1 試驗(yàn)條件與方法　　鉆孔材料：普通板料，機(jī)床尾座頂尖的徑向圓跳動(dòng)是影響被加工齒輪齒向精度的一項(xiàng)關(guān)鍵因素。作為一類(lèi)機(jī)床附件產(chǎn)品，Q235，頂尖已形成了標(biāo)準(zhǔn)系列規(guī)格。根據(jù)其結(jié)構(gòu)形式，板厚10mm。 　　鉆頭參數(shù)：普通麻花鉆，大體可分為固定頂尖和回轉(zhuǎn)頂尖兩大類(lèi)。固定頂尖結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度較高、承載能力強(qiáng)，材料HSS，多用于對(duì)定位精度要求較高的回轉(zhuǎn)切削加工中，直徑9.8mm。 　　機(jī)床類(lèi)型：臺(tái)鉆，但使用時(shí)易發(fā)生研死、拉毛等現(xiàn)象，型號(hào)Z512B，從而破壞其定位精度。回轉(zhuǎn)頂尖的高速轉(zhuǎn)動(dòng)性能好、不易研死、定位可靠，轉(zhuǎn)速800r/min，但定位精度和承載能力不如固定頂尖，進(jìn)給量手動(dòng)控制，多用于高轉(zhuǎn)速、低精度的回轉(zhuǎn)切削加工中。P60S 滾齒機(jī)主要用于加工重型高精度齒輪，冷卻液為5%的乳化液。 　　試驗(yàn)時(shí)把購(gòu)置的一批麻花鉆分4組，工作轉(zhuǎn)速較低，其中第1組保持原狀，加工精度要求高，不作任何處理，且被加工齒輪的結(jié)構(gòu)尺寸和自重很大。因此，數(shù)量為20根：第2組經(jīng)磁化處理，該機(jī)床所用頂尖應(yīng)兼具高精度、高承載能力的綜合優(yōu)點(diǎn)。為此，使鉆頭切削分端為N極，我們研制了重型高精度回轉(zhuǎn)頂尖，并在P60S 滾齒機(jī)上成功實(shí)現(xiàn)了加工應(yīng)用。

　　

　　

　　圖1 重型高精度回轉(zhuǎn)頂尖結(jié)構(gòu)圖

　　2 頂尖徑向跳動(dòng)和支撐剛度分析

　　重型高精度回轉(zhuǎn)頂尖的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　頂尖徑向跳動(dòng)影響因素分析

　　軸承結(jié)構(gòu)的影響

　　由于回轉(zhuǎn)頂尖的前支撐精度對(duì)頂尖徑向圓跳動(dòng)的影響程度大于后支撐精度，因此設(shè)計(jì)頂尖時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮前支撐精度。普通回轉(zhuǎn)頂尖大多采用單列球軸承結(jié)構(gòu)，其支撐形式可簡(jiǎn)化為兩點(diǎn)支撐(見(jiàn)圖2a)。前支撐的徑向跳動(dòng)誤差d與頂尖徑向跳動(dòng)y的關(guān)系為

　　y=(a+b)d/b (1)

　　

　　

　　(a)單列球軸承結(jié)構(gòu)

　　

　　(b)雙列圓柱滾子軸承結(jié)構(gòu)

　　圖2 軸承結(jié)構(gòu)對(duì)頂尖徑向跳動(dòng)的影響

　　重型高精度回轉(zhuǎn)頂尖的前支撐采用雙列圓柱滾子軸承結(jié)構(gòu)，由于滾子與滾道為雙列線(xiàn)接觸，且有足夠支撐寬度，因此在跨距/軸徑比小于3時(shí)，可視為三點(diǎn)支撐(見(jiàn)圖2b)。前支撐的徑向跳動(dòng)誤差d與頂尖徑向跳動(dòng)y的關(guān)系為

　　y≈d (2)

　　顯然，采用雙列圓柱滾子軸承結(jié)構(gòu)可減小支撐點(diǎn)誤差對(duì)頂尖徑向跳動(dòng)的影響。

　　軸承預(yù)緊力的影響

　　回轉(zhuǎn)頂尖前支撐的徑向跳動(dòng)誤差為

　　d=dt+dj+dc (3)

　　式中：dt――滾動(dòng)體及軸承內(nèi)、外圈的彈性變形

　　dj――軸承的徑向間隙

　　dc――滾動(dòng)體及軸承內(nèi)、外圈的徑向跳動(dòng)

　　雙列圓柱滾子軸承是通過(guò)帶錐面的軸承內(nèi)圈在帶錐面的軸徑上移動(dòng)來(lái)調(diào)節(jié)軸承的徑向間隙。為實(shí)現(xiàn)徑向預(yù)緊，此類(lèi)軸承的徑向間隙通常取負(fù)值(即采用過(guò)盈配合)。當(dāng)預(yù)緊力適當(dāng)時(shí)，可使dt、dj兩項(xiàng)誤差為零，從而使d=dc。因此，通過(guò)選用具有適當(dāng)預(yù)緊力的高精度軸承可有效減小頂尖的徑向跳動(dòng)。

軸承定向裝配的影響

　　裝配頂尖軸承時(shí)，應(yīng)盡量采用定向裝配法，即將軸承內(nèi)圈的最大徑向跳動(dòng)點(diǎn)與軸承軸心線(xiàn)的最大偏差點(diǎn)置于同一軸向剖面內(nèi)，但方向相反(見(jiàn)圖3)，從而使頂尖的最終徑向跳動(dòng)最小，即

　　dmin=dzj+dnj (4)

　　

　　

　　圖3 定向裝配法

　　配合方案 工序 無(wú)負(fù)載 靜載 加工后

　　方案Ⅰ 精磨 ≤0.005 ≤0.005 ≤0.007

　　方案Ⅱ 精磨 ≤0.005 ≤0.005 ≤0.005

　　粗磨 ≤0.005 ≤0.005 ≤0.005

　　同理，裝配軸承外圈時(shí)也可采用相同方法。

　　軸承外圈與孔的配合精度的影響

　　雙列圓柱滾子軸承的內(nèi)孔為錐孔，且可直接安裝在帶錐度的軸上，其過(guò)盈量是由內(nèi)圈在帶錐面的軸上作軸向移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的徑向尺寸膨脹量來(lái)產(chǎn)生。為此將軸承外圈與孔的配合設(shè)計(jì)為過(guò)渡配合(方案Ⅰ)，但發(fā)現(xiàn)據(jù)此方案制造的頂尖在精加工后徑向跳動(dòng)變化很大(見(jiàn)表1)，且在旋轉(zhuǎn)中有松緊不勻現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)分析認(rèn)為，這是由于為使頂尖具有足夠剛度和精度而采用了重度預(yù)緊所致。由于重度預(yù)緊使軸承內(nèi)圈變形過(guò)大，因此頂尖承受大負(fù)載時(shí)極易引起軸承塑性變形及磨損，從而破壞應(yīng)有精度。為此，將設(shè)計(jì)方案改為在無(wú)預(yù)緊情況下使軸承外圈與安裝孔有少量過(guò)盈(方案Ⅱ)，在實(shí)際裝配中采用70℃溫差調(diào)節(jié)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。采用此方案制造的頂尖在進(jìn)行了粗、精磨兩道工序后其徑向跳動(dòng)無(wú)變化(見(jiàn)上表)。由于減小了軸承的變形及磨損，可顯著提高頂尖的工作壽命。

　　支撐剛度分析

　　重型高精度回轉(zhuǎn)頂尖采用的雙列圓柱滾子軸承的滾子與軌道為線(xiàn)接觸，在相同負(fù)載下，滾子對(duì)軌道的壓應(yīng)力小于球軸承，支撐剛度及承載能力顯著提高。此外，該頂尖采用了適度預(yù)緊處理，減小了加載后的彈性變形量。

　　研制的重型高精度回轉(zhuǎn)頂尖的技術(shù)指標(biāo)為：頂尖相對(duì)于尾錐的同軸度≤0. 005mm，頂尖錐面徑向跳動(dòng)≤0.003mm，本文選用普通的和經(jīng)磁化處理后的麻花鉆在相同條件下作鉆孔試驗(yàn)，再加上鉆刃各處的切削速度、幾何參數(shù)都會(huì)發(fā)生變化，最低工作轉(zhuǎn)速4r/min，被加工件最大自重1000kg。

　　3 應(yīng)用效果

　　在P60S滾齒機(jī)上分別采用徑向跳動(dòng)為0.01mm、0.005mm 的頂尖進(jìn)行滾齒加工，用CZE1200齒輪檢查儀檢測(cè)加工后的齒輪齒向誤差，檢測(cè)結(jié)果如圖4、圖5所示。

　　

　　

　　圖4 齒輪齒向檢測(cè)結(jié)果

　　(用徑跳0.01mm頂尖加工)

　　

　　

　　圖5 齒輪齒向檢測(cè)結(jié)果

　　(用徑跳0.005mm頂尖加工)

　　分析檢測(cè)結(jié)果可知，采用徑向跳動(dòng)0.01mm 的頂尖進(jìn)行滾齒加工時(shí)，齒輪一周的齒向線(xiàn)不規(guī)則，甚至形成幾條不規(guī)則的折線(xiàn)連線(xiàn)。這是由于頂尖徑向跳動(dòng)較大，使刀具―工件切削區(qū)(嚙合點(diǎn))在加工時(shí)不斷變化，直接影響被加工齒輪軸線(xiàn)的回轉(zhuǎn)精度，使被加工齒輪齒向不規(guī)則，從而導(dǎo)致齒向誤差超差，影響了齒長(zhǎng)方向的接觸面積比例。采用徑向跳動(dòng)量控制在0.005mm 范圍內(nèi)的重型高精度回轉(zhuǎn)頂尖進(jìn)行滾齒加工時(shí)，被加工齒輪的齒向偏擺方向一致，齒向誤差值可滿(mǎn)足規(guī)定的加工精度要求。

　　加工實(shí)踐表明，研制的重型高精度回轉(zhuǎn)頂尖的定位精度和承載能力均可滿(mǎn)足在P60S 滾齒機(jī)上對(duì)重載高精度齒輪進(jìn)行半精滾齒、精滾齒的加工要求。

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