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     摘要: 討論一種滾動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)式加工圓錐滾動(dòng)體無(wú)心磨床砂輪軸精密裝配方法，依據(jù)自行建立的雙列向心短圓柱滾子軸承1: 12 的內(nèi)孔錐度與軸錐度研合度檢驗(yàn)概念，發(fā)展和完善孔、軸配合產(chǎn)生角度誤差修磨及研合的措施，以其獨(dú)特的觀點(diǎn)剖析誤差產(chǎn)生的原因從而引導(dǎo)出解決問(wèn)題的路徑，能夠?qū)︻愃平Y(jié)構(gòu)的裝配提供理論性指導(dǎo)意見(jiàn)，也可供機(jī)械加工設(shè)備的裝配及使用維修借鑒和參考。
   
  

      無(wú)心磨床在軸承圓錐滾動(dòng)體加工過(guò)程中占配備設(shè)備總量比重較大，作用也顯得重要，特別是在配以相應(yīng)規(guī)格導(dǎo)輪的條件下能完成批量和大批量圓錐滾動(dòng)體外徑的作業(yè)要求，尤其在滾動(dòng)體的最終成型高精度磨削時(shí)更能凸顯出優(yōu)勢(shì)。
  

   
      砂輪軸部件和導(dǎo)輪軸部件系無(wú)心磨床的兩大核心部件，其精度好壞直接關(guān)系到產(chǎn)品的優(yōu)良程度，尤其是砂輪軸對(duì)產(chǎn)品的精度影響更大、更直接，因此保持好砂輪軸的精度以及維修過(guò)程中的精密裝配是確保產(chǎn)品質(zhì)的首要條件之一。

   
      目前使用的無(wú)心磨床規(guī)格種類很多，砂輪軸的結(jié)構(gòu)也不盡相同，但基本上可分為滑動(dòng)軸承式結(jié)構(gòu)和滾動(dòng)軸承式結(jié)構(gòu)兩種。其中滑動(dòng)軸承式結(jié)構(gòu)設(shè)備的占有量較大，滑動(dòng)軸承是一種滑動(dòng)摩擦的軸承，它的主要特點(diǎn)是工作可靠平穩(wěn)，無(wú)噪音，潤(rùn)滑油膜具有吸振能力，故能承受較大的沖擊載荷，同時(shí)由于液體潤(rùn)滑可以大大減小摩擦損失和表面摩擦，對(duì)于高轉(zhuǎn)速的機(jī)械有著十分重要的意義，因此被廣泛應(yīng)用; 另一種就是滾動(dòng)軸承式結(jié)構(gòu)，隨著雙列向心短圓柱滾子軸承制造精度的不斷提升，和較之于滑動(dòng)軸承裝配刮研等繁瑣操作以及對(duì)操作者技能門檻的過(guò)高要求，以其具有起動(dòng)阻力小、精度高、耗油漏油少、軸向尺寸小、維護(hù)簡(jiǎn)單、精度可調(diào)、同規(guī)格的軸承易于互換及壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)被新式無(wú)心磨床的砂輪軸結(jié)構(gòu)所采納。而滾動(dòng)軸承裝配過(guò)程的方便性極大地提高了維修效率，加之精密裝配方法的配套工藝，使其綜合性能指標(biāo)穩(wěn)定可靠。

      1 、結(jié)構(gòu)分析及角度誤差的產(chǎn)生

      1． 1 結(jié)構(gòu)分析

     如圖1 所示為某型圓錐滾動(dòng)體無(wú)心磨床砂輪主軸結(jié)構(gòu)裝配簡(jiǎn)圖。通過(guò)圖中具體結(jié)構(gòu)可以看出，砂輪主軸左右各裝有一套雙列向心短圓柱滾子軸承，同時(shí)左側(cè)配有一套、右側(cè)配有兩套單列向心推力球軸承，這一結(jié)構(gòu)是由于其雙列向心短圓柱滾子軸承雖具有高的徑向精度和徑向承載能力但承受軸向力的能力較差，相應(yīng)配以單列向心推力球軸承后可形成既有很高的徑向精度又能承受很大軸向力的總體布局。

     由圖1 可以看出其左右兩端結(jié)構(gòu)大體相同，以左端為例外面由密封蓋、推力球軸承外圈、支承外套、密封外套組成，軸部裝有彈簧卡、單列向心推力球軸承、雙調(diào)整螺母、張緊套、雙列向心短圓柱滾子軸承、調(diào)整套、骨架密封圈、內(nèi)圈拆卸調(diào)整螺母組成。

     這一結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵點(diǎn)是雙列向心短圓柱滾子軸承裝配精度控制著砂輪主軸運(yùn)行質(zhì)量。雙列向心短圓柱滾子軸承的內(nèi)孔是1: 12 錐度表面，就是這一錐度表面與軸的錐度外表面研合度精度與整個(gè)砂輪主軸精度密切關(guān)聯(lián)。這里將重點(diǎn)討論它。

     1． 2 角度誤差的產(chǎn)生

     這里所說(shuō)的角度誤差是指軸承錐度內(nèi)孔或砂輪主軸錐度外徑偏離零件加工工藝的狀態(tài)，不含工藝范圍內(nèi)的角度偏差。

     無(wú)論存在角度誤差或者不存在角度誤差，在正式裝配之前都要采取“預(yù)裝配”的方法作初步判斷，以確定方案，達(dá)到精密裝配的目的。

      根據(jù)文獻(xiàn) 可以得知角度關(guān)系可能出現(xiàn)3 種狀況。如圖2 所示，在背帽3 背緊時(shí)，反復(fù)用手沿左右方向交替施力于軸承的外圈1，直至外圈不能沿軸向移動(dòng)后，再加大力度后確認(rèn)外圈不能脫離，再進(jìn)入檢驗(yàn)程序 。

     這時(shí)可通過(guò)手動(dòng)來(lái)驅(qū)使軸承外圈旋轉(zhuǎn)，觀察外圈運(yùn)動(dòng)狀態(tài)用直觀的方式來(lái)判斷孔與軸錐度的研合效果。實(shí)踐表明，轉(zhuǎn)動(dòng)的結(jié)果只會(huì)出現(xiàn)下列3 種情況之一 。

      圖2a 所示，軸承外圈左移。軸的錐度偏大，即錐角α 大于標(biāo)準(zhǔn)錐度，可通過(guò)磨削減小錐角α 的方式來(lái)解決 。

      圖2b 所示，軸承外圈旋轉(zhuǎn)后不偏不移占中，說(shuō)明孔軸錐度相符，不用調(diào)整 。

      圖2c 所示，軸承外圈右移，說(shuō)明軸的錐度偏小，可通過(guò)增大錐角α 的方式解決 。

      應(yīng)該指出的是在文獻(xiàn) 中描述的觀點(diǎn)過(guò)于理想化，只把雙列向心短圓柱滾子軸承內(nèi)孔1: 12 錐度作為模范看; 且第一種現(xiàn)象中的“可通過(guò)磨削減小錐角的方式來(lái)解決”，經(jīng)過(guò)實(shí)踐證明也過(guò)于簡(jiǎn)單。

     實(shí)際操作中觀察發(fā)現(xiàn)，裝配前單件可能存在( 1) 軸承錐度內(nèi)孔的角度誤差; ( 2) 主軸錐度外徑的角度誤差; ( 3) 軸承錐度內(nèi)孔和主軸錐度外徑同時(shí)存在的角度誤差。

     裝配時(shí)兩件相對(duì)可能存在: ( 1) 錐度α 角同時(shí)偏大; ( 2) 錐度α 角同時(shí)偏小; ( 3) 錐度α 角一個(gè)偏大而另一個(gè)偏小; ( 4) 錐度α 角一個(gè)合格另一個(gè)偏大或偏小; ( 5) 錐度α 角都合格等。

     從而可以衍生出多種配合狀態(tài)，當(dāng)然研合時(shí)不排斥孔軸錐度α 角同時(shí)等值偏大或偏小的，但前提是偏大得合適或偏小得合適。

     一般地，軸承錐度內(nèi)孔出現(xiàn)誤差的情況較少，這是由軸承批量化生產(chǎn)規(guī)模較大、軸承產(chǎn)品制造設(shè)備精密度高及檢測(cè)手段專業(yè)等特點(diǎn)所決定。砂輪主軸的生產(chǎn)規(guī)模與軸承加工方式無(wú)法相比，單靠磨床角度調(diào)整刻度和簡(jiǎn)易質(zhì)量控制措施是無(wú)法實(shí)現(xiàn)高的精度，因此砂輪主軸產(chǎn)生角度誤差的概率較大。

     另外，當(dāng)砂輪主軸產(chǎn)生角度誤差如何修補(bǔ)研合過(guò)去未作詳細(xì)的探討，其實(shí)這是一個(gè)至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，將在下節(jié)中詳細(xì)分析。

     2 、砂輪主軸總體結(jié)構(gòu)的精密裝配

     2． 1 砂輪的拆卸和更換步驟

    ( 1) 砂輪主軸總體吊裝過(guò)程要輕起輕放，以免主軸變形或影響軸承精度。

    ( 2) 在夾盤擰上吊環(huán)螺釘前應(yīng)先拆卸下前、后軸承的壓蓋。

    ( 3) 要將砂輪主軸整體吊出，應(yīng)先從砂輪主軸傳動(dòng)裝置后端把拉手拉出，脫開(kāi)漸開(kāi)線花鍵軸。

    ( 4) 把砂輪主軸放置在預(yù)先準(zhǔn)備好的支承座上直立固定，并使其垂直，擰下螺絲，卸下砂輪端蓋，便可更換砂輪;

     ( 5) 新砂輪裝上前，應(yīng)檢查質(zhì)量是否合格，如有破損、裂紋等不良情況，絕對(duì)不能使用，否則砂輪工作時(shí)碎裂會(huì)危及安全或使主軸受強(qiáng)力沖擊而報(bào)廢。若砂輪有受潮或局部淋水現(xiàn)象，必須待其干燥后再作安全檢查方可使用。

     ( 6) 新砂輪裝上夾盤后，必須進(jìn)行靜平衡，然后方可裝在機(jī)床的主軸上進(jìn)行正常運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)和修整。

      2． 2 砂輪主軸的裝配過(guò)程

      ( 1) 砂輪主軸軸承在總體裝配過(guò)程中都已調(diào)整好，在使用一段時(shí)間至重新裝配之間可能需要作多次精度調(diào)整，包括重新裝配的工作，這時(shí)注意切忌用鐵錘進(jìn)行敲打，因?yàn)橹鬏S安裝有1: 12 的雙列向心短圓柱滾子軸承且精度比較高，否則很容易喪失精度。

     ( 2) 砂輪主軸的長(zhǎng)期運(yùn)行，使得雙列向心短圓柱滾子軸承的滾動(dòng)體與內(nèi)圈和外圈的接觸面磨損使其間隙變大，致使軸承不能使用，需要拆卸更換軸承，這時(shí)要利用砂輪主軸上的拆卸調(diào)整螺母4 推動(dòng)調(diào)整套3 將1: 12 的軸承內(nèi)圈卸下( 見(jiàn)圖1) ，并建議同時(shí)更換單列向心推力球軸承。

     ( 3) 清洗砂輪主軸，將準(zhǔn)備更換的新雙列向心短圓柱滾子軸承和單列向心推力球軸承上的防銹潤(rùn)滑脂用煤油清洗晾干。

     ( 4) 按類似于正常裝配過(guò)程進(jìn)行“預(yù)裝配”檢驗(yàn)軸承錐度內(nèi)孔或砂輪主軸錐度外徑的研合程度，這時(shí)會(huì)有: ①研合度好直接裝配; ②研合度差需要研磨合格后才能裝配( 下節(jié)精密裝配要領(lǐng)詳述) 。

      ( 5) 當(dāng)認(rèn)定可以裝配后，需要重新進(jìn)行測(cè)量，經(jīng)過(guò)計(jì)算將調(diào)整套3 磨至計(jì)算的厚度，厚度不夠應(yīng)加墊或重新?lián)Q套，然后進(jìn)行軸承的裝配。最好將軸承的內(nèi)套與主軸接觸面的相對(duì)位置，以及軸承外套與支承外套的接觸面的相對(duì)位置，做好記號(hào)，以便重新組裝時(shí)，按原位置進(jìn)行裝配，這樣可以避免由于不在原始位置而產(chǎn)生新的不必要的誤差。
 

      2． 3 砂輪主軸的精密裝配要領(lǐng)

     軸承錐度內(nèi)孔與砂輪主軸錐度外徑的研合，即砂輪主軸的精密裝配，其具體步驟如下:

     ( 1) 檢查孔軸間相互差大小，若角度誤差大( 這種現(xiàn)象可能出現(xiàn)在孔或軸誤差相互達(dá)到相反極限條件下，即一個(gè)偏最大而另一個(gè)偏最小) 時(shí)，看一下砂輪主軸兩端頂尖孔的完好程度，按60° 中心孔( GB145—85) C 型帶螺紋的中心孔所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)判斷，如頂尖孔完好可以采取磨床直接磨削加工，配以雙列向心短圓柱滾子軸承的內(nèi)圈著色檢查，直到合格為止。
  

     ( 2) 通常狀況下大多可能出現(xiàn)角度相互差很小，磨床直接加工很難調(diào)準(zhǔn)微小角度。這時(shí)，消除這種角度誤差的辦法經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)，采取白剛玉微粉WA，粒度W10 ～ 5( GB2476—2483—83) ，用適度的煤油調(diào)和，再配以用過(guò)的角度比較標(biāo)準(zhǔn)的軸承內(nèi)圈作研具來(lái)研磨主軸錐度，效果良好。這個(gè)方法經(jīng)過(guò)多個(gè)實(shí)例分析總結(jié)是可行的最佳方案，也是本文要討論的核心內(nèi)容。應(yīng)該說(shuō)明的是煤油選擇洗滌煤油即可，雖然各種煤油的質(zhì)量依次排序降低為: 航空、動(dòng)力、溶劑、燈用、燃料、洗滌煤油，但已基本滿足研磨條件。煤油作為研磨用的潤(rùn)滑劑具備通過(guò)其調(diào)和的研磨劑要能均勻地粘吸在研磨工具上，它的粘度和稀釋力好，并有良好的潤(rùn)滑性能且能起到冷卻作用，無(wú)腐蝕，易洗滌。

      其中，研具可按如圖3a 所示的結(jié)構(gòu)制作，以能夠使用方便為宜; 研磨方法可按如圖3b 所示的方法操作，即第1 步沿順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)半周，第2 步沿逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)半周，第3 步繞整個(gè)圓周旋轉(zhuǎn)1 圈，依此類推，以確保避免在操作的水平等份軸線軸外徑有研磨盲區(qū)。

     ( 3) 根據(jù)砂輪主軸的技術(shù)要求分析: ①1: 12 錐面用著色法檢查，實(shí)際接觸長(zhǎng)度與工作長(zhǎng)度的接觸比不低于85% 且靠近小端; ②除螺紋等處外熱處理?xiàng)l件D0． 5—900。
 

      標(biāo)注的D0． 5—900，其中D 為氮化處理代表符號(hào)，0． 5 是滲氮層深度為0． 5 mm，900 為維氏硬度( 相當(dāng)于洛氏硬度68 HRC 左右) 。滲氮的生產(chǎn)率低、成本高，要獲得0． 5 mm 厚的滲層，普通氮化一般需50 h 左右，也就是說(shuō)每小時(shí)滲層厚只能在0． 01 mm 左右。為使生產(chǎn)周期縮短，采用離子氮化或在NH3 的分解氣體中進(jìn)行氣體氮化等都能提高其生產(chǎn)率。雖然38CrMoAlA材料相對(duì)其它軸件材料及熱處理費(fèi)用偏高，但從材料的優(yōu)良性和砂輪軸使用效果及總體成本的權(quán)衡上還是利遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于弊。

      砂輪主軸采用的材料為38CrMoAlA，是專用于強(qiáng)化氮化的鋼種。所謂氮化處理，也稱滲氮，就是指將工件放在滲氮?dú)夥罩校訜岬?00 ～ 600 ℃使工件表面滲入氮原子形成氮化層的工藝過(guò)程。

      38CrMoAlA 中含有Al 元素與N 能形成顆粒細(xì)密、分布均勻、硬度很高而且非常穩(wěn)定的氮化物，如AlN，從而給予氮化層以極高的硬度和耐磨性，其中與材料中含Cr、W 等合金元素比較，Al 的強(qiáng)化效果最佳。另外材料中含Mo 可以改善鋼的組織，提高鋼鐵強(qiáng)度和韌性，并有消除回火脆性的作用。由此38CrMoAlA 砂輪軸經(jīng)氮化后可以形成外硬內(nèi)韌的綜合機(jī)械性能效果，同時(shí)零件抗疲勞強(qiáng)度一般能提高25% ～ 30% 左右。還有一定的熱硬性，而38CrMoAlA 在經(jīng)過(guò)氮化處理后，在550 ℃的條件下運(yùn)行硬度可達(dá)915 ～ 925 HV，在600 ℃的條件下運(yùn)行仍有850 ～ 870HV，是其它材料無(wú)法達(dá)到的。

      值得思考的是在砂輪主軸其滲氮層深度僅為0． 5 mm，維氏硬度為900 的工藝條件下，如何克服高硬表面而又不失滲氮層厚度且能保證軸與孔研合度符合工藝標(biāo)準(zhǔn)，其研磨操作工藝較難掌握。建議磨量較大硬度較硬可在初始研磨時(shí)采用白剛玉微粉WA，粒度W20 粗研磨，下一步采用W10 半精研磨，最后采用W5 精研磨，這樣研配效果較好。

      ( 4) 特別強(qiáng)調(diào)的是研磨后各個(gè)零件務(wù)必將研磨磨料用煤油洗滌干凈，切忌白剛玉微粉帶到裝配的結(jié)構(gòu)內(nèi)，以防軸承等零件加速損壞。

      將研磨清潔后的各個(gè)零件及軸承等按正常的工藝過(guò)程裝配，調(diào)試合格后即完成了初步的精密裝配工作。

      依據(jù)設(shè)備的出廠要求，雙列向心短圓柱滾子軸承裝配后建議使用鋰基潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑。軸承常用的潤(rùn)滑脂有鈣基潤(rùn)滑脂、鈉基潤(rùn)滑脂、鈣鈉基潤(rùn)滑脂、鋰基潤(rùn)滑脂、鋁基潤(rùn)滑脂和二硫化鉬潤(rùn)滑脂等。但經(jīng)實(shí)踐中摸索總結(jié)添加白色特種潤(rùn)滑脂2 號(hào)效果良好，其性能與適用范圍: 產(chǎn)品系采用脂肪酸皂稠化精制礦物油，并加入添加劑精制而成。具有優(yōu)良的氧化穩(wěn)定性、機(jī)械穩(wěn)定性、膠體穩(wěn)定性和抗水性?？蛇m用于各種精密機(jī)床、儀器等潤(rùn)滑。使用溫度范圍: － 20 ～ 100 ℃。產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn): Q/SYRH2149—2008，為800 g /盒袋的盒裝產(chǎn)品，推薦使用。軸承中充填潤(rùn)滑脂的量，以充滿軸承內(nèi)部空間的1 /2 ～ 1 /3 為適宜。高速時(shí)應(yīng)減少至1 /3。過(guò)多的潤(rùn)滑脂將使溫升增高。

      潤(rùn)滑脂添加結(jié)束后，即可做全面的安裝與調(diào)試，并用儀表測(cè)量支承外套外徑徑跳等項(xiàng)精度指標(biāo)，直到合格。

      3、 結(jié)語(yǔ)

     上述整個(gè)砂輪主軸的精密裝配過(guò)程，主要是指解決滾動(dòng)軸承式結(jié)構(gòu)中雙列向心短圓柱滾子軸承內(nèi)圈孔與主軸1: 12 錐度表面產(chǎn)生角度誤差的措施及具體操作方法，對(duì)其中的用料作以詳細(xì)說(shuō)明，是實(shí)踐中自行創(chuàng)建的工藝規(guī)程，值得推廣和借鑒。