周有華，潘繼超，洪達(dá)毅，鄭澤鴻，周堅(jiān)

（1.泛科軸承集團(tuán)有限公司，福建 泉州 362300；2.新鄉(xiāng)日升數(shù)控軸承裝備股份有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453700；3.福州大學(xué) 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，福州 350116；4.河南省特種設(shè)備安全檢測檢驗(yàn)院 洛陽分院，河南 洛陽 471000）

1 軸承座球面孔加工方法分析

帶座外球面球軸承在實(shí)際使用中，軸承外圈（外球面）可在座孔（球面孔）中偏轉(zhuǎn)，以消除軸系因支承不同心而產(chǎn)生的偏矩。因此，在軸承座諸多幾何要素中，對(duì)球面孔的要求相對(duì)嚴(yán)格。

球形內(nèi)表面加工有多種方式，但適合大批量鑄鐵軸承座球面孔加工的卻不多，較常見的有數(shù)控車削和擺刀鏜削。在軸承座球面孔加工領(lǐng)域，傳統(tǒng)的仿形車床和擺刀車床［1］隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展而被數(shù)控車床取代；國外數(shù)控平旋盤價(jià)格昂貴，而國產(chǎn)插補(bǔ)鏜削技術(shù)不成熟，使擺刀鏜床得以繼續(xù)保持一席之地。據(jù)悉日本獨(dú)資企業(yè)秦皇島恩彼碧采用擺刀鏜床加工軸承座球面孔；福建泉州軸承座生產(chǎn)企業(yè)中還有為數(shù)不多的來自臺(tái)灣的擺刀鏜床在服役。

1.1 數(shù)控車床

數(shù)控車床配以專用夾具，可車削立式座球面孔和油槽；配置液壓（或氣動(dòng)）三爪卡盤和電動(dòng)（多刀轉(zhuǎn)位）刀架，可車削中心對(duì)稱座底面、凸臺(tái)、球面孔和油槽。軸承座加工用數(shù)控車床多屬于經(jīng)濟(jì)通用型，性價(jià)比和加工效率高，適應(yīng)能力強(qiáng)。

數(shù)控車床采用數(shù)控系統(tǒng)控制伺服電動(dòng)機(jī)和滾珠絲杠，實(shí)現(xiàn)車刀縱向（z軸）和橫向（x軸）兩軸聯(lián)動(dòng)，用折線軌跡逼近所要加工的曲線，因而存在一定的球形誤差（盡管數(shù)控系統(tǒng)具有反向間隙補(bǔ)償、刀具長度補(bǔ)償、刀具半徑補(bǔ)償、圓弧輔助計(jì)算和短直線高速平滑插補(bǔ)功能）。對(duì)于球形允差小的軸承座，通常的做法是用球形金剛滾輪鉸削已車削的球面孔，以改善球形和統(tǒng)一球徑；或粗車和精車分開，通過減小切削量，減小球形誤差和保持車床精度。而要維持精加工車床的精度，滾珠絲杠的精度要求較高（通常每年更換1次）。

1.2 擺刀鏜床

擺刀鏜床通過繞鏜頭旋轉(zhuǎn)（切削運(yùn)動(dòng)）軸線定點(diǎn)擺動(dòng)（進(jìn)給運(yùn)動(dòng)）的鏜刀（切削點(diǎn)）運(yùn)動(dòng)軌跡形成球面孔。球形取決于鏜刀擺動(dòng)精度和鏜頭轉(zhuǎn)動(dòng)精度，或者說取決于鏜刀-鏜頭-主軸系統(tǒng)的制造、裝配和運(yùn)動(dòng)精度，而球徑則取決于鏜刀切削點(diǎn)相對(duì)于鏜頭旋轉(zhuǎn)軸線的偏離程度。實(shí)踐表明，與數(shù)控車削相比，擺刀鏜削產(chǎn)生的球形誤差更小。以加工P208型球面孔為例，數(shù)控車削的球形誤差一般大于0.015 mm，而擺刀鏜削則小于0.010 mm。此外，由于鏜刀擺動(dòng)中心不可能完全與鏜頭旋轉(zhuǎn)中心重合，使得球徑稍小于孔徑（可將座孔球面理解成中心偏離軸心線一個(gè)微小距離r、半徑為R、中心角為θ的圓弧繞軸心線旋轉(zhuǎn)所形成的環(huán)面），此兩端微低于中間的內(nèi)表面圓弧恰好有利于在軸承座球面孔和外球面球軸承結(jié)合部封存潤滑油，而這是采用數(shù)控車削難以達(dá)到的。

但擺刀鏜床僅能加工球面孔，不能在一次裝夾中鏜削出油槽；鏜刀無微調(diào)機(jī)構(gòu)，換型對(duì)刀和磨損補(bǔ)償只能憑經(jīng)驗(yàn)調(diào)整和試鏜削驗(yàn)證。

1.3 發(fā)展趨勢

目前無論是數(shù)控車床，還是擺刀鏜床，國內(nèi)均未實(shí)現(xiàn)軸承座自動(dòng)上下料。在人力資源緊張、用工成本上升和競爭日趨激烈的當(dāng)下，提高加工過程的自動(dòng)化程度成為企業(yè)的必然選擇。

軸承座實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上下料取決于技術(shù)和經(jīng)濟(jì)2方面因素。車床采用桁架式機(jī)械手實(shí)現(xiàn)中心對(duì)稱座（如方形座、凸臺(tái)方形座、菱形座、三角形座、環(huán)形座、凸臺(tái)圓形座等）自動(dòng)上下料是可行的，但其價(jià)格昂貴用戶難以接受。對(duì)于非中心對(duì)稱的立式座，在車床上實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上下料的難度遠(yuǎn)大于鏜床，因?yàn)樵谲囅髦泄ぜ切D(zhuǎn)的，而在鏜削中工件是固定的。

考慮到擺刀鏜削獲得的球形更好，大批量加工質(zhì)量穩(wěn)定；且立式座用量最大，其結(jié)構(gòu)特征使其更易于（鏈板）傳輸、（機(jī)械手）抓取或（氣缸）推拉，所以將實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化加工為目的的更新?lián)Q代設(shè)計(jì)目標(biāo)鎖定為立式座球面孔擺刀鏜床?？紤]到擺刀（即鏜頭）結(jié)構(gòu)自身需要占用一定的空間，以及產(chǎn)品的市場需求量，將工件代表型號(hào)確定為P208型立式鑄鐵座。

2 產(chǎn)品要求

在鏜床改進(jìn)設(shè)計(jì)中，將滿足P207～P212型鑄鐵軸承座球面孔（Sφ72～110 mm）鏜削作為考量加工能力的主要指標(biāo)，以P208為代表型號(hào)（幾何參數(shù)和精度要求如圖1所示），球面孔直徑為Sφ80+0.0300mm，球形公差不大于球徑公差的1／2，表面粗糙度Ra為3.2μm，理論上球面孔單邊加工余量為2.95 mm。為避免撞車和保證球面孔鏜削質(zhì)量，對(duì)毛坯孔位置、錯(cuò)模量、底面的平面度等都有一定要求。

圖1 P208型立式鑄鐵軸承座外形圖

軸承座材質(zhì)為灰鑄鐵HT200，機(jī)械加工前應(yīng)時(shí)效處理。但實(shí)際上軸承座生產(chǎn)周期短，鑄件通常沒時(shí)間自然時(shí)效，也不進(jìn)行人工時(shí)效處理，致使其機(jī)械加工難度增大、幾何精度保持性差，刀具耐用度降低。

3 機(jī)床現(xiàn)狀

以湖北第二機(jī)床廠的擺刀鏜床為例，其主要借鑒了臺(tái)灣產(chǎn)擺刀鏜床。該鏜床主要由鑄造床身、床頭箱（主傳動(dòng)）、鏜頭、工件架、夾具、液壓系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)構(gòu)成［2］。

3.1 床身

箱體式鑄件，兼作液壓油箱，上部安裝床頭箱和支承工件架，背部固定電控柜。

3.2 主傳動(dòng)

由Y112M-4型三相異步電動(dòng)機(jī)（4 kW，1 450 r／min）驅(qū)動(dòng)，通過三角帶（減速）傳動(dòng)和齒輪變速（6對(duì)交換齒輪，齒數(shù)分別為30，34，39，43，48和52），使鏜頭獲得6級(jí)轉(zhuǎn)速（230，285，360，440，565和695 r／min）。

采用整體式主軸，制造精度和裝配工藝性較套筒式主軸差；傳動(dòng)鏈長，機(jī)械效率低；交換齒輪，變速不便。

3.3 擺動(dòng)鏜刀

鏜刀擺動(dòng)機(jī)構(gòu)通過油缸活塞桿推拉拉桿-連桿-刀盤，實(shí)現(xiàn)鏜刀擺動(dòng)；通過移動(dòng)／轉(zhuǎn)動(dòng)隔離器實(shí)現(xiàn)拉桿移動(dòng)和鏜頭轉(zhuǎn)動(dòng)的隔離，以及活塞桿移動(dòng)到鏜刀擺動(dòng)的傳遞；通過節(jié)流閥調(diào)整鏜刀擺速。

鏜刀擺動(dòng)中心調(diào)整機(jī)構(gòu)由凸緣、端面滑軌等構(gòu)成，以避免制造、裝配誤差造成的鏜刀擺動(dòng)中心偏離鏜頭回轉(zhuǎn)軸心——增加了鏜削主軸懸伸長度和質(zhì)量，導(dǎo)致鏜削系統(tǒng)剛性不足，鏜削時(shí)振動(dòng)較大。

鏜刀微調(diào)機(jī)構(gòu)中刀桿尾端棱邊與90°夾角的錐端緊定螺釘?shù)腻F面形成點(diǎn)接觸，旋入螺釘時(shí)，刀桿外伸；旋出螺釘時(shí)，手工敲擊使刀桿內(nèi)縮。無微調(diào)機(jī)構(gòu)，在換型對(duì)刀和磨損補(bǔ)償時(shí)，憑經(jīng)驗(yàn)調(diào)整和試鏜驗(yàn)證。

3.4 工件架

工件架由鑲鋼滑動(dòng)導(dǎo)軌支承，有爬行，較滾動(dòng)導(dǎo)軌靈敏度差。液壓油缸驅(qū)動(dòng)，借助行程調(diào)速閥切換油路實(shí)現(xiàn)快進(jìn)／工進(jìn)轉(zhuǎn)換，通過調(diào)整節(jié)流閥改變工件架移動(dòng)速度；總行程310 mm，行程開關(guān)發(fā)出位置信號(hào)、快進(jìn)／工進(jìn)轉(zhuǎn)換信號(hào)。球面孔中心的軸向位置依靠固定擋塊限位，位置調(diào)整不便，限位沖擊較大。

3.5 液壓系統(tǒng)

采用葉片泵供油，為工件架移動(dòng)、鏜刀擺動(dòng)、工件夾緊和導(dǎo)軌潤滑提供動(dòng)力，但液壓系統(tǒng)存在“跑冒滴漏”現(xiàn)象。

3.6 夾具

人工上下料，液壓夾緊，自動(dòng)化程度低，勞動(dòng)強(qiáng)度大。

4 改進(jìn)要點(diǎn)

為提高擺刀鏜床的自動(dòng)化程度、運(yùn)行可靠性和操作宜人性，對(duì)機(jī)床進(jìn)行了多方面的技術(shù)改進(jìn)。

（1）采用“伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)+滾珠絲杠副傳動(dòng)、交叉滾子導(dǎo)軌（或直線導(dǎo)軌）支承”取代工件架的“液壓驅(qū)動(dòng)+滑動(dòng)導(dǎo)軌支承”，以增強(qiáng)導(dǎo)軌剛性和靈活性，消除爬行；實(shí)現(xiàn)工件架運(yùn)動(dòng)位置與速度的調(diào)整與控制數(shù)字化，提高定位精度，降低調(diào)控難度；消除液壓系統(tǒng)“跑冒滴漏”現(xiàn)象，改善作業(yè)環(huán)境。

（2）采用“伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)+滾珠絲杠副傳動(dòng)”取代鏜刀擺動(dòng)推拉桿油缸，實(shí)現(xiàn)鏜刀擺動(dòng)角度和速度的調(diào)整與控制數(shù)字化。

（3）采用“變頻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)+齒形帶減速傳動(dòng)”取代主軸的“三相異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)+三角帶減速傳動(dòng)+齒輪變速”，實(shí)現(xiàn)調(diào)速數(shù)字化、變速程序化。

（4）通過程序控制實(shí)現(xiàn)切削運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)鏜刀轉(zhuǎn)速、（床頭箱或工件）軸向進(jìn)給和鏜刀擺速的聯(lián)動(dòng)和轉(zhuǎn)換，優(yōu)化切削參數(shù)，使加工自動(dòng)化。

（5）改進(jìn)主軸結(jié)構(gòu)，以增強(qiáng)其支承剛度；改進(jìn)鏜頭與主軸連接方式，取消鏜刀擺動(dòng)中心調(diào)整機(jī)構(gòu)，依靠設(shè)計(jì)、制造、裝配將鏜刀擺動(dòng)中心與主軸轉(zhuǎn)動(dòng)中心的偏差控制在允許范圍內(nèi)，有效減小鏜頭懸長和鏜桿懸重，提高鏜削系統(tǒng)剛性和更換鏜頭的方便性。

（6）增加鏜刀微調(diào)機(jī)構(gòu)，如采用差動(dòng)螺紋微調(diào)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)刀和補(bǔ)償調(diào)整的量化。

（7）通過整體更換部分機(jī)件（如鏜頭、夾具）滿足相近型號(hào)軸承座球面孔的鏜削，實(shí)現(xiàn)快捷換型；通過調(diào)整部分機(jī)件（如工件定位端板、側(cè)板，壓緊杠桿著力點(diǎn)等）以適應(yīng)不同鑄模件和消除鏜削圓度誤差。

（8）增加自動(dòng)上下料機(jī)構(gòu)和供排料裝置，采用氣動(dòng)工件移位、夾緊和吹掃定位面，提高鏜床自動(dòng)化程度，降低維護(hù)成本和改善工作環(huán)境。

（9）改進(jìn)床身設(shè)計(jì)，以增強(qiáng)其剛度和吸振性；優(yōu)化各部分機(jī)構(gòu)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以改善工藝性能（制造工藝、裝配工藝）和提高可靠性。

（10）采用數(shù)控系統(tǒng)，增強(qiáng)鏜床運(yùn)行可靠性和操作宜人性。

5 機(jī)構(gòu)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

改進(jìn)設(shè)計(jì)的鏜床主要由床身、床頭箱（主軸）、鏜頭、擺刀機(jī)構(gòu)、工件架、夾具、上下料機(jī)構(gòu)、供排料機(jī)、氣動(dòng)系統(tǒng)、測控系統(tǒng)、防護(hù)罩等構(gòu)成［3-4］。下文主要介紹關(guān)鍵性的機(jī)構(gòu)和結(jié)構(gòu)。

5.1 主傳動(dòng)

5.1.1 切削參數(shù)

切削方式和切削參數(shù)直接關(guān)系到動(dòng)力源、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和機(jī)件結(jié)構(gòu)的選取和設(shè)計(jì)。

球面孔的鏜削分為2步，即用固定鏜刀鏜圓柱孔（去除鑄造表層硬皮，俗稱“扒黑皮”），用擺動(dòng)鏜刀鏜球面孔（拉桿拉時(shí)粗鏜，推時(shí)精鏜）。精鏜即光鏜，或稱無進(jìn)給鏜，其借助鏜頭、鏜刀、夾具、工件系統(tǒng)恢復(fù)彈性變形而產(chǎn)生鏜削量。

（1）鏜頭轉(zhuǎn)速（切削速度）

鏜頭轉(zhuǎn)動(dòng)為主運(yùn)動(dòng)（切削運(yùn)動(dòng)），鏜刀切削刃上切削點(diǎn)與工件的相對(duì)速度為切削速度，鏜刀切削刃在擺動(dòng)軌跡上離鏜頭軸線最遠(yuǎn)點(diǎn)的切削速度為最大切削速度。切削速度vc與鏜頭轉(zhuǎn)速n的關(guān)系為

vc＝πdn／1 000， （1）

式中：vc為切削速度，m／min；d為工件待加工表面直徑，mm；n為鏜頭轉(zhuǎn)速，r／min。

軸承座球面孔鏜削余量分配如圖2所示，圖中，SR為球面孔半徑，SR＝Sφ／2；b1為球面孔寬度（弦寬）；h1為拔模斜度產(chǎn)生的切削余量，h1＝b1／2tanα；h2為設(shè)計(jì)余量，1.00 mm；h3為球面孔鏜削最大余量（弦高）h2為圓柱孔鏜削最大余量；α為拔模斜度（在軸向剖面上從球面孔中心位置向兩邊對(duì)稱傾斜），3°。

圖2 軸承座球面孔鏜削余量分配圖

圓柱孔鏜削余量由拔模斜度α產(chǎn)生的切削余量h1和設(shè)計(jì)余量h2組成；球面孔鏜削余量等于球面孔輪廓在軸向剖面上對(duì)應(yīng)的弦高h(yuǎn)3。

以鏜削P208球面孔為例，SR＝40 mm，h1+h2＝1.55 mm，h3＝1.40 mm。查刀具手冊［5］硬質(zhì)合金鏜刀鏜削鑄鐵孔切削用量，當(dāng)背吃刀量不大于3 mm時(shí)，粗鏜切削速度為35～50 m／min，進(jìn)給量為0.4～1.5 mm／r；精鏜切削速度為70～90 m／min，進(jìn)給量為0.12～0.15 mm／r。由（1）式得對(duì)應(yīng)的粗鏜、精鏜鏜頭轉(zhuǎn)速為139～199 r／min和279～358 r／min。而實(shí)際加工中鏜削轉(zhuǎn)速達(dá)到748 r／min，切削線速為188 m／min，遠(yuǎn)大于手冊推薦值。因此在設(shè)置頻率（50 Hz）時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 500 r／min，經(jīng)齒形帶2∶1降速，主軸轉(zhuǎn)速為750 r／min，正好滿足P208球面孔鏜削。

（2）工件移動(dòng)速度和鏜刀擺動(dòng)速度（進(jìn)給速度）

鏜削圓柱孔時(shí)，工件隨工件架軸向移動(dòng)為進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，由工件架伺服電動(dòng)機(jī)+滾珠絲杠副控制；鏜削球面孔時(shí)，鏜刀繞鏜頭回轉(zhuǎn)軸線擺動(dòng)為進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，由球面孔鏜刀推拉機(jī)構(gòu)伺服電動(dòng)機(jī)+滾珠絲杠副控制。進(jìn)給速度計(jì)算式為

式中：vf為進(jìn)給速度，mm／s；f為進(jìn)給量，mm／r。

5.1.2 傳動(dòng)方式

通過變頻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)+齒形帶減速傳動(dòng)，使主軸旋轉(zhuǎn)，變頻調(diào)速。采用變頻調(diào)速三相異步電動(dòng)機(jī)（4級(jí)，1 500 r／min，4 kW，19 N·m），傳動(dòng)鏈短，調(diào)速方便。齒形帶減速傳動(dòng)（速比2∶1），皮帶張緊力小，不影響軸系旋轉(zhuǎn)精度。調(diào)頻電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速大于1 500 r／min時(shí)，恒功率；轉(zhuǎn)速小于1 500 r／min時(shí)，恒轉(zhuǎn)矩。

5.1.3 刀具

綜合刀具實(shí)用性、耐用度和經(jīng)濟(jì)性，采用硬質(zhì)合金鏜刀鏜削帶硬皮的鑄鐵孔，斷續(xù)切削，刀具前角和主切削刃后角均為7°；查刀具樣本［6］，選用適合鏜削鑄鐵孔的可轉(zhuǎn)位機(jī)夾不重磨涂層硬質(zhì)合金菱形刀片，牌號(hào)為YBD152、型號(hào)為DCMT11T 308-HR（55°菱形，邊長11.6 mm，寬度9.525 mm，厚度3.97 mm，孔徑4.4 mm，刀尖半徑0.8 mm）。

5.2 套筒式精密主軸

套筒式主軸（圖3）較整體式主軸更容易保證制造、裝配精度，安裝和維修、調(diào)整方便。

圖3 套筒式精密主軸

原軸系由前端2套7216C／P4（背對(duì)背）和后端1套7215C／P4軸承支承，剛性不足，且前、后軸承支承跨距小于鏜頭切削點(diǎn)懸伸。改進(jìn)后采用接觸角為25°的精密級(jí)單列角接觸球軸承，前端3套7217AC／P4串聯(lián)+背對(duì)背（TBT）安裝，后端2套7216AC／P4背對(duì)背（DB）安裝，主軸承載能力和剛性明顯增強(qiáng)。若有合適的組配型軸承，還可省去內(nèi)外隔圈。

主軸端部的型式和尺寸按GB／T 3837—2001《7∶24手動(dòng)換刀刀柄圓錐》的規(guī)定，采用50號(hào)7∶24圓錐孔定心，其同軸度高，互換性好，端面鍵傳遞扭矩，凸緣／螺釘緊固。

軸采用40Cr鋼經(jīng)鍛造、調(diào)質(zhì)、穩(wěn)定處理，錐孔表面感應(yīng)淬火。加工中嚴(yán)格控制軸上有配合要求的各圓柱面、圓錐面、端面的幾何精度（形狀精度和位置精度），殼體外圓、內(nèi)孔與端面的幾何精度以及軸承內(nèi)外隔圈高度。

5.3 鏜刀微調(diào)機(jī)構(gòu)

將差動(dòng)螺紋用于微調(diào)鏜刀是成熟技術(shù)，但用在既可隨鏜頭轉(zhuǎn)動(dòng)又繞鏜頭轉(zhuǎn)動(dòng)軸線擺動(dòng)的鏜刀上尚屬首創(chuàng)，采用差動(dòng)螺紋微調(diào)機(jī)構(gòu)的擺刀鏜頭如圖4所示。

圖4 帶差動(dòng)螺紋微調(diào)機(jī)構(gòu)的擺刀鏜頭

設(shè)計(jì)關(guān)鍵是將連接于刀桿后部、擺動(dòng)刀盤中性面上的連桿由一字形變?yōu)閅字形，在刀桿后部安裝差動(dòng)螺桿（圖5）。差動(dòng)螺桿與刀桿和刀盤連接的螺紋分別為M6×1 mm和M10×1.25 mm，同為右旋。順時(shí)針旋轉(zhuǎn)螺桿時(shí)，刀桿外伸；反之，刀桿內(nèi)縮。螺桿旋轉(zhuǎn)360°時(shí)，刀桿外伸或內(nèi)縮0.25 mm（兩螺紋螺距之差），所鏜削孔徑增大或減小0.50 mm。鏜頭體設(shè)計(jì)成軸向?qū)ΨQ剖分結(jié)構(gòu)，便于安裝刀盤和連桿。

5.4 擺刀驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過滾珠絲杠的傳動(dòng)轉(zhuǎn)變成拉桿的移動(dòng)（圖5）。通過由1對(duì)角接觸球軸承組成的具有傳遞軸向移動(dòng)和阻隔周向轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)（或稱隔離器），使拉桿的移動(dòng)能通過隔離器、連桿轉(zhuǎn)變成刀盤（鏜刀）的擺動(dòng)，使由主軸通過凸緣傳遞給鏜頭的轉(zhuǎn)動(dòng)被阻隔而不會(huì)傳遞給拉桿。閉式套筒型直線球軸承對(duì)拉桿起輔助支承作用。

圖5 差動(dòng)螺紋微調(diào)機(jī)構(gòu)

5.5 鏜刀與工件的軸向相對(duì)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

圓柱孔的切削和球面孔位置的確定通過鏜刀與工件的軸向相對(duì)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)。無論是床頭箱（主軸、鏜頭、鏜刀）還是工件架（工件、夾具），其軸向運(yùn)動(dòng)均采取“伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)+滾珠絲杠副傳動(dòng)、交叉滾子導(dǎo)軌（或直線導(dǎo)軌）支承”形式，所不同的是床頭箱移動(dòng)，質(zhì)量大，慣性大，但工件架不動(dòng)，更易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上下料。

5.6 供排料-上下料-定位夾緊機(jī)構(gòu)

5.6.1 方案1

上料：人工放置工件（立式軸承座）至撥爪鏈條式供料機(jī)的托軌上（工件孔軸線大致朝向運(yùn)動(dòng)方向，且位于前后撥爪之間）→自動(dòng)傳輸至鏈條端部的托板上→氣動(dòng)機(jī)械手（圖6）夾持工件側(cè)弓部→氣缸推送至上下料位→氣動(dòng)槽板（圖7）推送工件至加工位（在槽板和彈性鉸接板的共同作用下，工件底板兩側(cè)面靠緊定位面——端板和側(cè)板）→氣動(dòng)弓形夾具壓緊底板兩凸緣上端面。

圖6 立式座推送料機(jī)械手（俯視）

圖7 工件上下料和定位機(jī)構(gòu)（俯視）

下料：弓形夾具松開→槽板將工件從加工位拉出至上下料位→機(jī)械手夾持，推送的待加工件將已加工件推離上下料位，使其向下滑落至料道，入料筐。

（1）撥爪鏈條式供（排）料機(jī)。電動(dòng)機(jī)-蝸桿減速機(jī)驅(qū)動(dòng)平行且相距一定間隔的2根撥爪鏈條同步行進(jìn)，撥動(dòng)托軌上的工件。當(dāng)工件傳輸至鏈條端部的托板，且當(dāng)間隔布置的2個(gè)接近開關(guān)都觸發(fā)時(shí)，表明工件處在正常位，機(jī)械手動(dòng)作。

（2）推送料機(jī)械手。由單支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型鉸接式機(jī)械手、夾持氣缸和推送氣缸組成，如圖6所示。當(dāng)氣缸均位于原位時(shí)，機(jī)械手處于張開狀態(tài)，當(dāng)夾持氣缸活塞桿伸出時(shí)，機(jī)械手夾緊工件側(cè)弓，推送氣缸隨之推送工件至上下料位，之后夾持氣缸活塞桿縮進(jìn)，機(jī)械手張開，推送氣缸復(fù)位。由接近開關(guān)控制氣缸動(dòng)作。

（3）工件定位機(jī)構(gòu)由墊板、端板-側(cè)板、彈性鉸接板和推拉槽板組成，分別起到支承工件底面和限制工件端面、側(cè)面位置的作用，如圖7所示。當(dāng)工件型號(hào)變化時(shí)，整體更換組件，以控制工件球面孔中心高。上料時(shí)，槽板使工件端面靠近端板，同時(shí)工件在彈性鉸接板擠壓下靠近側(cè)板，達(dá)到工件端面緊靠端板和側(cè)面緊靠側(cè)板的定位效果。

實(shí)踐表明，底面支承板的寬窄和位置會(huì)影響球面孔的圓度，因此，采取在墊板上附著可單獨(dú)調(diào)整支承跨距，且耐磨、不積屑、帶斜槽的硬質(zhì)合金支承，并在上料時(shí)輔以氣流吹掃支承面。

（4）工件上下料推拉機(jī)構(gòu)。工件在上下料位和加工位的轉(zhuǎn)移由槽板實(shí)現(xiàn)，槽板依靠直線導(dǎo)軌導(dǎo)向，由氣缸驅(qū)動(dòng)，固定擋塊限位；氣路上用節(jié)流閥調(diào)整活塞桿伸縮（即槽板推拉）速度，還可同時(shí)采用油壓緩沖器減小限位沖擊。

5.6.2 方案2

上料：人工放置工件至金屬鏈板式供料機(jī)的鏈板上→自動(dòng)傳輸→氣缸側(cè)推工件至供料位→（桁架式）上料機(jī)械手抓工件上弓部移送至上下料位→氣動(dòng)槽板推送工件至加工位→兩側(cè)氣動(dòng)杠桿壓緊底板兩凸緣上端面。

下料：杠桿松開→槽板將工件從加工位拉出至上下料位→（桁架式）下料機(jī)械手抓工件上弓部移送至排料機(jī)（金屬鏈板自動(dòng)傳輸工件至料筐），上料機(jī)械手同步抓取待加工件從供料位移送至上下料位。

（1）金屬鏈板式供（排）料機(jī)。金屬鏈板由電動(dòng)機(jī)-蝸桿減速機(jī)驅(qū)動(dòng)，承載和傳輸工件。當(dāng)供料機(jī)上的工件傳輸至金屬鏈板端部，且當(dāng)間隔布置的2個(gè)接近開關(guān)都觸發(fā)時(shí)，表明工件處在正常位，此時(shí)氣缸開始側(cè)推工件至供料位。

（2）桁架式機(jī)械手由2副機(jī)械手、升降氣缸、移送氣缸和直線導(dǎo)軌組成，實(shí)現(xiàn)待加工件和已加工件的同時(shí)抓取和移送。亦可用伺服電動(dòng)機(jī)和滾珠絲杠取代升降氣缸和移送氣缸，使上下料更具柔性，且減少供排料機(jī)（尤其是供料機(jī)）的調(diào)整環(huán)節(jié)。

對(duì)比2種方案，工件定位方式和加工位／上下料位的切換方式相同，供排料方式和機(jī)械手不同，夾緊方式異曲同工。方案1采取撥爪鏈條式供料機(jī)供料，托軌受工件底部摩擦，有磨損；鉸接式機(jī)械手機(jī)構(gòu)簡單，但推送料時(shí)，支承面有磨損。方案2采取金屬鏈板式供排料機(jī)，鏈板承載、輸送工件，無相互摩擦，鏈板面無磨損；桁架式機(jī)械手抓取，移送料機(jī)構(gòu)復(fù)雜，但可靠性高且更加柔性化。

6 結(jié)束語

軸承座球面孔鏜床升級(jí)改造所采取的各項(xiàng)技術(shù)措施，達(dá)到了提高自動(dòng)化程度、運(yùn)行可靠性、質(zhì)量穩(wěn)定性和操作宜人性的預(yù)期效果，可實(shí)現(xiàn)一人多機(jī)操作。實(shí)際操作中，可根據(jù)工件材質(zhì)和刀具牌號(hào)、型號(hào)，綜合考慮鏜削效率、表面粗糙度要求和刀具耐用度，通過屏幕設(shè)定鏜頭轉(zhuǎn)速、軸向進(jìn)給速度和擺刀速度。

尚待研發(fā)集鏜削球面孔和油槽功能于一體的鏜頭，或采取多工位組合機(jī)鏜削球面孔和油槽，以擴(kuò)展鏜削的適應(yīng)能力。

改進(jìn)設(shè)計(jì)積累的經(jīng)驗(yàn)為軸承座球面孔鏜床系列化打下了基礎(chǔ)，如可派生出適用于中心對(duì)稱座自動(dòng)上下料的立式鏜床；可與前后工序組成銑削（安裝面）→鏜削（球面孔、油槽）→鉆攻（油嘴孔、安裝孔）自動(dòng)線。