電永磁吸盤在薄壁軸承外圈硬車加工中的應用

宋金山，王賀

沈陽機床股份有限公司 遼寧沈陽 110142

1 序言

軸承裝夾定位方式作為硬車加工中最薄弱的環節之一，一直是制約硬車技術在軸承行業廣泛應用的瓶頸。裝夾方式和裝夾精度直接影響加工精度，硬車工藝要達到磨削加工的精度，如何選擇合適的裝夾方式及如何最大程度地提高裝夾精度顯得十分重要[1]。

自定心或多爪卡盤以其廣泛的通用性、夾緊的可靠性及定心的準確性等特點，成為車削加工的首選夾具。對于自定心或多爪卡盤的裝夾方式，通過改變卡爪結構形式、提高卡爪精度及改善卡爪布局等方式，能夠有限減小軸承硬車變形量，提高裝夾精度。任敏杰等[2]通過改進數控車床液壓自定心卡盤卡爪的結構，明顯減小了軸承硬車外圈的變形量，解決了三爪夾持外圈變形大的問題。美國普渡大學Jeongmin Byun博士[3]通過系統地分析自定心卡盤裝夾，不僅找出了影響硬車圓柱類零件裝夾誤差的主要因素，而且提出了通過消除工件傾斜、減小夾持冗余度、提高卡爪加工精度及改善卡爪排布精度等方式逐步提高裝夾精度的方法。研究結果表明，在提高裝夾精度的基礎上加工圓柱滾子軸承套圈，加工精度可達到磨削加工水平，證明了“以車代磨”的可行性。目前應用電永磁吸盤裝夾硬車軸承案例較少，這種裝夾方式優勢較為明顯，能夠免除卡爪夾持造成薄壁軸承的變形，但劣勢尚不明確，需要試驗驗證。瑞典隆德大學J.M. Zhou等[4]發現在滾動軸承切削時，使用自定心卡盤裝夾會造成高達20μm的變形，并推薦使用六爪卡盤或電磁吸盤裝夾。他們通過硬車硬度為60～62HRC的100Cr6圓環零件的試驗研究，發現使用自定心卡盤裝夾時，圓環零件的不圓度誤差超過10μm；使用六爪卡盤裝夾時，圓環零件的不圓度誤差約為9μm；而使用電磁吸盤裝夾時，圓環零件的不圓度誤差＜4μm。

雖然自定心或多爪卡盤裝夾薄壁軸承通過卡爪的優化，能改善薄壁軸承外圈硬車時的變形量，但不能完全解決薄壁軸承外圈硬車變形問題，因此采用電永磁吸盤裝夾成為了硬車薄壁軸承外圈最好的方法。本文首次應用電永磁吸盤裝夾硬車薄壁軸承外圈進行試驗研究，驗證了電永磁吸盤裝夾硬車薄壁軸承外圈的可行性，并對硬車薄壁軸承外圈內孔時出現正錐現象導致內孔圓度超差問題，提出了通過改變切削深度和切削路徑的方式來改善內孔正錐現象。

2 電永磁吸盤介紹

電永磁吸盤是以永久磁鐵代替電磁鐵制成的，導磁塊通常為永久磁鐵。開始工作時電永磁吸盤通電充磁，達到設定磁力強度自動斷電，保持磁力，因為工作過程中不用持續供電，所以在連續工作時不會發熱，避免工件受熱變形。

而電磁吸盤是根據電的磁效應原理制成的。磁力取決于持續的電流，這種吸盤的缺點是當電流停止時，它就會釋放工件，如果在工作過程中發生這種情況，會造成飛件，使操作人員面臨受傷的風險。同時，電磁吸盤在運行一段時間后，持續通過電流會產生熱量，導致工件被加熱而變形，不能保證加工精度。

本試驗采用電永磁吸盤，型號為X61-500?？刂破餍吞枮長MSDVPL2VH301，如圖1所示。

圖1 電永磁吸盤和控制器

電永磁吸盤通過磁力能夠吸附夾緊薄壁軸承外圈，對工件沒有徑向夾緊力，避免了夾緊變形。該電永磁吸盤共16擋磁力，通過調節其電流大小控制磁力。

3 電永磁吸盤裝夾硬車薄壁軸承外圈試驗

3.1 機床設備選擇

試驗選用通用技術集團沈陽機床有限責任公司自主研發的數控立式車床T6-85H。采用立式裝夾工件，使工件重心與主軸重心重合，避免臥式裝夾時由重力引發的圓度誤差，確保工件的圓度[5]。同時工件自重使其與夾具基準面接觸準確、緊密，從而獲得高的定位精度和穩定的加工精度。

3.2 工件選擇

硬車試驗選取圓柱滾子軸承外圈為試驗對象，壁厚為6.5mm，屬于薄壁軸承[6]，材料為GCr15，淬火后硬度為60～64HRC。試料端面和外圓均為粗磨削后表面，尺寸一致性和表面質量很好。由于粗磨削內孔效率低且容易燒傷，因此本次測試只硬車內孔，用硬車代替粗磨削，硬車后還有精磨削工序和超精研工序。該試件要求硬車后內孔尺寸136.82～136.86m m、內孔圓度0.011m m、內孔圓柱度0.011mm、內孔與外圓同軸度0.02mm、內孔與端面垂直度0.011mm且內孔表面粗糙度值Ra＝1μm，如圖2所示。

圖2 圓柱滾子軸承外圈

3.3 工藝方案

工藝方案分兩刀硬車圓柱滾子軸承外圈內孔，切削參數：轉速250r/min，進給量0.1mm/r，第一刀單邊切削深度0.08m m，第二刀單邊切削深度0.07mm。采用CBN刀片，刀尖圓角半徑為0.8mm，如圖3所示。

圖3 CBN刀片及刀具

4 試驗過程

試驗使用的電永磁吸盤額定磁力為160N/cm2，對于該圓柱滾子軸承外圈的軸向吸附力為2432N，根據接觸表面原理，工件與電永磁吸盤導磁定位塊間的摩擦系數取0.15，摩擦力為364.8N，而硬車該工件的主切削力和徑向切削力的合力約為120N。因此電永磁吸盤完全能夠適應硬車夾緊需求。

由于軸承外圈采用磁力吸盤端面定位，圓周沒有定心措施，實際上用外圓圓周打表來定心十分困難，所以在導磁定位塊上自車削深度為5mm的圓弧臺階，使臺階圓弧與軸承外圈間隙盡量最小，間隙大概為0.01mm，如圖4所示，同時自車削臺階面時，要保證導磁塊與軸承外圈接觸面表面質量好，零件加工完成后退磁拆卸十分輕松，裝卸件用時5s即可。

圖4 圓柱滾子軸承外圈硬車裝夾示意

按上述裝夾方式和切削參數硬車零件1～5號件，車削后零件經三坐標檢測，如圖5所示，表面粗糙度經粗糙度儀檢測，如圖6所示。檢測結果見表1，零件硬車后狀態如圖7所示。

表1 圓柱滾子軸承（1~5號件）外圈內孔檢測結果 （單位：μm）

圖5 三坐標檢測

圖6 表面粗糙度檢測

圖7 硬車后狀態

從表1數據可知，通過電永磁吸盤裝夾圓柱滾子軸承外圈硬車內孔后，內孔圓度、內孔與外圓同軸度、內孔與端面垂直度、內孔表面粗糙度均能滿足圖樣要求，內孔圓柱度大部分滿足要求，但是也接近圖樣要求的極限公差，稍有其他誤差累積就會超差，造成零件不合格。究其原因為內孔上下圓差值較大，造成內孔出現正錐現象。

對于這種正錐現象，如圖4所示，分析起因是在電永磁吸盤軸向夾持下，當自車削圓弧臺階高度能與軸承套圈外圓接觸時，立式車床自上而下硬車薄壁軸承外圈內孔過程中，由于軸承外圈剛度不足而引起切削過程徑向讓刀變形，軸承外圈內孔上圓部分受切削力發生彈性變形，切削量變小，導致實際切削深度與名義切削深度不一致，內孔下圓部分因導磁塊底面、側面臺階吸力及側面臺階壓力導致變形量小，切削量比內孔上圓部分大，軸承外圈出現內孔正錐現象。

理論上，這種錐度現象可以通過兩種方法來減弱或者消除。一是改變切削深度減小徑向切削力，例如減小精車薄壁軸承外圈內孔時的切削深度；二是改變切削路徑，例如精車薄壁軸承外圈內孔時，根據正錐度大小，用一定倒錐度切削內孔，使得內孔下圓切削量≤內孔上圓切削量，減小或消除內孔正錐現象。

5 試驗驗證

5.1 驗證改變切削深度對正錐現象的影響

工藝方案分三刀硬車圓柱滾子軸承外圈內孔，切削參數：轉速250r/min，進給量0.1mm/r，第一刀單邊切削深度0.08m m，第二刀單邊切削深度0.05mm，第三刀單邊切削深度0.02mm。裝夾方式不變，硬車零件6～10號件，車削后零件經三坐標檢測和表面粗糙度儀檢測，檢測結果見表2。

表2 圓柱滾子軸承（6～10號件）外圈內孔檢測結果 （單位：μm）

從表2數據可知，通過改變切削深度，精車切削量由單邊0.07mm變為0.02mm，硬車圓柱滾子軸承外圈內孔后，經檢測各項幾何公差及表面粗糙度均滿足圖樣要求。

5.2 驗證改變切削路徑對正錐現象的影響

工藝方案分兩刀硬車圓柱滾子軸承外圈內孔，切削參數：轉速250r/min，進給量0.1mm/r，第一刀單邊切削深度0.08m m，第二刀單邊切削深度0.07mm。根據表1數據軸承內孔上下圓之差平均值及軸承寬度求得錐度比為1∶2.6493，車削第二刀時切削深度不變，進行錐度補償，切削路徑為相應倒錐度比的路徑，裝夾方式不變，硬車零件11～15號件，車削后零件經三坐標檢測和表面粗糙度儀檢測，檢測結果見表3。

從表3數據可知，通過改變切削路徑，根據已知正錐現象求得錐度比，切削時切削深度不變，切削路徑為相應倒錐度比路徑，硬車圓柱滾子軸承外圈內孔后，經檢測各項幾何公差及表面粗糙度均滿足圖樣要求。

6 結束語

本文針對自定心或多爪卡盤裝夾硬車薄壁軸承外圈會造成薄壁軸承外圈變形問題，提出應用電永磁吸盤裝夾硬車薄壁軸承外圈，并證明了電永磁吸盤裝夾硬車薄壁軸承外圈的可行性。

對硬車薄壁軸承外圈出現正錐現象的問題，提出兩種方法進行優化，一是改變切削深度，二是改變切削路徑，通過試驗驗證，發現改變切削深度方式更優于改變切削路徑方式。