1. 前言

精密球軸承在軍、民產(chǎn)品中都有廣泛的運(yùn)用。由于技術(shù)封鎖等原因，國(guó)內(nèi)精密球軸承市場(chǎng)處于供不應(yīng)求的局面，甚至在一些高端緊密球軸承領(lǐng)域處于空白狀態(tài)。如何制造精度高、經(jīng)久耐用的球軸承一直是國(guó)內(nèi)、國(guó)際廣大軸承廠家乃至科研機(jī)構(gòu)努力解決的難題之一。

美國(guó)UGS公司出品的UG軟件是一款集CAD/CAM/CAE于一身的高端三維CAD軟件。其中包含零件設(shè)計(jì)、二維工程圖、零件加工和仿真以及有限元分析等模塊。通過(guò)模塊之間的無(wú)縫集成，實(shí)現(xiàn)了零件的三維信息在設(shè)計(jì)、數(shù)控加工以及有限元分析模塊之間的共享，具有設(shè)計(jì)修改方便，更新迅速等特點(diǎn)。

在本文中，我們以一種高精度球軸承內(nèi)圈的磨削加工為例，通過(guò)UG對(duì)其進(jìn)行三維造型，然后進(jìn)行必要的有限元分析，確定種合理的加工工藝。最終采用數(shù)控外圓磨床通過(guò)數(shù)控插補(bǔ)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)高精度球軸承的磨削生產(chǎn)，并且通過(guò)UG軟件編制了數(shù)控磨削程序。該球軸承內(nèi)圈尺寸如圖1所示，從圖中可以看到，該零件具有很高的尺寸公差和形位公差要求，都在μm級(jí)以內(nèi)，而且表面粗糙度要求也很高，在Ra0.2μm以內(nèi)。

2. 球軸承插補(bǔ)磨削原理及其幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題

球軸承插補(bǔ)磨削原理如圖2所示。工件坐標(biāo)系由X、Z軸構(gòu)成，工件旋轉(zhuǎn)軸為Z軸，工件徑向?yàn)閄軸。砂輪帶圓角，繞著自身徑向旋轉(zhuǎn)。通過(guò)磨床X、Z軸插補(bǔ)對(duì)圓弧段AB進(jìn)行磨削，完成球軸承內(nèi)圈外球面的磨削。整個(gè)過(guò)程與數(shù)控車床進(jìn)行球面車削類似，不同之處在于外圓磨在圓弧段AB插補(bǔ)磨削的過(guò)程中砂輪繞自身軸旋轉(zhuǎn)。在對(duì)圓弧段AB進(jìn)行磨削時(shí)，為了在第二象限磨削時(shí)避開工件干擾，砂輪軸需要旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度α，角度α大小由B點(diǎn)所處的位置通過(guò)相切關(guān)系計(jì)算得出。

通過(guò)以上分析知道，通過(guò)數(shù)控插補(bǔ)即可完成球面的磨削，所以只要磨床傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)精度高，數(shù)控系統(tǒng)的誤差控制在輪廓允許誤差范圍之內(nèi)，就可以磨削出符合要求的高精密球軸承 [1]。其他的關(guān)鍵問(wèn)題就是球軸承磨削裝夾工裝、磨削過(guò)程中砂輪的損耗補(bǔ)償、數(shù)控程序的編制以及環(huán)境溫度控制等等。

2.1磨削裝夾的確定

考慮到球軸承零件的尺寸要求，該零件的裝夾方式有兩種：預(yù)置工藝夾頭和芯軸裝夾。如圖3所示。這種裝夾方式的最大缺點(diǎn)就是在夾持工件時(shí)會(huì)因夾持力產(chǎn)生變形。為了考察夾持力對(duì)工件變形的影響，采用UG自帶的結(jié)構(gòu)有限元模塊對(duì)該球軸承的受力進(jìn)行了分析。首先對(duì)球軸承的毛坯進(jìn)行三維造型，其三維造型如圖4所示。在進(jìn)行分析之前對(duì)工件受力邊界條件以及受力面積進(jìn)行了簡(jiǎn)化。分析后的工件的變形如圖5所示。從圖中可以看出，在正常裝夾力的作用下，工件最大處（接觸面）的變形只有7.504X10-5mm，球軸承內(nèi)圈部分基本上沒(méi)有變形。從理論上論證了采用工藝卡頭的可行性。

圖3 球軸承內(nèi)圈磨削工藝夾頭

圖4 帶工藝夾頭球軸承

圖5 工藝夾頭受力分析

由于零件形位公差要求嚴(yán)格，通過(guò)比較兩種裝夾方式的優(yōu)缺點(diǎn)，采用預(yù)置工藝夾頭的方式來(lái)對(duì)零件進(jìn)行裝夾。
2.2砂輪損耗的補(bǔ)償

砂輪損耗以及砂輪損耗的補(bǔ)償也是在磨削中需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一。在磨削的過(guò)程中，砂輪的圓弧段與球軸承接觸，導(dǎo)致砂輪磨損嚴(yán)重磨損，以致球軸承的外形呈橢圓形。要解決這個(gè)問(wèn)題，就要采取措施減少砂輪的磨損，或者在每一次磨削后對(duì)砂輪進(jìn)行修整，保證其外形的一致性。通過(guò)機(jī)床的修整功能來(lái)實(shí)現(xiàn)砂輪的實(shí)時(shí)修整以及損耗補(bǔ)償。通過(guò)編制程序，讓機(jī)床在砂輪每完成一次磨削就對(duì)其進(jìn)行修整，并設(shè)定修整量，記錄并在數(shù)控程序中進(jìn)行補(bǔ)償。

2.3數(shù)控程序的編制

在編制數(shù)控程序之前，首選要熟悉機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)以及坐標(biāo)系的設(shè)定。該機(jī)床的的坐標(biāo)以及編成方式與采用法拉克數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)控車床一樣，因此在編制程序的時(shí)候，按照法拉克系統(tǒng)的程序格式編制即可。在UG中，利用造好的三維模型，進(jìn)入加工模塊，設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，即可生成刀具軌跡文件，然后用法拉克后處理器進(jìn)行后置處理成為法拉克格式的數(shù)控代碼，即可進(jìn)行加工。編程界面如圖6所示。

圖6 UG數(shù)控編程界面

2.4溫度控制

在加工一般尺寸精度的工件時(shí)，溫度的變化給工件帶來(lái)最終尺寸的影響很小，因此一般都可以忽略。但是當(dāng)所加工的零件尺寸精度要求很高時(shí)，環(huán)境溫度對(duì)工件尺寸精度的影響就非常大，因此對(duì)環(huán)境溫度的控制至關(guān)重要。因此，采用UG中的有限元模塊，模擬環(huán)境溫度變化對(duì)球軸承外形的影響。設(shè)定加工環(huán)境溫度20o，所加載的溫度負(fù)荷為1o，觀察溫度變化1o對(duì)工件外形產(chǎn)生的影響。在20 o條件下，溫度變化1o引起的工件最大變形位于工藝夾頭上面，為2.502E-4mm，球軸承球體上面變形量在1.6E-4~ 2.0E-4mm之間。在此基礎(chǔ)上，溫度每增加一度，工件變形量也相應(yīng)成倍增長(zhǎng)。因此，為了保證工件的外形尺寸能夠達(dá)到要求，需要對(duì)加工過(guò)程中的環(huán)境溫度進(jìn)行控制。

3. 磨削實(shí)例

在實(shí)例加工中，采用軸承鋼作為球軸承材料。砂輪采用φ25X30的砂輪，砂輪圓角R3，磨削主軸最高轉(zhuǎn)速60000rpm，在本加工中使用40000rpm，C軸轉(zhuǎn)速400rpm，冷卻方式為水冷，加工環(huán)境溫度控制在20±1 o。圖七為采用這種方法進(jìn)行磨削得到的球軸承內(nèi)圈，采用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)進(jìn)行各個(gè)尺寸的計(jì)量。結(jié)果顯示，通過(guò)這種方法得到的尺寸精度基本滿足圖紙要求。

4. 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)UG軟件對(duì)球軸承進(jìn)行造型并進(jìn)行前期的有限元分析，確定了通過(guò)數(shù)控外圓磨床數(shù)控插補(bǔ)完成球軸承的磨削。并且通過(guò)UG進(jìn)行溫度有限元分析，控制影響球軸承尺寸精度的關(guān)鍵因素。制造出來(lái)的球軸承基本滿足圖紙的尺寸以及表面粗糙度要求，滿足使用要求。