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無心磨床砂輪軸維修精密裝配實例分析

2018-03-20

李財林
（瓦房店軸承集團有限責任公司）

　　摘　要：討論一種滾動軸承結構式加工圓錐滾動體無心磨床砂輪軸精密裝配方法，依據自行建立的雙列向心短圓柱滾子軸承1：12的內孔錐度與軸錐度研合度檢驗概念，發(fā)展和完善孔、軸配合產生角度誤差修磨及研合的措施，以其獨特的觀點剖析誤差產生的原因從而引導出解決問題的路徑，能夠對類似結構的裝配提供理論性指導意見，也可供機械加工設備的裝配及使用維修借鑒和參考。

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

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

　　目前使用的無心磨床規(guī)格種類很多，砂輪軸的結構也不盡相同，但基本上可分為滑動軸承式結構和滾動軸承式結構兩種。其中滑動軸承式結構設備的占有量較大，滑動軸承是一種滑動摩擦的軸承，它的主要特點是工作可靠平穩(wěn)，無噪音，潤滑油膜具有吸振能力，故能承受較大的沖擊載荷，同時由于液體潤滑可以大大減小摩擦損失和表面摩擦，對于高轉速的機械有著十分重要的意義，因此被廣泛應用：另一種就是滾動軸承式結構，隨著雙列向心短圓柱滾子軸承制造精度的不斷提升，和較之于滑動軸承裝配刮研等繁瑣操作以及對操作者技能門檻的過高要求，以其具有起動阻力小、精度高、耗油漏油少、軸向尺寸小、維護簡單、精度可調、同規(guī)格的軸承易于互換及壽命長等優(yōu)點被新式無心磨床的砂輪軸結構所采納。而滾動軸承裝配過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，使其綜合性能指標穩(wěn)定可靠。

　　1、結構分析及角度誤差的產生

　　1.1結構分析

　　如圖1所示為某型圓錐滾動體無心磨床砂輪主軸結構裝配簡圖。通過圖中具體結構可以看出，砂輪主軸左右各裝有一套雙列向心短圓柱滾子軸承，同時左側配有一套、右側配有兩套單列向心推力球軸承，這一結構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構大體相同，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、雙調整螺母、張緊套、雙列向心短圓柱滾子軸承、調整套、骨架密封圈、內圈拆卸調整螺母組成。

　　這一結構的關鍵點是雙列向心短圓柱滾子軸承裝配精度控制著砂輪主軸運行質量。雙列向心短圓柱滾子軸承的內孔是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砂輪主軸精度密切關聯(lián)。這里將重點討論它。

　　1.2角度誤差的產生

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

　　無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“預裝配”的方法作初步判斷，以確定方案，達到精密裝配的目的。

　　根據文獻可以得知角度關系可能出現(xiàn)3種狀況。如圖2所示，在背帽3背緊時，反復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后，再加大力度后確認外圈不能脫離，再進入檢驗程序。

　　這時可通過手動來驅使軸承外圈旋轉，觀察外圈運動狀態(tài)用直觀的方式來判斷孔與軸錐度的研合效果。實踐表明，轉動的結果只會出現(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大于標準錐度，可通過磨削減小錐角α的方式來解決。

　　圖2b所示，軸承外圈旋轉后不偏不移占中，說明孔軸錐度相符，不用調整。

　　圖2c所示，軸承外圈右移，說明軸的錐度偏小，可通過增大錐角α的方式解決。

　　應該指出的是在文獻中描述的觀點過于理想化，只把雙列向心短圓柱滾子軸承內孔1：12錐度作為模范看：且種現(xiàn)象中的“可通過磨削減小錐角的方式來解決”，經過實踐證明也過于簡單。

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

　　裝配時兩件相對可能存在：（1）錐度α角同時偏大：（2）錐度α角同時偏小：（3）錐度α角一個偏大而另一個偏?。海?）錐度α角一個合格另一個偏大或偏小：（5）錐度α角都合格等。

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

　　一般地，軸承錐度內孔出現(xiàn)誤差的情況較少，這是由軸承批量化生產規(guī)模較大、軸承產品制造設備精密度高及檢測手段專業(yè)等特點所決定。砂輪主軸的生產規(guī)模與軸承加工方式無法相比，單靠磨床角度調整刻度和簡易質量控制措施是無法實現(xiàn)高的精度，因此砂輪主軸產生角度誤差的概率較大。

　　另外，當砂輪主軸產生角度誤差如何修補研合過去未作詳細的探討，其實這是一個至關重要的環(huán)節(jié)，將在下節(jié)中詳細分析。

　　2、砂輪主軸總體結構的精密裝配

　　2.1砂輪的拆卸和更換步驟

　　（1）砂輪主軸總體吊裝過程要輕起輕放，以免主軸變形或影響軸承精度。

　?。?）在夾盤擰上吊環(huán)螺釘前應先拆卸下前、后軸承的壓蓋。

　?。?）要將砂輪主軸整體吊出，應先從砂輪主軸傳動裝置后端把拉手拉出，脫開漸開線花鍵軸。

　　（4）把砂輪主軸放置在預先準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。

　?。?）新砂輪裝上前，應檢查質量是否合格，如有破損、裂紋等不良情況，不能使用，否則砂輪工作時碎裂會危及安全或使主軸受強力沖擊而報廢。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。

　?。?）新砂輪裝上夾盤后，必須進行靜平衡，然后方可裝在機床的主軸上進行正常運轉試驗和修整。

　　2.2砂輪主軸的裝配過程

　?。?）砂輪主軸軸承在總體裝配過程中都已調整好，在使用一段時間至重新裝配之間可能需要作多次精度調整，包括重新裝配的工作，這時注意切忌用鐵錘進行敲打，因為主軸安裝有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。

　?。?）砂輪主軸的長期運行，使得雙列向心短圓柱滾子軸承的滾動體與內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，這時要利用砂輪主軸上的拆卸調整螺母4推動調整套3將1：12的軸承內圈卸下（見圖1），并建議同時更換單列向心推力球軸承。

　?。?）清洗砂輪主軸，將準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滑脂用煤油清洗晾干。

　?。?）按類似于正常裝配過程進行“預裝配”檢驗軸承錐度內孔或砂輪主軸錐度外徑的研合程度，這時會有：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。

　　（5）當認定可以裝配后，需要重新進行測量，經過計算將調整套3磨至計算的厚度，厚度不夠應加墊或重新?lián)Q套，然后進行軸承的裝配。Z好將軸承的內套與主軸接觸面的相對位置，以及軸承外套與支承外套的接觸面的相對位置，做好記號，以便重新組裝時，按原位置進行裝配，這樣可以避免由于不在原始位置而產生新的不必要的誤差。

　　2.3砂輪主軸的精密裝配要領

　　軸承錐度內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到相反極限條件下，即一個偏Z大而另一個偏Z小）時，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)定的標準判斷，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圈著色檢查，直到合格為止。

 　?。?）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準微小角度。這時，消除這種角度誤差的辦法經實踐檢驗，采取白剛玉微粉WA，粒度W10～5（GB2476—2483—83），用適度的煤油調和，再配以用過的角度比較標準的軸承內圈作研具來研磨主軸錐度，效果良好。這個方法經過多個實例分析總結是可行的Z佳方案，也是本文要討論的核心內容。應該說明的是煤油選擇洗滌煤油即可，雖然各種煤油的質量依次排序降低為：航空、動力、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滑劑具備通過其調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，并有良好的潤滑性能且能起到冷卻作用，無腐蝕，易洗滌。

　　其中，研具可按如圖3a所示的結構制作，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步沿順時針方向旋轉半周，第2步沿逆時針方向旋轉半周，第3步繞整個圓周旋轉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)。

　?。?）根據砂輪主軸的技術要求分析：①1：12錐面用著色法檢查，實際接觸長度與工作長度的接觸比不低于85%且靠近小端：②除螺紋等處外熱處理條件D0.5-900。
　　標注的D0.5-900，其中D為氮化處理代表符號，0.5是滲氮層深度為0.5mm，900為維氏硬度（相當于洛氏硬度68HRC左右）。滲氮的生產率低、成本高，要獲得0.5mm厚的滲層，普通氮化一般需50h左右，也就是說每小時滲層厚只能在0.01mm左右。為使生產周期縮短，采用離子氮化或在NH3的分解氣體中進行氣體氮化等都能提高其生產率。雖然38CrMoAlA材料相對其它軸件材料及熱處理費用偏高，但從材料的優(yōu)良性和砂輪軸使用效果及總體成本的權衡上還是利遠遠大于弊。

　　砂輪主軸采用的材料為38CrMoAlA，是專用于強化氮化的鋼種。所謂氮化處理，也稱滲氮，就是指將工件放在滲氮氣氛中，加熱到500～600℃使工件表面滲入氮原子形成氮化層的工藝過程。

　　38CrMoAlA中含有Al元素與N能形成顆粒細密、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的強化效果Z佳。另外材料中含Mo可以改善鋼的組織，提高鋼鐵強度和韌性，并有消除回火脆性的作用。由此38CrMoAlA砂輪軸經氮化后可以形成外硬內韌的綜合機械性能效果，同時零件抗疲勞強度一般能提高25%～30%左右。還有一定的熱硬性，而38CrMoAlA在經過氮化處理后，在550℃的條件下運行硬度可達915～925HV，在600℃的條件下運行仍有850～870HV，是其它材料無法達到的。

　　值得思考的是在砂輪主軸其滲氮層深度僅為0.5mm，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準，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采用白剛玉微粉WA，粒度W20粗研磨，下一步采用W10半精研磨，Z后采用W5精研磨，這樣研配效果較好。

　?。?）特別強調的是研磨后各個零件務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構內，以防軸承等零件加速損壞。

　　將研磨清潔后的各個零件及軸承等按正常的工藝過程裝配，調試合格后即完成了初步的精密裝配工作。

　　依據設備的出廠要求，雙列向心短圓柱滾子軸承裝配后建議使用鋰基潤滑脂潤滑。軸承常用的潤滑脂有鈣基潤滑脂、鈉基潤滑脂、鈣鈉基潤滑脂、鋰基潤滑脂、鋁基潤滑脂和二硫化鉬潤滑脂等。但經實踐中摸索總結添加白色特種潤滑脂2號效果良好，其性能與適用范圍：產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、機械穩(wěn)定性、膠體穩(wěn)定性和抗水性?？蛇m用于各種精密機床、儀器等潤滑。使用溫度范圍：-20～100℃。產品標準：Q/SYRH2149-2008，為800g/盒袋的盒裝產品，推薦使用。軸承中充填潤滑脂的量，以充滿軸承內部空間的1/2～1/3為適宜。高速時應減少至1/3。過多的潤滑脂將使溫升增高。

　　潤滑脂添加結束后，即可做全面的安裝與調試，并用儀表測量支承外套外徑徑跳等項精度指標，直到合格。

　　3、結語

　　上述整個砂輪主軸的精密裝配過程，主要是指解決滾動軸承式結構中雙列向心短圓柱滾子軸承內圈孔與主軸1：12錐度表面產生角度誤差的措施及具體操作方法，對其中的用料作以詳細說明，是實踐中自行創(chuàng)建的工藝規(guī)程，值得推廣和借鑒。