高精度数控立车用于大型P4级轴承加工

　　内容摘要：本文介绍一种以车代磨生产大型高等级轴承方法，采用高精度数控立车直接精车出满足P4级精度的轴承套圈，车削工件表面粗糙度达Ra0.4μm。
　　关键词：高精度数控立车；以车代磨；大型P4级轴承加工
　　随着国民经济发展，需要大型P5、P4级轴承的地方越来越多，然而大型高等级轴承的加工生产受生产装备和工艺的限制，生产成本高、周期长，轴承价格昂贵，进口的轴承更是天价。通常情况下，大型轴承在机械加工方面主要靠数控立车和立式磨床加工，由于受一般数控立车加工精度所限，给磨加工工序的留量很大，因而磨削加工时间长，效率不高。这里介绍我公司09年推出的高精度数控立车CXK5225WP，加工直径达φ2500mm，加工高度700mm，可以以车代磨加工轴承套圈，车削工件表面粗糙度达Ra0.4μm，车削工件几何精度满足P5、P4级轴承要求。
　　一、高精度数控立车主要技术指标
　　为和一般数控立车区别，这里暂定引入高精度数控立车一词，高精度数控立车的静态刚性、动态刚性要求高于一般数控立车，以满足以车代磨要求。
　　目前机床制造行业立车精度检验执行的标准是：JB-T 4116-1996《单柱、双柱立式车床 精度检验》标准，数控立车精度检验执行的标准是：JB-T 9934.1-1999《数控立式车床 精度检验》标准，摘录其中几项指标如下：

表1

　　从上述立车精度检验执行标准数据来看，以生产直径φ2500mm立车为例，工作台端跳/径跳≤0.03mm即可达到合格要求。但是，若要实现以车代磨要求，生产高等级轴承，只达到立车精度检验标准规定值是不行的，工作台端跳、径跳过大，工作台旋转带动工件一起跳动，致使车削工件表面粗糙度无法达到Ra0.4μm的要求，也无法满足径摆或壁厚差要求。为此，我们在生产高精度数控立车CXK5225WP时，将立车精度检验标准规定值压缩，参见表一右侧栏，其中端跳/径跳值压缩为1/5-1/6作为我们企业内部标准执行，以实现高精度数控立车以车代磨功能。
　　垂直刀架移动对工作台面的平行度G5和垂直刀架滑枕移动对工作台旋转轴线的平行度G6两项指标定在任意200测量长上直线度0.003mm，是考虑到高精度数控立车用于轴承加工时一般相对X轴和Z轴行程在200mm之内来制定的。
　　二、高精度数控立车CXK5225WP主要特点
　　高精度数控立车设计时，融入集成化、模块化设计理念，用CAD进行结构优化设计，采用有限元进行应力分析，铸件筋板布置合理。图一、图二是我们在前期设计时做的大量三维图片其中两张，作设计分析使用。

图1

图2

　　高精度数控立车CXK5225WP基础构件采用高强度、精密铸铁件，运动部件如鞍座、滑枕等，均经过静态力学和动态运动学仿真，大大提高了一次性设计成功率。该机床通过简化、合并等手段，采用定粱结构，把横梁立柱有机融合为一体，使机床大件由原来的数量减少，结合面也随之减少。
　　1、高刚度、高旋转精度工作台
　　高精度数控立车CXK5225WP机床采用超精密、低能耗推力向心组合圆锥滚子轴承，不同于一般的静压圆导轨、主轴轴承的主轴结构，该轴承额定动载荷远远大于工作载荷（C/P值Z小为38.5），具有高精度高载荷特点。超粗主轴、多筋板底座为旋转工作台提供了一高刚度平台。恒温润滑系统，保证工作台长时间稳定运行。
　　2、高刚性横梁立柱结构
　　一般立车采用门式结构，双立柱下端通过螺栓联结在底座侧面，上端用固定横梁通过螺栓联结，升降横梁悬挂在立柱前侧面。各大件相互独立，仅通过螺栓连接，结合面多，装配困难，刚性差，精度难以保证。结合本机床加工对象要求，采用定粱结构，把横梁立柱有机融合为一体，使机床大件由原来的五件变为两件。
　　3、高精度、高动态相应的进给系统
　　高精度数控立车CXK5225WP采用了独立于基础件的滚动滑动复合导轨，既具有滚动导轨轻便、高速、无游隙的特点，又有滑动导轨减震、高载、抗冲击的特点。
　　机床进给驱动部分采用的是高刚性滚珠丝杠，并在其两端施加一定的预拉伸量，充分克服温升和挠曲给传动带来的不利影响。
　　采用海德汉高精度栅尺全闭环控制，两轴联动定位，机床进给精度控制在微米级。
　　总之，我们在设计制造CXK5225WP高精度数控立车时，采用了大量新技术、新工艺和高精度的基础零部件，使得CXK5225WP数控立车具有高精度、高动态性能，满足高等级轴承加工需求。
　　三、使用高精度数控立车CXK5225WP加工轴承范例
　　1、轴承数据公差
　　大型轴承我们这里指轴承内经≥630mm的轴承，为了便于说明，我们摘录FAG轴承样本中部分轴承数据公差，因与几何精度有关的尺寸项目较多，这里各摘录向心球轴承和推力球轴承中一项主要精度数据，括号数据为推论值（作参考），如表二所示：

表二a：向心球轴承（内圈）

表二b：推力球轴承

　　2、生产大型高等级轴承事例
　　成都科华重型轴承有限公司定购新乡日升数控轴承装备公司两台CXK5225高精度数控立车用于大型轴承机加工，科华公司在生产风电1.5MW机组用变浆轴承中，使用高精度数控立车精车变浆轴承套圈，以车削B033.40.1900/P5.02风电变浆轴承内套圈为例（工件外经φ1893.5mm，厚132mm），一批10套，精车后的双桃形沟道的沟底跳动全部＜0.005mm，沟道表面粗糙度达到Ra0.3μm。
　　由于精车后的几何精度很高，根据该公司加工工艺流程，精车后的留量很小，在后序磨削工序中，使用成形金刚砂轮精磨一遍即可（后序工序安排磨序，是使用同一成形金刚砂轮精磨内圈沟和外圈沟，主要目的是为了保证4条沟位相互位置）。
　　参照表二a向心球轴承（内圈）径向摆动Kia值，轴承内径公称尺寸φ1600/2000mm的Kia值，P6级为100μm，无P4级对应值，轴承内径公称尺寸φ630/800mm的Kia值，P4级为20μm。成都科华重型轴承有限公司在批量生产过程中，变浆轴承内套圈沟底跳动全部＜5μm，满足科华公司生产大型P5、P4轴承要求。
　　3、精车高等级轴承一般车削工艺
　　使用高精度数控立车CXK5225WP生产推力球轴承，完全可以实现以车代磨加工P4级轴承，甚至达到P2级几何精度要求，而且加工几乎没有多大难度。
　　以生产高等级推力球轴承为例，轴圈直径φ1250/1600mm，车削工艺大致安排为：
　　a、精车端面基准面，车后基准面端跳＜0.005mm，车轴圈外经；
　　b、翻工件二次装卡；
　　c、车上端面1序（沟道里边），转换工件压板，车上端面2序（沟道外边）；
　　d、硬车球形沟道（CBN圆形刀片）；
　　车后沟底跳动＜0.005mm，沟道表面粗糙度Ra0.3μm；
　　e、精车轴圈内径；
　　采用上述工艺，精车后推力球轴承轴圈的壁厚差＜0.01mm，超过表二b中所示P5级对应的精度值。
　　四、高精度数控立车加工优势
　　1、加工效率高
　　以轴承行业加工风电1.5MW机组用变浆轴承套圈为例，如果采用一般数控立车车后磨削加工，加工一套该轴承套圈所需车、磨时间是18小时以上，采用以车代磨工艺，时间只需4.5小时。在同样加工精度的要求下，采用车加工效率是磨加工的4倍。
　　2、适合小批量多品种需要
　　每个大型轴承订单数量很少，一般3－5套，10－20套，不可能象中小轴承那样，一个订单每个规格数量可成千上万，因此，高精度数控立车很适合大型精密轴承加工。一片CBN圆形刀片可适合很多种球轴承加工，比起砂轮成形磨削能省很多种类砂轮。
　　3、生产成本低
　　以车削B033.40.1900/P5.02风电变浆轴承为套圈为例（工件外经φ1893.5mm，厚132mm），一片韩国产CBN圆形刀片（约800元/片）可精车30多件套圈，每个桃形沟道刀具损耗成本不到10元，远低于成形金刚砂轮磨削或其它砂轮磨削的砂轮损耗成本。
　　4、减少污染
　　比起磨削下来的铁末砂粒，车削下来的铁屑可以很方便处理，作为资源回收利用成本低，减少对环境污染。
　　高精度数控立车用于大型轴承加工，以车代磨，是大型轴承加工趋势，其加工效率高、成本低，传统工艺无法与其抗衡。随着高精度数控立车产品进入市场，在很多方面可以用一台高精度数控立车实现以往的一车、一磨加工，降低工厂建设费用，能带来很大的社会效益。