UG在高精度球轴承模削中的应用

一、前言

精密球轴承在军、民产品中都有广泛的运用。由于技术封锁等原因,国内精密球轴承市场处于供不应求的局面,甚至在一些高端紧密球轴承领域处于空白状态。如何制造精度高、经久耐用的球轴承一直是国内、国际广大轴承厂家乃至科研机构努力解决的难题之一。

美国UGS公司出品的UG软件是一款集CAD/CAM/CAE于一身的高端三维CAD软件。其中包含零件设计、二维工程图、零件加工和仿真以及有限元分析等模块。通过模块之间的无缝集成,实现了零件的三维信息在设计、数控加工以及有限元分析模块之间的共享,具有设计修改方便,更新迅速等特点。

在本文中,我们以一种高精度球轴承内圈的磨削加工为例,通过UG对其进行三维造型,然后进行必要的有限元分析,确定种合理的加工工艺。最终采用数控外圆磨床通过数控插补的方式来实现高精度球轴承的磨削生产,并且通过UG软件编制了数控磨削程序。该球轴承内圈尺寸如图1所示,从图中可以看到,该零件具有很高的尺寸公差和形位公差要求,都在μm级以内,而且表面粗糙度要求也很高,在Ra0.2μm以内。

二、球轴承插补磨削原理及其几个关键问题

球轴承插补磨削原理如图2所示。工件坐标系由X、Z轴构成,工件旋转轴为Z轴,工件径向为X轴。砂轮带圆角,绕着自身径向旋转。通过磨床X、Z轴插补对圆弧段AB进行磨削,完成球轴承内圈外球面的磨削。整个过程与数控车床进行球面车削类似,不同之处在于外圆磨在圆弧段AB插补磨削的过程中砂轮绕自身轴旋转。在对圆弧段AB进行磨削时,为了在第二象限磨削时避开工件干扰,砂轮轴需要旋转一个角度α,角度α大小由B点所处的位置通过相切关系计算得出。

图2球轴承插补磨削原理图

通过以上分析知道,通过数控插补即可完成球面的磨削,所以只要磨床传动系统的运动精度高,数控系统的误差控制在轮廓允许误差范围之内,就可以磨削出符合要求的高精密球轴承。其他的关键问题就是球轴承磨削装夹工装、磨削过程中砂轮的损耗补偿、数控程序的编制以及环境温度控制等等。

2.1磨削装夹的确定

考虑到球轴承零件的尺寸要求,该零件的装夹方式有两种:预置工艺夹头和芯轴装夹。如图3所示。这种装夹方式的最大缺点就是在夹持工件时会因夹持力产生变形。为了考察夹持力对工件变形的影响,采用UG自带的结构有限元模块对该球轴承的受力进行了分析。首先对球轴承的毛坯进行三维造型,其三维造型如图4所示。在进行分析之前对工件受力边界条件以及受力面积进行了简化。分析后的工件的变形如图5所示。从图中可以看出,在正常装夹力的作用下,工件最大处(接触面)的变形只有7.504X10-5mm,球轴承内圈部分基本上没有变形。从理论上论证了采用工艺卡头的可行性。

图3球轴承内圈磨削工艺夹头

图4带工艺夹头球轴承

图5工艺夹头受力分析

由于零件形位公差要求严格,通过比较两种装夹方式的优缺点,采用预置工艺夹头的方式来对零件进行装夹,

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