1. 前言

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

美國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。其中包含零件設計、二維工程圖、零件加工和仿真以及有限元分析等模塊。通過模塊之間的無縫集成，實現(xiàn)了零件的三維信息在設計、數(shù)控加工以及有限元分析模塊之間的共享，具有設計修改方便，更新迅速等特點。

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UG對其進行三維造型，然后進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)控外圓磨床通過數(shù)控插補的方式來實現(xiàn)高精度球軸承的磨削生產(chǎn)，并且通過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. 球軸承插補磨削原理及其幾個關鍵問題

球軸承插補磨削原理如圖2所示。工件坐標系由X、Z軸構成，工件旋轉軸為Z軸，工件徑向為X軸。砂輪帶圓角，繞著自身徑向旋轉。通過磨床X、Z軸插補對圓弧段AB進行磨削，完成球軸承內(nèi)圈外球面的磨削。整個過程與數(shù)控車床進行球面車削類似，不同之處在于外圓磨在圓弧段AB插補磨削的過程中砂輪繞自身軸旋轉。在對圓弧段AB進行磨削時，為了在第二象限磨削時避開工件干擾，砂輪軸需要旋轉一個角度α，角度α大小由B點所處的位置通過相切關系計算得出。

通過以上分析知道，通過數(shù)控插補即可完成球面的磨削，所以只要磨床傳動系統(tǒng)的運動精度高，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]。其他的關鍵問題就是球軸承磨削裝夾工裝、磨削過程中砂輪的損耗補償、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就是在夾持工件時會因夾持力產(chǎn)生變形。為了考察夾持力對工件變形的影響，采用UG自帶的結構有限元模塊對該球軸承的受力進行了分析。首先對球軸承的毛坯進行三維造型，其三維造型如圖4所示。在進行分析之前對工件受力邊界條件以及受力面積進行了簡化。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格，通過比較兩種裝夾方式的優(yōu)缺點，采用預置工藝夾頭的方式來對零件進行裝夾。
2.2砂輪損耗的補償

砂輪損耗以及砂輪損耗的補償也是在磨削中需要解決的關鍵問題之一。在磨削的過程中，砂輪的圓弧段與球軸承接觸，導致砂輪磨損嚴重磨損，以致球軸承的外形呈橢圓形。要解決這個問題，就要采取措施減少砂輪的磨損，或者在每一次磨削后對砂輪進行修整，保證其外形的一致性。通過機床的修整功能來實現(xiàn)砂輪的實時修整以及損耗補償。通過編制程序，讓機床在砂輪每完成一次磨削就對其進行修整，并設定修整量，記錄并在數(shù)控程序中進行補償。

2.3數(shù)控程序的編制

在編制數(shù)控程序之前，首選要熟悉機床的數(shù)控系統(tǒng)以及坐標系的設定。該機床的的坐標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，進入加工模塊，設置相應的參數(shù)，即可生成刀具軌跡文件，然后用法拉克后處理器進行后置處理成為法拉克格式的數(shù)控代碼，即可進行加工。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，溫度的變化給工件帶來最終尺寸的影響很小，因此一般都可以忽略。但是當所加工的零件尺寸精度要求很高時，環(huán)境溫度對工件尺寸精度的影響就非常大，因此對環(huán)境溫度的控制至關重要。因此，采用UG中的有限元模塊，模擬環(huán)境溫度變化對球軸承外形的影響。設定加工環(huán)境溫度20o，所加載的溫度負荷為1o，觀察溫度變化1o對工件外形產(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。在此基礎上，溫度每增加一度，工件變形量也相應成倍增長。因此，為了保證工件的外形尺寸能夠達到要求，需要對加工過程中的環(huán)境溫度進行控制。

3. 磨削實例

在實例加工中，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，磨削主軸最高轉速60000rpm，在本加工中使用40000rpm，C軸轉速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行磨削得到的球軸承內(nèi)圈，采用三坐標測量機進行各個尺寸的計量。結果顯示，通過這種方法得到的尺寸精度基本滿足圖紙要求。

4. 結束語

通過UG軟件對球軸承進行造型并進行前期的有限元分析，確定了通過數(shù)控外圓磨床數(shù)控插補完成球軸承的磨削。并且通過UG進行溫度有限元分析，控制影響球軸承尺寸精度的關鍵因素。制造出來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。