鋼球自動(dòng)壓裝機(jī)的設(shè)計(jì)

朱克明

（常熟長(zhǎng)城軸承有限公司 江蘇 常熟 215500）

軸承制造過(guò)程中經(jīng)常涉及保持架組件安裝的問(wèn)題.其中將滾動(dòng)體（鋼球、滾子或滾針）裝入保持架的工序，由于各類軸承品種與規(guī)格的差異很大，其通用的保持架組件安裝自動(dòng)化裝備的設(shè)計(jì)比較困難，因此在該類工序中有相當(dāng)部分是采用人工方法安裝滾動(dòng)體.本文結(jié)合某系列特殊推力軸承的鋼球安裝工序，針對(duì)其鋼球數(shù)量多的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)鋼球自動(dòng)壓裝機(jī)，改變了人工安裝的操作方式，提升了該系列軸承制造水平，從而實(shí)現(xiàn)了高效、優(yōu)質(zhì)、低耗的制造要求.

1 鋼球自動(dòng)壓裝機(jī)總體設(shè)計(jì)方案的形成

某系列特殊推力軸承保持架的三維造型[1]及保持架安裝如圖1所示.該保持架需放置43個(gè)φ5 mm的鋼球，以往該工序由人工將鋼球逐個(gè)嵌入保持架.鋼球自動(dòng)壓裝機(jī)的總體設(shè)計(jì)方案考慮了利用鋼球的自重經(jīng)過(guò)一定的路徑導(dǎo)引進(jìn)入保持架的各對(duì)應(yīng)位置，然后利用氣缸的運(yùn)動(dòng)將鋼球壓入保持架內(nèi)，此時(shí)人工在操縱自動(dòng)壓裝機(jī)的同時(shí)完成保持架的取放.由此考慮的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示.

從鋼球自動(dòng)安裝的設(shè)計(jì)要求看，安裝機(jī)構(gòu)需要具備的功能包括鋼球存放、按照保持架鋼球數(shù)量經(jīng)分度后進(jìn)入對(duì)應(yīng)安裝位置、自動(dòng)壓入鋼球、保持架組件取放等.安裝機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本思路是將鋼球由儲(chǔ)存區(qū)進(jìn)入分度盤，然后與調(diào)整盤組合形成鋼球進(jìn)入保持架的對(duì)應(yīng)通道，利用氣缸驅(qū)動(dòng)壓緊爪的下降將鋼球自動(dòng)壓入.隨后由升降氣缸完成安裝機(jī)構(gòu)的升降動(dòng)作，從而方便保持架組件的取放[2].

從操作過(guò)程看，操作者先使升降氣缸1升起，拉出底座5放置保持架，隨后推入圖2所示的鋼球自動(dòng)安裝位置，操作升降氣缸1帶動(dòng)安裝機(jī)構(gòu)下降.此時(shí)處于擋圈3內(nèi)的鋼球經(jīng)過(guò)分度盤7自動(dòng)進(jìn)入調(diào)整盤4內(nèi)，經(jīng)過(guò)對(duì)應(yīng)通道在保持架孔上方就位，隨后壓緊氣缸6帶動(dòng)壓緊爪2將鋼球壓入保持架內(nèi)，接著升降氣缸1將安裝機(jī)構(gòu)提起，操作者拉出底座5取下已裝入鋼球的保持架組件，換上待安裝的下一個(gè)保持架.

圖1 某系列機(jī)床主軸軸承保持架的三維造型及安裝鋼球后的保持架組件

圖2 鋼球自動(dòng)壓裝機(jī)總體結(jié)構(gòu)示意圖

2 鋼球自動(dòng)壓裝機(jī)設(shè)計(jì)中關(guān)鍵參數(shù)的確定

2.1 鋼球壓入力的分析計(jì)算

由于鋼球推進(jìn)由壓緊氣缸驅(qū)動(dòng)壓緊爪的下降運(yùn)動(dòng)完成，因此該力的計(jì)算涉及到氣缸相關(guān)參數(shù)的確定.在已知保持架的尺寸及材料特性的基礎(chǔ)上，可由圖3算鋼球進(jìn)入保持架所需的壓入力.

如圖3a所示，當(dāng)鋼球受到壓入力Fg時(shí)，保持器的窗口會(huì)受到擴(kuò)張力Fz，當(dāng)Fg取合適值時(shí)，鋼球就被壓入保持架窗口內(nèi).

如圖3b所示，取鋼球?yàn)檠芯繉?duì)象，設(shè)Fg為壓入力，F(xiàn)n為保持器窗口給予的反力，該力可在水平和垂直方向分解為Fnx和Fny兩個(gè)分量，其中Fnx的反力就是擴(kuò)張力Fz，可以依據(jù)保持架材料特性和幾何尺寸求出，而Fg與Fnx的關(guān)系則可由圖3b分析確定：

式中：R是鋼球半徑，l是保持架窗口寬度.

考慮到在氣缸帶動(dòng)壓緊爪壓入鋼球時(shí)，若設(shè)被壓入鋼球做初速為零的勻加速運(yùn)動(dòng)，而在此運(yùn)動(dòng)過(guò)程中考慮保持架給予鋼球兩側(cè)的摩擦力的影響，實(shí)際的動(dòng)壓入力F應(yīng)有：

式中：Fg1是考慮壓入運(yùn)動(dòng)中單個(gè)鋼球的動(dòng)壓入力，

N是保持架組件所需的鋼球數(shù)，

m是單個(gè)鋼球的質(zhì)量，

a是壓緊爪下降的加速度，

Ff是單個(gè)鋼球在壓入運(yùn)動(dòng)中受到的摩擦力.

綜合式（1）與式（2）就可以確定壓緊氣缸的缸徑相關(guān)數(shù)據(jù).

圖3 鋼球壓入力的分析計(jì)算

2.2 保持架安裝底座定位彈簧的分析計(jì)算

圖4中的底座為安裝保持架所用，設(shè)計(jì)時(shí)考慮了保持架需定位準(zhǔn)確以便其推入鋼球壓入位置時(shí)能保證鋼球沿指定路徑進(jìn)入保持架對(duì)應(yīng)孔上方.該底座的定位設(shè)計(jì)利用了保持架上沿圓周均分的三個(gè)鋼球位置孔，在底座的上述位置設(shè)置三個(gè)彈簧定位圓柱（見(jiàn)圖5a）.當(dāng)保持架放置于底座時(shí)，以該三個(gè)彈簧定位圓柱定位；而當(dāng)壓入動(dòng)作到來(lái)時(shí)，彈簧受壓縮而讓鋼球進(jìn)入保持架內(nèi)；當(dāng)壓入動(dòng)作完成，壓緊爪上移時(shí)，彈簧部分恢復(fù)而抬起一定高度，以方便操作者取下保持架組件.

由于彈簧在鋼球被壓入時(shí)受壓縮，而當(dāng)壓入后壓緊爪上升撤去壓緊力后，彈簧需將保持架組件頂起以方便取下，由圖5分析可得到彈簧彈性系數(shù)k的取值范圍.

設(shè)圖5b為鋼球壓入時(shí)的平衡狀態(tài)，則

式中：Gb1是單個(gè)鋼球的重量，x是在平衡狀態(tài)時(shí)彈簧壓縮的長(zhǎng)度.

設(shè)圖5c中當(dāng)單個(gè)鋼球的推進(jìn)力Fg1撤去后，彈簧力Fk應(yīng)能將已裝入全部鋼球的保持架組件彈起一定距離，設(shè)此時(shí)彈簧壓縮的長(zhǎng)度為x1，則有

式中：Gb是1/3保持架組件（鋼球已裝入）的重量，x1是在彈起狀態(tài)時(shí)彈簧壓縮的長(zhǎng)度.

綜合上述分析可得彈簧彈性系數(shù)k選取的范圍為：

圖5 彈簧彈性系數(shù)選擇的分析計(jì)算

2.3 氣缸及氣動(dòng)系統(tǒng)主要參數(shù)的確定[3]

在鋼球自動(dòng)安裝機(jī)中設(shè)置了兩個(gè)氣缸（見(jiàn)圖2），其中壓緊氣缸的缸徑選取主要依據(jù)單個(gè)鋼球的壓入力Fg1和鋼球總數(shù)的乘積，本例中氣缸帶動(dòng)的壓緊爪如圖6所示，由此可確定其氣缸的工作負(fù)荷F=43 Fg1；而升降氣缸缸徑的確定則需考慮整個(gè)安裝系統(tǒng)（包括鋼球存儲(chǔ)區(qū)、分度盤、調(diào)整盤、壓緊爪以及壓緊氣缸等）重量來(lái)確定其工作負(fù)荷.

當(dāng)此時(shí)氣動(dòng)系統(tǒng)的壓力參數(shù)確定時(shí)，可獲得兩者的氣缸缸徑，相應(yīng)地可獲得氣動(dòng)系統(tǒng)（如管道及控制閥等）的其他參數(shù).

圖6 壓緊爪

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于類似機(jī)床主軸用的一些滾動(dòng)體數(shù)量較多的特殊軸承，特別是具有一定批量和具備一定產(chǎn)品系列的制造過(guò)程，設(shè)計(jì)滾動(dòng)體自動(dòng)安裝機(jī)械是一種較為經(jīng)濟(jì)而有效的保持架組件裝配方案.由于各類軸承的種類及規(guī)格繁多，故該類設(shè)計(jì)方案應(yīng)建立在對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和要求充分理解以及熟練應(yīng)用工程力學(xué)和機(jī)械設(shè)計(jì)理論以及相關(guān)控制理論的基礎(chǔ)上，力爭(zhēng)使?jié)L動(dòng)體自動(dòng)安裝機(jī)械的設(shè)計(jì)具有一定的產(chǎn)品覆蓋范圍，更好地提升其整體技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能.本例中的鋼球自動(dòng)壓裝機(jī)考慮了鋼球直徑及數(shù)量分布的一定范圍，在此范圍內(nèi)只要更換分度盤、調(diào)整盤及壓緊爪，就可以應(yīng)用于其他參數(shù)的同類軸承的保持架組件的自動(dòng)裝配.實(shí)際運(yùn)用結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的鋼球自動(dòng)壓裝機(jī)安裝調(diào)整方便，裝配效率高且質(zhì)量穩(wěn)定，具有一定的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì).

[1]潘毅.CAXA模具設(shè)計(jì)與制造指導(dǎo)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004：104-144.

[2]機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)編委會(huì).機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007：1128-1186.

[3]王文斌.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（第3卷）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007：127-164.