轴承磨床在机退磁装置设计

作者简介:王红军(1952-),男,河南省洛阳市人,实验师收稿日期:2001-09-18
文章编号:1000-5080(2002)02-0036-04
轴承磨床在机退磁装置设计
王红军1,张　凯2
(1.洛阳工学院机电工程系,河南洛阳471003;2.黄河水利职业技术学院,河南开封475001)
摘要:在分析轴承套圈在机退磁原理和方法的基础上,提出了一种在机退磁装置的新设计,该设计摒弃了现有的机下交流退磁方法,它由单片机控制,用矩形脉冲波在电磁夹具上对轴承套圈在机退磁,具有退磁效果好,减少生产环节,降低生产成本等优点。

关键词:滚动轴承;轴承套圈磨床;退磁中图分类号:TH133.33 文献标识码:A
0　前言
退磁在轴承磨削加工中是一个不可缺少的生产环节,虽然它不直接改变零件的几何形状和加工精度,
但会影响后续工序的加工精度和产品的最终质量。

近些年来,退磁方法和工艺有了许多改进,但到目前为止,国内轴承厂对轴承套圈退磁基本没有摆脱机下交流退磁的方式。

本文介绍的轴承磨床在机退磁装置由单片机控制,用矩形脉冲波在电磁夹具上对轴承套圈退磁。

该装置在生产中使用可减少生产环节,节省电能,降低生产费用,提高产品质量。

磨削内径>20mm 、外径<200mm 轴承套圈的磨床添加该装置后,可使轴承磨本身具有退磁功能,套圈磨削后就达到国家标准中的残磁技术要求。

1　轴承磨床在机退磁装置的设计
在机退磁是指使用电磁夹具的轴承磨床,对轴承套圈磨削后,在磨削位置利用磨床本身的退磁功能即时进行退磁,使轴承套圈从磨床下来后残磁强度即可达到国家标准规定的技术要求。

本文设计的在机退磁装置是一种可使普通轴承磨床具有在机退磁功能的电子装置。

1.1　利用电磁夹具对轴承套圈退磁[1]
在一个磨削加工循环内,从上料开始到磨削完毕砂轮开始退出这段时间,轴承套圈需要电磁夹具夹紧,此时电磁夹具的线圈处于工作状态。

从砂轮退出到下料结束这段时间,套圈不需夹紧,电磁夹具线圈不工作。

在机退磁装置利用电磁夹具线圈不工作的这断时间,在砂轮开始退出时切断直流励磁电源后立即换成退磁电源,将套圈在电磁夹具上退磁。

退磁所用的时间正好是套圈在电磁夹具上等待砂轮退出的时间,所以不延长加工循环时间。

如图1所示,从开始上料到砂轮开始退出这段时间控制开关处于1的位置,电磁夹具的线圈与直流电接通,产生吸附套圈的磁场。

磨削完毕,砂轮开始退出,同时控制开关转到2的位置,线圈与退磁电源接通,对套圈退磁。

砂轮退出后退磁也已完毕,磨床可执行下料动作。

1.2　采用矩形脉冲序列作为退磁电源
退磁实际上是把轴承套圈置于极性交变、强度逐渐衰减至零的磁场中,使套圈的剩磁逐渐降低至符合
第23卷第2期2002年 6月洛　阳　工　学　院　学　报
Journal of Luoyang Institute of T echnology
V ol.23　N o.2June 2002
技术要求的范围。

在机退磁装置对套圈退磁时是向电磁夹具线圈输送一组正反交替变化、幅值一致、脉冲宽度逐渐减小的矩形脉冲序列,电磁夹具因此而产生极性交替变化、强度逐渐衰减至零的磁场,从而使在电磁夹具上的套圈的剩磁逐渐降至最低。

图2a 是实验所用矩形脉冲序列的波形图。

矩形脉冲序列中每个脉冲作用于线圈时电流响应的函数表达式为:
i (t )=
U m R L [1+exp (-
R L
L
t )](1)
式中　U m 是脉冲的电压值;R L 、L 分别是电磁线圈的
阻抗、电感。

每个脉冲结束后线圈中自感电流的表达式为:
i (t )=I m exp (-R L
L
t )(2)
式中　I m 是脉冲结束时线圈中的电流。

根据式(1)和式(2),可求得矩形脉冲序列作用于线圈时电流的响应曲线。

如图2(b )所示,线圈中通过
的是逐渐衰减的交变电流。

由环路定理[2]可知,磁场强度H =4
πNI/L 0,当电磁夹具的线圈匝数N 和磁路的长度L 0一定时,磁场强度仅与电流成正比关系。

因此,当线圈流过逐渐衰减的交变电流时,电磁夹具就
产生正反交变、强度逐渐衰减的磁场。

需要注意的是:磁场正反交变的次数k 和磁场强度每次衰减的比率δ与套圈的退磁效果有密切的关系。

k 值选的大,δ自然就小,退磁的效果就好,但退磁所用的时间长。

若k 值小,δ值就大,磁滞回线有可能回不到原点,退磁效果就差。

要想得到理想的退磁效果,就需合理的选择k 和δ。

2　矩形脉冲波的参数设计
矩形脉冲序列的参数包括脉冲的数量、正反脉冲的电压幅值、单个脉冲的宽度及正反脉冲的间隙时间。

2.1　矩形脉冲序列参数设计原理及方法矩形脉冲序列作为电磁夹具的退磁电源,其电参量必须根据电磁夹具退磁时所需的磁参数来设计,具体方法如下。

(1)测量套圈在电磁夹具上的磁化曲线[3]。

通过实验测出套圈在电磁夹具上的磁化曲线,根据直流励磁电流计算励磁时的磁场强度H 0,从磁化曲线中找出对应的B 0。

H 0是磨床磨削时电磁
线圈的磁场强度,B 0是套圈磨削时的磁感应强度。

如图3所示。

(2)求衰减磁场的峰值强度。

将磁感应强度从0至B 0均分为B 0、B 1、B 2、…,B K ,根据图3的磁化曲线找出对应的磁场强度H 0、H 1、H 2、…,H K 。

B i 是退磁时的磁感应峰值强度,H i 是退磁时的磁场峰值强度,K 是脉冲数量。

(3)求线圈电流的峰值。

根据公式H =4πNI/L 0,求电磁夹具产生各个磁场峰值强度H i 时线圈所需峰值电流I 1,I 2,I 3,…,I K 。

(4)求脉冲电压幅值。

根据第一个峰值电流I 1和电磁线圈的阻抗,计算矩形脉冲序列的电压幅值U m 。

(5)求各个脉冲的宽度。

按脉冲的电压幅值U m ,作电流的响应曲线,计算电流I 1、I 2、I 3、…,I K 对应的响应时间t 1,t 2,t 3,…,t K ,t i 即是矩形脉冲序列中各个脉冲的宽度,如图4所示。

(6)通过实验选择合理的参数。

选取不同的K 值,按前述方法计算电压幅值和脉冲的宽度,分别作退磁实验。

选退磁效果好K 值较小的一组矩形脉冲列脉冲参数作为最终使用参数。

2.2　设计矩形脉冲序列参数的简化方法
上述设计方法中,测量电磁夹具的磁化曲线是比较困难的。

考虑到电磁夹具工作时的最大磁场感应强度远离饱和区,其磁化曲线接近线性,因此可将磁化曲线按线性看待。

这样,设计就大为简化,只需根据
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王红军等:轴承磨床在机退磁装置设计
K 值将退磁时线圈的峰值电流按均匀衰减求出,计算
出其响应时间即可。

为了保证磁滞回线能回到原点,
适当增加K 值以弥补按线性处理造成的误差。

用简化方法,本文根据MZ 208磨床电磁线圈的参数,选K =8～15设计了8种矩形脉冲序列参数,在MZ 208磨床上做对比实验。

实验表明:K 值在10以上,套圈的最大残磁均在合格范围,残磁的分散度较小,说明退磁效果好,表1是K =10的计算参数。

K 值为8和9时残磁的分散度较大,少数套圈残磁不合格。

根据上述实验结果将表1的参数适当调整,并取K =12,最终确定的矩形脉冲序列的参数见表2。

表1　按K =10计算的脉冲序列参数
脉冲序号
励磁12345678910脉冲电压/V 110100100100100100100100100100100峰值电流/A 0.733
0.6660.5990.5330.4660.3990.3330.2660.1990.1330.066脉冲宽度/s
0.084
0.028
0.021
0.015
0.011
0.008
0.006
0.004
0.003
0.001
表2　取K =12确定的矩形脉冲序列参数
脉冲序号励磁
123456789101112脉冲电压/V 110100100100100100100100100100100100100峰值电流/A 0.7330.6660.5990.5330.4720.3960.3210.2590.2240.1860.1450.1010.052脉冲宽度/s
0.084
0.028
0.020
0.015
0.011
0.008
0.006
0.005
0.004
0.003
0.002
0.001
注:电磁夹具供电电压为110V ,线圈阻抗为150
Ω,直流电感为1.83H.2.3　确定正反脉冲的间隔时间
正反向脉冲的时间间隔是指在两个不同向的脉冲之间确定一段不对线圈供电的时间,用于线圈施放
存储的磁能,并防止换向时电源短路。

该参量仅与线路安全有关与退磁效果无关。

设计时可根据公式(2)计算出脉冲结束时的电流响应时间,并将计算值适当放长。

本设计中该参数取0.02s 。

3　电路原理
在机退磁装置由时序控制电路、变流换向电路、输入输出电路及电源电路组成,如图5所示。

(1)变流换向电路。

变流换向电路工作原理如图6所示。

图中SSR1-SSR4是4个用于换向
的固态继电器[4]。

SSR1和SSR4为一组,用于控制反响脉冲与线圈接通,受控于单片机P0.1口;SSR2和SSR3为另一组,用于控制正向脉冲与线圈接通,受控于单片机P0.2口。

D1～D4是4个反馈二极管,在电路反复换向时,用于释放线圈储存的磁能。

(2)脉冲控制电路。

脉冲控制电路是以单片机为主的信号控制电路。

P0.0口是输入端,磨床砂轮开始
退出时发出信号,送入P0.0口。

单片机接收到信号后,开始执行控制程序,由P0.1口和P0.2口分别向两组固态继电器发出控制信号,分别向线圈输出电压和反向电压,图7是P0.1口和P0.2口的信号波形图。

(3)输出输入电路。

输入输出电路是在机退磁装置与轴承磨床连接的电路。

实验所用的MZ 208磨床
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2002
通过交流接触器接通和关断电磁线圈的励磁电源,原电路中使用两组常开触点接通励磁电源,常闭触点没有使用。

在机退磁装置利用两组常闭触点做输出接口。

如图4所示,当电磁卡具励磁时,常开触点接通,常闭触点关断,励磁电源与电磁线圈接通。

砂轮退出时,常开触点关断,常闭触点接通,退磁电源与电磁线圈接通。

退磁完毕,退磁电路自动截止,所有固态继电器都关断,电路处于等待状态。

输入接口由一组常闭触点在退磁电源与电磁线圈接通的同时向脉冲控制电路发出启动信号,脉冲控制电路开始产生退磁脉冲。

(4)直流电源电路。

直流电源电路由两部分组成,一部分为换向电路提供的100V 直流电源,另一部分是向脉冲控制电路提供5V 稳压电源。

4　实验结果与结论
为了考核在机退磁装置的实际退磁效果,在MA208磨床上用200个6206轴承内圈做退磁实验,经
检测磨削后套圈的最大残磁均在0.5mT 以下,其中71%的最大残磁在0.4mT 以下。

且磨削时间机电功率消耗均没有增加。

理论分析和实验证明:本文设计的在机退磁装置用于生产可提高退磁质量,减少生产环节,节省电能,降低生产费用。

该装置可用于旧机床增加退磁功能,也可在设计新机床时使用,以提高机床品位。

参考文献:
[1]　王红军.利用电磁无心夹具对工件退磁的电路设计[J ].轴承,1997,(12):11-14.[2]　邹继斌.磁路与磁场[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1998.
[3]　盖荣权.微机自动测量铁磁物质的磁化曲线[J ].集美大学学报,1997,(4):70-73.[4]　何希才.现代电力电子技术[M].北京:国防工业出版社,1996.
De sign of On 2Line Demagnetization Device for Bearing 2ring G rinder
WANG H ong 2Jun 1,ZHANG K ai 2
(1.Dep.of Mech.&E lectr.Eng.,Luoyang Inst.of T echnol.,Luoyang 471003,China ;2.Y ellow River C onservancy T ech.Inst.,K aifeng 475001,China )
Abstract :Based on the analysis of principle and methods of on 2line demagnetization for bearing 2rings ,an on 2line demagnetization device for bearing 2ring grinder was designed.With the abandonment of off 2line AC demagnetization method,the device is controled by microprocess or ,and the on 2line demagnetization of bearing 2rings is carried on electro 2magnetic tongs by rectangular pulse.It has such advantages as g ood efficiency of demagnetization ,reducing production rings and lowering production cost and s o on.
K ey words :Antifriction bearings ;Bearing 2ring grinders ;Demagnetization
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王红军等:轴承磨床在机退磁装置设计。