軸承套圈溝道磨削狀態參數檢測及工藝試驗

鄭 乾，余忠華，李興林，嚴思晗，樓洪梁

(1.浙江大學 現代制造工程研究所，杭州 310027；2.杭州軸承試驗研究中心有限公司，杭州 310022)

滾動軸承套圈溝道為軸承工作時承受載荷的工作表面，溝道加工質量的好壞直接影響到軸承使用性能和壽命。反映溝道磨削質量的指標主要有圓度、表面粗糙度(Ra)以及溝道形狀誤差(wt)等，要獲得高質量的軸承，必須嚴格控制這3項指標值。

通過檢測磨削區的聲發射、功率等信號[1]，應用頻譜分析、神經網絡等[2-4]方法對磨削質量進行分析控制，這些方法能在一定程度上建立被測信號特征參數與磨削質量間的關系。此外，文獻[5]提出諧波理論以解決圓度誤差問題。以上方法從不同角度探討了磨削質量的監控問題，取得了一定的效果。

下面選取磨削砂輪的進給位移和磨床主電動機功率作為監測對象，采用單片機自行研發狀態參數檢測與分析系統，通過正交試驗方法分析了實際進給狀態參數對軸承套圈溝道磨削質量的影響規律，技術成熟、成本低廉、方法簡單有效，為工藝參數的優化提供了有益的理論依據。

1 系統結構分析與設計

套圈溝道磨削進給狀態參數檢測與分析系統包括兩個子系統：檢測系統和分析系統。前者主要完成信號的采集功能，后者主要完成數據的分析功能，兩者通過串行通信的方式實現數據傳輸。

檢測系統采用單片機作為微處理器，配以一定的外圍電路和設備，實現信號采集、曲線顯示、數據存儲、數據通信等功能[6]。其硬件組成如圖1所示。

圖1 檢測系統硬件組成結構圖

其中MCU采用W77E516-40型單片機。軸承套圈溝道磨床的橫向進給機構位移一般不超過3 mm，系統需要位移量精確到1 μm，且只需獲得數據的相對比較值。因此，本檢測系統采用DC09型差動變壓式位移傳感器，其測量范圍為±5 mm，線性誤差為±0.5%；功率傳感器為WB3P412P1，其輸出為直流電壓，可以直接與A/D芯片配接。A/D芯片采用AD976A，該芯片具有16位分辨率，最高采樣速度可達200KSps，本系統采用100Sps為基礎采樣頻率，可變頻率采樣。磨削時進給位移和功率信號經傳感器轉換后先經INA114放大，再接一RC低通濾波器濾除高頻信號[7]后接入A/D芯片。

分析系統運行于上位機中，對信號數據中隱含的特征值進行挖掘和提取，利用數據分析和統計等功能分析信號特征值與溝道磨削質量之間的映射關系。

2 主電動機功率與表面粗糙度及溝形誤差的試驗分析

溝道表面粗糙度主要受砂輪形貌(如硬度、粒度、組織、結合劑等)和磨刃銳利程度的影響，溝道形狀誤差主要受砂輪表面形狀的影響。磨削過程中隨著砂輪的磨損，砂輪表面形貌和形狀會發生改變，直接影響到溝道的表面粗糙度和溝形誤差。

在不同的進給階段，由于進給速度不同，磨削抗力不同，從而使主電動機功率的大小也有所不同；同時，砂輪嚴重磨鈍時，主電動機功率也會隨之陡變。因此，通過主電動機功率可以區分一個循環過程中的不同進給階段，并可以了解砂輪的磨損情況，從而可以進一步分析主電動機功率與溝道表面粗糙度和溝形誤差的關系。

2.1 試驗

2.1.1 試驗條件

試驗使用3MZ143A/1型自動球軸承外圈溝道磨床，加工精度等級E～D級。采用金剛石筆圓弧砂輪修整器，金剛石筆的回轉角度為±70°；工件為空調用608-2RS球軸承(P4)外圈，材料為GCr15，硬度為60～65 HRC；砂輪尺寸規格為Φ18 mm×3.5 mm×4 mm，粒度120#，磨料為MA，結合劑為V，硬度L；磨削液為5號機油；表面粗糙度和溝形誤差檢測采用Taylor Hobson表面輪廓儀；工藝參數中砂輪轉速為48 000 r/min，工件轉速為960 r/min，粗磨量為183 μm，精磨量為50 μm；產品檢驗要求Ra≤0.16 μm,wt≤1.0 μm;試驗前，砂輪經過很好的平衡；其余條件盡量保持穩定。

2.1.2 試驗方案

(1)在相同的磨削用量下進行兩組試驗，每組試驗都以砂輪修整后的第一個工件為首件，連續加工一個修整間隔內的工件。為了使砂輪進入急劇磨損階段，采用較大的砂輪修整間隔。兩組試驗間隔為2 h。磨削參數見表1。

表1 功率與磨削質量關系試驗參數表

(2)粗磨進給速度、精磨進給速度和光整時間是影響表面粗糙度和溝形誤差的主要參數。試驗采用3因素2水平L4(23)正交表，每個因素考察兩個水平[8]。表2和表3分別為正交試驗的因素水平表和試驗表。每組試驗都加工一個修整間隔內的工件，取15個工件質量數據的平均值作為每組試驗的測評數據。

表2 正交試驗因素水平表

表3 正交試驗表

2.2 功率曲線特征分析

圖2所示是實測部分工件(表1中試驗1)在磨削過程中砂輪進給位移以及主電動機功率隨時間變化的曲線。從中可以看出，每一個砂輪進給循環過程中，主電動機功率有相似的變化規律，即砂輪進給一段時間后，主電動機功率開始上升，逐漸達到峰值，在光整階段結束之前下降至平穩狀態。每一次進給過程中主電動機功率也表現出不同的特點，如達到的峰值不同，曲線上升的陡峭程度不同等。功率特征值取一次進給循環中的功率峰值和均值。圖3、圖4分別為兩組試驗過程中主電動機功率峰值和均值的折線圖。

圖2 隨時間變化的位移與功率

圖3 表1試驗1功率特征值

圖4 表1試驗2功率特征值

由圖5、圖6發現，在一個修整間隔內，溝道表面粗糙度和溝形誤差表現出與主電動機功率峰值和均值相似的變化規律，即經歷了平穩波動、緩慢增大和陡峭上升的變化過程。兩次試驗過程中，表面粗糙度Ra值和溝道形狀誤差都在第17個工件處突然變大，與功率峰值和均值的陡峭上升點一致。

圖5 表1所對應的試驗1磨削質量

圖6 表1所對應的試驗2磨削質量

圖7為功率特征值與表面粗糙度、溝形誤差的散點圖和回歸直線，回歸直線方程為：

Pmax=0.000 152Ra-0.039 5

(1)

Pmax=0.001 16wt-0.451

(2)

(3)

(4)

圖7 功率特征值與表面粗糙度及溝形誤差

各回歸方程的相關系數和F檢驗法(取α為0.01)的方差分析見表4，可以看出回歸方程的擬合程度較高。

表4 回歸直線方差分析表

由上述分析可以看出，主電動機功率的峰值和均值變化規律較好地反映出了一個砂輪修整間隔內溝道表面粗糙度和溝形誤差的變化規律。兩次試驗結果顯示：在主電動機功率峰值和均值陡峭上升之前，溝道表面粗糙度Ra值均在0.14 μm以下，溝道形狀誤差wt均在0.8 μm以下，對應的主電動機功率峰值在1 000 W附近，功率均值在950 W附近；在主電動機功率峰值和均值陡增之后，溝道表面粗糙度Ra值超過了0.16 μm，溝道形狀誤差wt超過了1.0 μm，對應的主電動機功率峰值在1 200 W以上，功率均值在1 000 W以上。空調用608-2RS軸承(P4)外圈溝道要求磨削后達到Ra≤0.16 μm，wt≤1.0 μm，試驗磨削條件下，功率峰值和均值陡峭上升的臨界點與其質量控制線有很好的對應關系。

2.3 正交試驗分析

如表3所示，根據每種因素不同水平的指標可以看出：粗磨進給速度和精磨進給速度越小，溝道的表面粗糙度和溝形誤差越好；光整時間越長，溝道的表面粗糙度和溝形誤差越好。計算各因素不同水平間的極差R得：因素A水平間的極差最小，因素C水平間的極差最大，Rc>RB>RA，所以因素對表面粗糙度和溝形誤差影響的主次順序為C>B>A，即光整時間影響最大，其次是精磨進給速度，粗磨進給速度的影響最小。

表面粗糙度和溝形誤差的方差分析見表5和表6，表中列出了各因素的偏差平方和與其占總偏差平方和的百分比，其中粗磨進給速度對表面粗糙度和溝形誤差的影響相對較小，考慮到生產率的因素，可以選用較大的粗磨進給速度。因此，選擇最佳組合為A2B2C2(A因素第2水平、B因素第2水平、C因素第2水平)。

表5 表面粗糙度方差分析表

表6 溝形誤差方差分析表

3 結束語

溝道磨削過程中，主電動機功率峰值和均值的變化規律能較好地反映出砂輪的磨損規律，并且與磨削后溝道表面粗糙度和溝形誤差有很強的相關性；一個進給循環過程中的主電動機功率峰值和均值可以對砂輪的磨損狀態進行監測，并可對磨削過程中表面粗糙度和溝形誤差的惡化進行預報和控制。通過一組正交試驗，以溝道表面粗糙度和溝形誤差為評價目標，可對溝道磨削中的3個進給參數進行優化。在綜合考慮產品質量和生產率的基礎上，確定光整時間2 s，精磨進給速度32 μm/s，粗磨進給速度72 μm/s為最佳的進給參數組合。