D42218N3W圓柱滾子超精加工工藝參數的確定

鄭紅威，賀紅霞，何萌，楊會超，王濤

(1.洛陽LYC軸承有限公司 a.技術中心；b.轉盤軸承事業部；c.軍工精密軸承事業部，河南 洛陽 471039；2.西安交通大學 機械工程學院，西安 710048；3.鄭州航空工業管理學院，鄭州 450015)

滾子作為軸承的關鍵零件，其制造精度和質量的好壞直接影響軸承的動態性能和使用壽命。綜合考慮實用性和經濟性，圓柱滾子多選用圓弧修緣素線滾子，而滾子圓弧與直線交接處(弧坡部分)的圓滑過渡是加工的關鍵[1]。D42218N3W型圓柱滾子即采用圓弧修緣滾子，其外形尺寸為φ16 mm×16 mm，采用8Cr4Mo4V材料，滾子精度等級要求達到Ⅰ級，因此，滾子各項技術要求非常高，需要定制專用的超精輥進行成形加工。

1 滾子超精及常見問題

圓柱滾子超精加工采用細粒度磨料的油石，以低壓、快而短促的往復擺動作用于旋轉工件，在良好的潤滑冷卻條件下降低滾子表面粗糙度值,提高幾何精度。合理的超精加工過程一般分為粗超和精超2個階段，粗超階段采用較低的工件轉速，較高的油石擺動頻率和較大的油石壓力，以達到理想的生產效率；精超階段采用較高的工件轉速，較低的擺動頻率和較小的油石壓力，以達到理想的表面粗糙度要求。結合實際生產情況和現有條件，對圓柱滾子的超精加工一般不超過3次，否則,將會損害其表面粗糙度和幾何精度[2]。滾子表面粗糙度的影響因素及解決辦法見表1。

表1 滾子表面粗糙度的影響因素及解決辦法

2 D42218N3W滾子超精工藝參數的確定

首先檢查機床精度，采用磁力表架和千分表進行檢測，發現機床(3MZ6220)導輥存在0.02 mm的圓跳動誤差，導輥兩端間隙誤差為0.05～0.08 mm，從而嚴重影響了加工精度。因此，檢修導輥后控制機床的圓跳動誤差小于0.005 mm，導輥兩端間隙小于0.015 mm，滿足了機械精度要求(經過多次試驗，可保證滾子加工后圓度ΔCir達到0.3～0.5 μm。

下面主要從切削角、油石的振蕩頻率、振幅、粒度、壓力及工件轉速方面進行滾子工藝參數的分析確定。

2.1 切削角

指瞬時切削速度與工件速度的夾角，根據現場加工統計，切削角一般選用原則為：粗超時，切削量較大，為保證生產效率，切削角為20°～40°；精超時，為保證表面質量，切削角為5°～10°。經過工藝試驗，優化后粗超時切削角為25°，精超時切削角為7°，在保證超精質量的同時，提高了生產效率和油石的耐用度。

2.2 油石振蕩頻率

油石振蕩頻率是決定超精加工效果的關鍵因素之一，其影響比工件轉速和油石振幅更顯著。油石振蕩的目的是使每個磨粒在各個方向都受力，促使油石自銳。油石振蕩頻率提高，磨粒對工件的切削次數增加；頻繁地改變切削方向有利于油石自銳，切削作用加強。但振蕩頻率的提高受超精加工磨頭、機床與工藝系統的剛性及油石振幅的限制，所以振蕩頻率的選擇要根據加工方法的不同，依實際情況而定。經過工藝試驗發現，粗超低頻、精超高頻，可以有效提高超精滾子的表面質量，優化后的油石振蕩頻率為：粗超每分鐘800次；精超每分鐘960次。

2.3 油石振幅

油石的振幅越大，切削作用越強，生產效率越高，但振幅過大，磨粒的運動軌跡產生的網紋將變粗，不利于表面質量的改善。因此，粗超時振幅可選為3～5 mm，精超時振幅要選小一些，一般為1～3 mm。優化后的油石振幅：粗超為3 mm，精超為1 mm。

2.4 油石粒度

油石(磨料)粒度對滾子表面粗糙度和生產效率產生直接影響，并影響工作面表層的金相組織。超精滾子用油石應具有以下特征：(1)磨料鋒利，一般選用白剛玉WA和綠色碳化硅GC。根據磨料特性，氧化鋁磨料適用于加工抗拉強度高的合金鋼材料，碳化硅磨料適用于加工脆、硬性材料。超精加工時，氧化鋁磨料比碳化硅的切削速度快，而碳化硅磨料有較好的自銳性和均勻的切削能力，微弱切削持續時間較長，能獲得更好的表面質量。因此，一般選用白剛玉磨料粗超，綠色碳化硅精超。(2)油石粒度細，油石粒度對滾子表面粗糙度的影響見表2。(3)油石組織較松，油石硬度為50 HRC左右且硬度均勻。(4)油石能夠得到及時修整,油石使用時需修成圓弧面與滾子相接觸，采用油石修整器進行修整，避免人工修整即壓油石成形，影響滾子加工精度。

表2 油石粒度對工件表面粗糙度的影響 μm

通過多次試驗對比，最終確定粗超、精超的磨料粒度選用W10和W7，粗超時粒度為W10的油石主要用于修形和去除磨量，精超時粒度為W7的油石主要用于改善表面粗糙度。

2.5 油石壓力

油石作用于滾子表面單位面積上的壓力越大，磨粒嵌入滾子表面越深，切削作用強，加工效率較高。但壓力過大，磨粒容易脫落，切削作用一直延續下去而無光整階段，影響滾子表面質量，且油石具有臨界現象。如果壓力較小，鈍化的磨粒不易脫落，切削作用降低，不僅不容易去除上工序留下的余量，且油石與滾子之間不容易形成良好的接觸，不利于降低滾子表面粗糙度值和提高生產效率。

優化后確定的粗超油石壓力為0.6 MPa，精超油石壓力為0.2 MPa。

2.6 工件轉速

工件轉速增大，切削作用減弱，生產效率降低，對改善表面粗糙度有利。但工件轉速過高，會引起機床與工藝系統的振動，磨粒容易劃傷工件表面，且上工序的粗糙表面和缺陷不易消除。經過多次試驗對比，確定的粗超轉速為16 m/min，精超轉速為35 m/min。

3 改進效果

根據確定的工藝參數加工D42218N3W圓柱滾子，超精前、后滾子加工精度見表3，滿足了產品技術要求。

表3 超精前、后滾子精度及幾何形狀 μm