高精度柔性球軸承外徑面研磨工藝分析

李兵建，任小中，孟慶偉，馬萬明

(1.河南科技大學，河南 洛陽 471003；2.洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039;3.河南省高性能軸承技術重點實驗室，河南 洛陽 471039；4.滾動軸承產業技術創新戰略聯盟，河南 洛陽 471039)

1 柔性球軸承結構特點

薄壁軸承壁厚較小，當內、外套圈壁厚系數(外圈外徑尺寸與外溝徑尺寸之比D/De、內圈內溝徑尺寸與內徑尺寸之比di/d)K≤1.14 時，應當采取特殊手段對軸承套圈進行保護性加工。其中，軸承根據壁厚系數不同又具體分為薄壁軸承和柔性軸承，1.04

柔性球軸承通常用在諧波發生器機構中(圖1)，該機構的基本組成部件有剛輪、柔輪、柔性軸承和波發生器。其中，波發生器是一橢圓形凸輪，當凸輪嵌入柔性軸承內孔后，整個軸承也變為橢圓形；柔性軸承外圈上裝柔輪。在波發生器作用下，柔性軸承受雙向載荷作用在柔輪內旋轉，迫使柔輪產生連續的彈性變形，柔輪齒與剛輪齒通過橢圓長軸部分的相互嚙合作用達到傳遞運動或動力的目的[2]。

2 外徑面研磨加工方法及存在的問題

2.1 外徑面作用

軸承外圈外徑面是軸承安裝基準面之一，此外，在軸承制造過程中，外徑面也是其他加工工序(內徑、溝道加工等)的定位基準面，其表面形位公差會復映到后續工序中，直接影響相關工序表面的加工精度。

2.2 外徑面研磨加工原理

軸承套圈外徑面經粗、細磨加工后，為進一步提高精度，需要再進行研磨加工，研磨加工能夠明顯提高外徑圓度，為后續加工提供精確而穩定的定位基準。

1—剛輪；2—柔輪；3—柔性軸承；4-波發生器

套圈外徑面研磨加工原理如圖2所示。機床由2個直徑不同、材料為鑄鐵的研磨輥徑向支承，其中，輥棒1水平安裝，輥棒2與水平方向傾斜一定角度，在旋轉時為工件提供軸向動力；研磨時的徑向壓力由機床砝碼提供，成形油石壓緊套圈外徑面，實現自動切入進給，套圈通過貫穿方式實現外徑面的精密研磨加工[3]。

1—輥棒1；2—油石；3—軸承套圈；4—輥棒2

2.3 舉例分析

以某型柔性軸承(深溝球軸承，精度等級為P4)為例，分析柔性軸承套圈外徑面研磨加工。該軸承外形尺寸為非標，寬度和直徑為19系列，軸承內、外圈材料為G95Cr18不銹鋼，外圈壁厚系數1.036，內圈壁厚系數1.04。

2.3.1 柔性套圈外徑面研磨現狀

采用2M1380磨床在現有研磨加工方法下對320件套圈的外徑面進行研磨加工，加工過程中機床運行穩定，研磨加工工藝參數見表1。

表1 研磨加工工藝參數

研磨加工時，為避免出現批量廢品，按照工序間工藝檢驗規程要求，當外徑去除一定余量時，按照圖3所示的工藝要求分別對套圈的外徑尺寸和圓度進行檢測，檢測儀器分別為D051直徑測量儀(比較測量法)和Y9025圓度儀(將柔性套圈粘接在普通套圈端面，以普通套圈端面定位測量，消除磁力影響)。經全部檢測共出現廢品146件，其中，外徑尺寸超差3件，外徑圓度不合格品143件，不合格品率為45.63%，外徑圓度不合格是產生廢品的主要原因。

圖3 外徑研磨工藝要求

2.3.2 原因分析

對于輕窄系列非標柔性軸承[2,4]，該套圈有效壁厚僅0.4 mm，因剛性差，在各工序的切削加工過程中極易變形，使零件的形位公差增大，不易保證零件的加工質量。

分析認為，由于上道工序外徑尺寸散差為0.005 mm，初始研磨階段,外徑尺寸較大的套圈先受到研磨作用，承受較大徑向壓力；外徑尺寸較小的套圈尚未受到研磨或受研磨作用較小，承受較小徑向壓力。研磨過程中，外徑尺寸較大的套圈受到徑向壓力而產生變形，不能滿足工藝要求；如果在現有加工狀態下繼續對套圈進行研磨加工，隨著承受較大徑向壓力套圈數量的增加，廢品數量還將增加。

由于外徑面研磨須在套圈外徑面施加一定的徑向壓力才能完成，而柔性套圈又無法承受足夠大的徑向壓力，盡管研磨時機床的徑向壓力已調整到最小值，但還是超出了柔性套圈所能夠承受的范圍，最終導致研磨精度無法滿足工藝要求。

3 控制方案及效果

3.1 控制方案

柔性軸承加工通常采用的變形量控制方法有：1)在套圈一端面增加加強圈，達到間接提高套圈剛度的目的[1]；2)盡可能增加套圈淬回火前的有效壁厚，減少因套圈淬回火時產生的熱處理變形[5]；3)增加工藝留量，使套圈在整個加工過程中始終保持較強的剛性，以防套圈在后續加工過程中出現變形；4)采用多循環磨削加工方式，減少加工變形，提高套圈的加工精度。但是受加工工序和工藝方案的制約，上述提高柔性軸承套圈剛性、控制加工過程中產生變形的方法在目前的加工工藝參數下均無法采用。因此，為改善現有研磨狀態，必須減小套圈研磨過程中所承受的徑向壓力，或者采用某種方法分擔套圈所承受的徑向壓力。

圖4 改進方案研磨加工示意圖

采用該方案進行一個批次的外徑面研磨加工后，由于配研塊外徑尺寸已經小于同型號待研磨套圈外徑尺寸，因此，配研塊只能一次性使用。

3.2 改進效果

在表1研磨加工工藝參數下，采取增加配研塊的方法對尚未研磨到工藝尺寸的320件套圈重新進行研磨加工，并隨機抽取總量15%的套圈進行外徑尺寸和圓度(濾波2～500 Hz)的檢測，檢測結果見表2。

表2 改進后外徑面研磨測量結果 mm

由表可知，套圈外徑尺寸散差為0.002 mm，實際尺寸值全部滿足工藝要求。其中，第45件套圈外徑圓度為0.001 2 mm，不滿足工藝要求，因此，所抽取樣本中不合格品共1件，不合格率為2.08%。

4 結束語

采用配研塊和柔性套圈同時研磨的控制方案，在研磨過程中，配研塊分擔了部分研磨時的徑向壓力，從而減少了柔性套圈所承受的徑向壓力，保證了研磨過程的穩定性。工藝方案改進后,柔性套圈外徑研磨加工不合格品率由45.63%降至2.08%，滿足生產需求。改進后的加工方案適用于薄壁軸承、柔性軸承外徑面的精密研磨加工，提高了生產效率，降低了加工難度，可向其他類似結構產品推廣。