對(duì)數(shù)曲線輪廓滾子加工工藝及檢測(cè)方法

劉旗，高武正，王夢(mèng)茵

(1.洛陽(yáng)軸研科技股份有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039；2.河南省高性能軸承技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽(yáng) 471039；3.滾動(dòng)軸承產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，河南 洛陽(yáng) 471039)

從圓錐和圓柱滾子軸承最基本的性能參數(shù)“基本額定動(dòng)載荷和額定壽命”的計(jì)算方法看，適用條件是“滾子與滾道的接觸處應(yīng)保證應(yīng)力分布均勻”[1]，現(xiàn)有滾子加工工藝中，為減少工序并節(jié)省成本，基本上采用內(nèi)、外圈滾道為直素線(Pt值越小越好，不允許內(nèi)凹)，僅在滾子滾動(dòng)表面帶凸度的方法。由于凸度問(wèn)題的復(fù)雜性,在滾子凸度設(shè)計(jì)、加工和檢測(cè)技術(shù)方面，仍然存在許多難題沒(méi)有解決。

滾子外徑素線的對(duì)數(shù)曲線輪廓一般通過(guò)最終工序——超精(配置合適導(dǎo)輥)來(lái)獲得[2]，精度要求不高或凸度值要求較大時(shí)，通常采用切入式磨削法(修整砂輪)，表面粗糙度值達(dá)不到時(shí)可增加光飾工序。

滾子輪廓檢測(cè)方法有一般儀器檢測(cè)(現(xiàn)場(chǎng)加工)和計(jì)量?jī)x器檢測(cè)。圓錐滾子對(duì)數(shù)素線現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)可用D744儀器檢測(cè)(輔助測(cè)量)；計(jì)量?jī)x器檢測(cè)一般采用形貌儀(輪廓儀)直接測(cè)量獲得，分析時(shí)需要注意相關(guān)參數(shù)的選取得當(dāng)。

1 對(duì)數(shù)曲線輪廓加工工藝及設(shè)備

1.1 切入磨

切入式磨削法中，滾子對(duì)數(shù)曲線輪廓和凸度量取決于砂輪和導(dǎo)輪工作面輪廓的形狀和修整精度。目前國(guó)內(nèi)切入磨設(shè)備MK11150的基本原理為：采取滾子小端面中心(點(diǎn)定位)及外徑面定位，磨削時(shí)，滾子只做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，不做軸向運(yùn)動(dòng)。將砂輪修成凹形(依據(jù)精度要求采用1段弧、3段弧、5段弧等進(jìn)行修整),適當(dāng)調(diào)整導(dǎo)輪角度、導(dǎo)板高度及導(dǎo)輪自身回轉(zhuǎn)角度,使其磨削凸度達(dá)到工藝要求。優(yōu)點(diǎn)是通用性較好，無(wú)需特別工裝；難點(diǎn)在于如何精確地模擬出要求的對(duì)數(shù)曲線輪廓。而且其屬于單粒磨削加工，效率偏低，比較適合小批量高精度生產(chǎn)?？梢酝ㄟ^(guò)增加自動(dòng)上下料裝置，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，間接提高加工效率，保證批次質(zhì)量穩(wěn)定性。

國(guó)外高精度外徑磨床S125的基本原理為：采用小端面(面定位)及外徑面定位，導(dǎo)輪傾斜一定角度，砂輪中心和工件中心在同一水平線上，導(dǎo)輪相對(duì)下沉一定距離h(由內(nèi)置軟件依據(jù)現(xiàn)有砂輪、導(dǎo)輪尺寸等精確計(jì)算進(jìn)行調(diào)整)，可以同時(shí)磨削外徑面和球基面。難點(diǎn)在于程序需要輸入300個(gè)左右的坐標(biāo)點(diǎn)來(lái)確定對(duì)數(shù)曲線輪廓；設(shè)備采用自動(dòng)上下料，穩(wěn)定性較好，更換零件時(shí)需要配備全套工裝(上下料、砂輪、導(dǎo)輪、托板等)；費(fèi)用昂貴且工裝精度要求較高，尤其適合固定產(chǎn)品高精度批量化生產(chǎn)。

1.2 超精研

超精研加工一般是指在良好的潤(rùn)滑條件下，被加工工件按規(guī)定的速度旋轉(zhuǎn)，油石按規(guī)定的壓力彈性地壓在工件的加工表面上，并在垂直于工件旋轉(zhuǎn)方向按一定規(guī)律作往復(fù)振蕩運(yùn)動(dòng)的一種能夠自動(dòng)完結(jié)的光整加工方法[3]。滾子外徑超精主要分為2種：無(wú)心貫穿式和切入式、疊加式超精。

1.2.1 無(wú)心貫穿式超精

貫穿式屬于多工位加工(高達(dá)10個(gè)工位)，滾子在一副導(dǎo)輥中間定位，油石振蕩貫穿式超精，加工效率較高。根據(jù)滾子運(yùn)動(dòng)軌跡及姿態(tài)分為磨直研凸和磨凸研凸：磨直研凸是指超精前將外徑磨為直線，超精成對(duì)數(shù)輪廓；磨凸研凸是指超精前外徑磨為帶有凸度值的對(duì)數(shù)曲線輪廓，通過(guò)超精來(lái)改善表面粗糙度、圓度等參數(shù)，不破壞形狀。優(yōu)點(diǎn)：調(diào)整完成后，生產(chǎn)效率高，目前在國(guó)內(nèi)普遍使用，特別是針對(duì)固定型號(hào)產(chǎn)品的大批量生產(chǎn)；缺點(diǎn)：1.2 m長(zhǎng)導(dǎo)輥目前國(guó)內(nèi)只有少數(shù)企業(yè)(如濮陽(yáng)貝英等)的高精度導(dǎo)輥磨床可以加工，導(dǎo)輥設(shè)計(jì)不完全成熟，需要1～3次試超精加工來(lái)進(jìn)行返修，生產(chǎn)周期受制約；對(duì)于小批量滾子，導(dǎo)輥價(jià)格過(guò)于昂貴。

1.2.2 切入式或疊加式超精

與無(wú)心貫穿式超精相對(duì)應(yīng)的是切入式超精，如索菲娜超精機(jī)778/2采用雙工位加工，即預(yù)加工和光整加工。每個(gè)工位分為3個(gè)循環(huán)：粗加工、精加工、光整，3個(gè)循環(huán)運(yùn)行時(shí)，工件轉(zhuǎn)速、振蕩頻率、油石壓緊力和循環(huán)時(shí)間自動(dòng)變換。切入式是指采用寬油石(與工件寬度相當(dāng))，振蕩超精，無(wú)往復(fù)運(yùn)動(dòng)；疊加式是指采用窄油石(依據(jù)工件高度選擇)，疊加往復(fù)和振蕩運(yùn)動(dòng)(具有高振幅、低頻率和不同停留時(shí)間的數(shù)控調(diào)節(jié)的垂直疊加沖程)，如圖1、圖2所示。

圖1 相關(guān)參數(shù)輸入界面Fig.1 Input interface of related parameters

圖2 疊加沖程參數(shù)輸入界面Fig.2 Input interface of stroke superposition

加工時(shí)根據(jù)超精前外徑素線輪廓(直線或?qū)?shù)曲線)的具體情況，如滾子長(zhǎng)度、圖形對(duì)稱性、實(shí)際凸度值與圖紙要求的差值等，調(diào)整各段加工長(zhǎng)度的油石高度及傾斜角度(通過(guò)旋轉(zhuǎn)油石架)，依據(jù)調(diào)整完成后的圖形進(jìn)行反饋微調(diào)。整體機(jī)床效率偏低，手動(dòng)上下料時(shí)8 h可加工滾子數(shù)量為500粒左右。如果配合切入磨等設(shè)備，先加工出對(duì)數(shù)曲線輪廓，然后在本機(jī)床上進(jìn)行圖形修整，改善表面粗糙度(Ra可達(dá)到0.03 mm)，效率較高；同時(shí)，機(jī)床所需導(dǎo)輥易于加工，成本較低，配置自動(dòng)上下料裝置可以滿足高精度、大批量生產(chǎn)。

2 對(duì)數(shù)曲線輪廓檢測(cè)方法

2.1 常用檢測(cè)方法

對(duì)數(shù)曲線輪廓的檢測(cè)屬于滾子磨加工工藝過(guò)程中的測(cè)量難點(diǎn)之一，目前國(guó)內(nèi)對(duì)滾子外徑輪廓檢測(cè)一般有2種方法: 一種是用D744 儀器檢測(cè);另一種是用精密測(cè)量?jī)x檢測(cè)。

D744屬于比較測(cè)量法[4-5]，其測(cè)量的是一定長(zhǎng)度內(nèi)輪廓的凸出量，無(wú)法詳細(xì)檢測(cè)各個(gè)長(zhǎng)度的凸出量，主要用于車間現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)，操作簡(jiǎn)單、直觀，但由于其測(cè)量局限性，如標(biāo)準(zhǔn)件和角度臺(tái)偏差，容易出現(xiàn)測(cè)量失真，影響產(chǎn)品質(zhì)量判斷，可用于精度要求不高的滾子及輔助檢測(cè)手段。

精密測(cè)量?jī)x可以直接測(cè)量對(duì)數(shù)曲線輪廓，如上海泰勒輪廓儀(需定制)和軸研所XM-200形貌儀等。前者適合于一種固定對(duì)數(shù)曲線輪廓測(cè)量的批量化生產(chǎn)，有很大的局限性；后者內(nèi)置有滾子凸度測(cè)量項(xiàng)目，可以輸入不同的對(duì)數(shù)曲線方程進(jìn)行測(cè)量，缺點(diǎn)在于：分析時(shí)需要手動(dòng)校平，然后利用最小二乘直線進(jìn)行分析，不同測(cè)量者校平有差異，對(duì)測(cè)量結(jié)果影響較大；而且由于儀器自身傳感器、測(cè)針、導(dǎo)軌進(jìn)給等精度限制，適合于常規(guī)各種對(duì)數(shù)曲線輪廓的測(cè)量，基本可以滿足正常的生產(chǎn)需求。

2.2 泰勒儀測(cè)量

英國(guó)泰勒粗糙度輪廓儀PGI820，除滿足正常的直線度、表面粗糙度測(cè)量外，增加了TalyMap和DXF軟件，前者可以進(jìn)行角度、油溝尺寸等分析，配合后者可以精確分析滾子外徑素線的對(duì)數(shù)曲線輪廓[4]。

以某型號(hào)滾子為例，其對(duì)數(shù)曲線方程為

凸度測(cè)量長(zhǎng)度為42.15 mm，輪廓偏差為±2 μm。測(cè)量基本步驟為：

1)泰勒儀測(cè)量滾子外徑原始輪廓圖形；

2)導(dǎo)出為PRF文件，并導(dǎo)入到TalyMap軟件進(jìn)行輪廓分析；

3)利用DXF軟件，輸入相關(guān)參數(shù)(圖3)，分析出標(biāo)準(zhǔn)對(duì)數(shù)曲線輪廓(圖4)和標(biāo)準(zhǔn)曲線上限1、下限2(標(biāo)準(zhǔn)曲線輪廓的y值加減0.002 mm，其他參數(shù)不變而得到的圖形)；

4)將3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)曲線導(dǎo)入到TalyMap，與實(shí)際輪廓圖形對(duì)比，結(jié)果如圖5所示。

如圖5所示，可以直觀看出實(shí)際輪廓與標(biāo)準(zhǔn)輪廓的偏離程度，以及實(shí)際輪廓是否在標(biāo)準(zhǔn)曲線上下限之間，深色區(qū)域可以分析出某一區(qū)域及定點(diǎn)的偏差值。

圖3 DXF軟件中相關(guān)參數(shù)輸入界面Fig.3 Input interface of related parameters in DXF

圖4 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)數(shù)曲線輪廓Fig.4 Standard logarithmic curve contour

圖5 標(biāo)準(zhǔn)圖形與實(shí)際輪廓圖形對(duì)比Fig.5 Comparison of standard and actual contour

3 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)數(shù)曲線輪廓可以通過(guò)切入磨和超精研來(lái)實(shí)現(xiàn)，檢測(cè)可以采用D744、泰勒輪廓儀、XM-200和泰勒粗糙度輪廓儀等測(cè)量?jī)x器。設(shè)備精度是保證滾子質(zhì)量的基礎(chǔ)，加工方式?jīng)Q定了尺寸和形位公差等精度;檢測(cè)儀器精度、檢測(cè)方法的差異性對(duì)測(cè)量結(jié)果影響較大。實(shí)際生產(chǎn)中如何選擇合適的設(shè)備、加工方式和檢測(cè)手段，主要取決于在保證加工質(zhì)量的前提下，提高加工和檢測(cè)效率。

目前滾子加工設(shè)備存在很大的改進(jìn)空間，如配備自動(dòng)上下料、坐標(biāo)點(diǎn)與對(duì)數(shù)曲線輪廓的轉(zhuǎn)換、工裝結(jié)構(gòu)改進(jìn)等。檢測(cè)方法目前采用的為接觸式測(cè)量，不可避免會(huì)產(chǎn)生痕跡，可以進(jìn)一步開(kāi)發(fā)非接觸式測(cè)量方法。