特大型圓柱、圓錐滾子凸度磨加工工藝分析

林國福，石永，徐占華，朱戰(zhàn)旗

(洛陽LYC軸承有限公司 特大型軸承事業(yè)部，河南 洛陽 471039)

1 概述

滾子滾動(dòng)面素線凸度設(shè)計(jì)可以減小滾子的邊緣效應(yīng)，提高軸承使用壽命和承載能力[1]。傳統(tǒng)的圓柱、圓錐滾子滾動(dòng)面凸度多采用超精加工[2]，需使用形狀一致、帶凹度的超精滾輪。對(duì)于直徑40 mm以上的特大型圓柱、圓錐滾子，由于滾子尺寸種類多、批量小，需定制帶凹度的專用超精滾輪，費(fèi)用較高。

目前加工的特大型圓柱、圓錐滾子多為中間直素線+兩端斜坡修形，如圖1所示(Lw為滾子長度；Le為滾子兩端斜坡長度；he為滾子兩端斜坡深度),主要分2道工序加工：先加工中間直素線部分，再進(jìn)行兩端斜坡的修形。由于斜坡直線與中間直素線無法圓滑過渡而出現(xiàn)尖棱，易導(dǎo)致滾子滾動(dòng)面直素線和斜坡相交處出現(xiàn)剝落(圖2)，造成軸承早期失效。

圖1 滾子直素線輪廓

圖2 滾子邊緣效應(yīng)失效圖

2 特大型圓柱、圓錐滾子凸度形狀

圓柱、圓錐滾子根據(jù)素線的形狀可以分為直線型、圓弧修緣型和對(duì)數(shù)曲線型，其接觸疲勞壽命比約為1︰1.6︰2。直素線滾子輪廓為一條直線；圓弧修緣型滾子的素線為圓弧型；對(duì)數(shù)曲線滾子的素線由中部向兩側(cè)均為對(duì)稱的對(duì)數(shù)曲線，即中部微微凸起，向兩側(cè)緩慢減小，兩端與兩倒角圓弧光滑過渡。

對(duì)數(shù)曲線滾子加工較為困難，根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求，將滾子直素線和兩端斜坡擬合成三段圓弧相切，滾子輪廓類似于對(duì)數(shù)型滾子，如圖3所示。圖中，滾子中間圓弧凸度量Δh為滾子的直線度(Lw(+))要求的最大值，當(dāng)已知滾子長度Lw、滾子兩端斜坡長度Le、滾子中間圓弧凸度量Δh和滾子兩端斜坡深度he，可以計(jì)算出滾子素線圓弧半徑Rw和滾子兩端圓弧半徑Re。

圖3 三段圓弧素線滾子

三段圓弧相切的滾子形狀，兩端圓弧斜邊與中間圓弧相切，其交界處圓滑過渡，接觸應(yīng)力分布均勻。

3 砂輪修整

3.1 修整程序

為實(shí)現(xiàn)三段圓弧凸度滾子的加工，需將磨削砂輪修整為相應(yīng)凹度，采用切入磨方式進(jìn)行磨削，因此選用了數(shù)控磨床3MZ40100CNC。該機(jī)床磨削滾子直徑范圍為40～100 mm；具有自動(dòng)上下料裝置，使用磁極和支承裝卡滾子，砂輪軸可進(jìn)行自動(dòng)控制；控制系統(tǒng)采用高精度全數(shù)字交流伺服SINUMERIK 802Dsl系統(tǒng)[3]，允許用戶自主編程。根據(jù)砂輪圓弧修整的要求，修整砂輪的程序?yàn)?/p>

G00 G55 G94 G90 Z0.0

G01 Z-1.0 F500

G1 G55 F500

程序初始化

G1 G55 X=R250 Z=R251 F=R90*3

修整起點(diǎn)

G02 X=R252 Z=R253 CR=R57 F=R90

一段圓弧Re的修整

G02 X=R254 Z=R255 CR=R58 F=R90

中間段圓弧Rw的修整

G02 X=R256 Z=R257 CR=R57 F=R90

另一段圓弧Re的修整

G1 G55 Z=R258 F=R90*3

程序結(jié)束

砂輪對(duì)應(yīng)的參數(shù)坐標(biāo)如圖4所示，其中，(R250，R251)為第1段圓弧的起點(diǎn)坐標(biāo)，(R252，R253)為第1段圓弧的終點(diǎn)坐標(biāo)，也是第2段圓弧的起點(diǎn)坐標(biāo)，R57為第1段圓弧的半徑；(R254，R255)為第2段圓弧的終點(diǎn)坐標(biāo)，也是第3段圓弧的起點(diǎn)坐標(biāo)，R58為第2段圓弧的半徑；(R256，R257)為第3段圓弧的起點(diǎn)坐標(biāo)，R57為第3段圓弧的半徑。

圖4 砂輪的參數(shù)坐標(biāo)

3.2 修整坐標(biāo)參數(shù)和圓弧半徑

根據(jù)三段圓弧凸度滾子的曲線形狀，將圖3中的曲線放至如圖5所示的xOz坐標(biāo)系中，相切點(diǎn)在坐標(biāo)中是固定的點(diǎn)，各參數(shù)對(duì)應(yīng)相切點(diǎn)坐標(biāo)為：R250=-Lw/2，R251=-(Δh+he)，R252=-(Lw/2-Le)，R253=-Δh，R57=Re，R254=(Lw/2-Le)，R255=-Δh，R58=Rw，R256=Lw/2，R257=-(Δh+he)。

圖5 砂輪修整坐標(biāo)參數(shù)

待加工特大型圓柱、圓錐滾子的素線圓弧半徑Rw和兩端圓弧半徑Re計(jì)算公式為

(1)

。(2)

4 工藝驗(yàn)證

以特大型圓錐滾子進(jìn)行驗(yàn)證，滾子直徑Dw=70 mm,長度Lw=69.5 mm，斜邊圓弧長度Le=7 mm，斜邊圓弧深度he=0.06 mm，滾動(dòng)面直線度Lw(+)要求為0.002 mm，即滾子中間圓弧的凸度Δh=0.002 mm，如圖6所示。

圖6 圓錐滾子產(chǎn)品圖

由圓錐滾子長度選擇砂輪寬度為100 mm，根據(jù)已知和選定參數(shù)建立如圖5所示的坐標(biāo)系，以坐標(biāo)系中O點(diǎn)為砂輪對(duì)刀零點(diǎn)。計(jì)算各坐標(biāo)參數(shù)和圓弧半徑，輸入3MZ40100CNC磨床修整砂輪程序中，調(diào)整機(jī)床，修整砂輪；然后使用修整好的砂輪磨削特大型圓錐滾子；采用專用輪廓儀檢測(cè)，得到滾子輪廓曲線如圖7所示。圖中，x軸放大倍數(shù)為2.4，y軸放大倍數(shù)為500，在測(cè)量長度為66.686 mm的檢測(cè)長度內(nèi)，滾子的凸度值為51.719 μm，檢測(cè)的輪廓曲線為三段圓弧相切連接，達(dá)到了凸度滾子的設(shè)計(jì)要求。

圖7 滾子素線輪廓曲線

5 結(jié)束語

使用數(shù)控全自動(dòng)磨床3MZ40100CNC修整三段圓弧相切的曲面砂輪，然后磨加工直徑40 mm以上特大型圓柱、圓錐滾子，經(jīng)過實(shí)際加工證明，此加工方法能夠?qū)L子的圓弧滾動(dòng)面和圓弧斜邊一次加工完成，能夠?qū)崿F(xiàn)滾動(dòng)面素線凸度的定量控制，實(shí)現(xiàn)了特大型圓柱、圓錐滾子圓弧滾動(dòng)面與圓弧斜邊的相切圓滑過渡，提升了產(chǎn)品質(zhì)量。