NJ系列圓柱滾子軸承雙擋邊超精工藝改進(jìn)

高武正，劉旗，奚強

(1.洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039；2.河南省高性能軸承技術(shù)重點實驗室，河南 洛陽 471039；3.滾動軸承產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，河南 洛陽 471039)

NJ系列圓柱滾子軸承為內(nèi)圈單擋邊、外圈雙擋邊結(jié)構(gòu)，主要承受徑向載荷和一定的軸向載荷，廣泛用作國內(nèi)高速機(jī)車、客車車輛輪對軸承[1]。隨著國內(nèi)軌道交通和高速鐵路的發(fā)展，帶擋邊圓柱滾子軸承的軸向承載能力受到重視，對擋邊的強度以及滾子端面與套圈擋邊的滑動摩擦問題進(jìn)行了不斷優(yōu)化和改進(jìn)[2]。其中，軸承擋邊的表面質(zhì)量直接決定擋邊的強度以及滾子端面與套圈擋邊的滑動摩擦，影響軸承的軸向承載能力，進(jìn)而影響軸承的高速性能與使用壽命。因此，一般情況下，此類軸承擋邊加工中均以超精工藝作為最終工序，以提高擋邊的最終表面質(zhì)量。

1 雙擋邊超精加工介紹

目前NJ系列圓柱滾子軸承外圈雙擋邊采用了BS213XL超精機(jī)進(jìn)行加工(圖1)。該機(jī)床擁有2個擋邊超精單元，套圈為立式擺放。2個超精單元擁有共同的通過套圈徑向方向的x數(shù)控軸和各自獨立的平行于套圈軸向的z數(shù)控軸，通過x，z數(shù)控軸將超精油石送入超精位置；左側(cè)的油石超精下?lián)踹叄覀?cè)的油石超精上擋邊；氣壓浮動壓在擋邊上，通過套圈的旋轉(zhuǎn)以及油石的高頻振蕩，兩者運動疊加實現(xiàn)擋邊的超精。可以通過控制超精的時間長短來控制擋邊質(zhì)量，通常此類軸承擋邊要求表面粗糙度Ra≤0.1 μm。

圖1 NJ系列外圈雙擋邊超精示意圖

2 存在問題及原因分析

2.1 存在問題

實際加工NJ3226X1外圈過程中發(fā)現(xiàn)，目測上、下?lián)踹吘锌拷鼭L道側(cè)未超精到或超精程度不夠的現(xiàn)象(或稱超精不到邊)，通過擋邊表面粗糙度測試驗證，與外觀目測一致，內(nèi)外側(cè)擋邊表面粗糙度不同，內(nèi)側(cè)擋邊表面粗糙度值大于外側(cè)，接近磨削狀態(tài)，表明內(nèi)側(cè)擋邊超精不到邊。

2.2 原因分析

根據(jù)經(jīng)驗，通常造成擋邊內(nèi)側(cè)出現(xiàn)超精不到邊現(xiàn)象的主要原因有：

1)套圈旋轉(zhuǎn)不穩(wěn)定，導(dǎo)致?lián)踹叧霈F(xiàn)部分超精不到邊；

2)油石超精位置設(shè)置錯誤，導(dǎo)致最大振幅處距離滾道的距離大于擋邊油溝的尺寸；

3)油石不均勻；

4)油石振蕩過程產(chǎn)生的影響。

結(jié)合實際情況進(jìn)一步分析，尋找具體產(chǎn)生問題的原因：

1)目測擋邊未超到邊現(xiàn)象在圓周上呈均勻分布，因此，排除套圈旋轉(zhuǎn)不穩(wěn)定因素；

2)通過多次驗證，油石最大振幅距滾道距離為0.5 mm，擋邊油溝尺寸為R1.5 mm，因此，排除油石超精位置錯誤的因素；

3)通過多次更換不同批次的油石，均有超精不到邊的現(xiàn)象出現(xiàn)，排除油石不均勻的因素。

綜上，初步確定超精不到邊的原因可能為油石振蕩過程產(chǎn)生的影響。

2.3 油石振蕩對表面質(zhì)量的影響

采用圖形模擬法(圖2、圖3)分析擋邊與油石的位置，發(fā)現(xiàn)不合適的油石形狀和振蕩幅度是造成擋邊未超精到邊的主要原因。由于上、下?lián)踹叧珕卧笥彝耆珜ΨQ，僅以一側(cè)擋邊為例進(jìn)行分析，另一側(cè)擋邊情況類似。

由于雙擋邊一起加工，擋邊超精單元需要獨立上下運動，導(dǎo)致超精時兩超精油石分別在水平剖面中心線的兩側(cè)，其中下?lián)踹叧珪r上下限位與擋邊位置的水平剖面圖以及放大細(xì)節(jié)圖如圖2、圖3所示。油石在超精過程中疊加的振蕩運動沿圖示方向幅度為2 mm，油石上限位離滾道為0.5 mm(圖3)，由于油石所在的擋邊為圓弧形，超精時油石與擋邊的接觸面積靠近滾道側(cè)小，遠(yuǎn)離滾道側(cè)大；油石下限位加上振幅距離滾道為2.5 mm，此時油石與擋邊大約距離1 mm(未接觸)，而且剩余的接觸面也是里側(cè)小外側(cè)大，由此可見整個油石振蕩過程中，靠近滾道的里側(cè)擋邊與油石的接觸面積小于外側(cè)的接觸面積。在一定的壓力下，油石與擋邊接觸的面積越大所獲得的超精表面質(zhì)量越好，所以，在油石振蕩過程中，擋邊里外側(cè)與油石的接觸面積不同是造成擋邊表面里外超精質(zhì)量不同的主要原因。而且超精時間長短不同，也會使擋邊里外側(cè)的超精質(zhì)量差別更大，在實際生產(chǎn)中也驗證了這種情況。

圖2 超精中油石與擋邊位置示意圖

圖3 超精中油石上、下極限位與擋邊位置示意圖

3 解決方案

根據(jù)問題產(chǎn)生的原因，通過改變油石的裝夾形狀以及改變油石的振蕩幅度(圖4)，使油石振蕩過程中油石與擋邊的接觸面積保持一致，從而保證了擋邊里外側(cè)超精質(zhì)量的一致性。具體做法為：根據(jù)加工工件以及油石位于水平剖面中心線的距離，按圖示尺寸修整油石裝夾后的形狀；再根據(jù)工件擋邊油溝的大小，改變油石的振蕩幅值，保證超精過程中油石在上限位、下限位與擋邊的接觸面積一致。相同的，以此類推，另外一側(cè)擋邊位于水平剖面的右側(cè)，根據(jù)做圖法模擬，修整油石裝夾后的形狀，保證超精時油石與擋邊里外側(cè)的接觸一致,從而保證上下兩擋邊的超精質(zhì)量。

圖4 改進(jìn)后的油石形狀與振幅示意圖

4 結(jié)束語

經(jīng)過工藝試驗，使用改進(jìn)后的方案，在圓柱滾子軸承雙擋邊超精中，沒有再出現(xiàn)擋邊未超精到邊的現(xiàn)象，擋邊的超精質(zhì)量均勻穩(wěn)定。由于油石需根據(jù)圖紙手工修磨，未來可設(shè)計一套變角度油石夾解決手工修磨問題，以提高效率。