特大凸度量圓柱滾子加工工藝分析

張磊磊，馮振，劉巖，劉友國，李慶

（1.洛陽LYC軸承有限公司，河南 洛陽 471039；2.航空精密軸承國家重點實驗室，河南 洛陽 471039）

目前，國內(nèi)對特大型圓柱滾子加工方法的研究主要包括滾子車加工改進(jìn)、留量壓縮、端面磨削等。文獻(xiàn)［1］提出了采用數(shù)控機床將外徑、倒角及端面一次裝夾全部車削完畢的加工方法，同時使用機夾刀片，刀具磨損后只需更換切削刃，大大提高了加工效率；文獻(xiàn)［2］為提高某大型圓柱滾子質(zhì)量，在現(xiàn)有的工藝基礎(chǔ)上增加了硬車倒角等工序；文獻(xiàn)［3］通過對車制圓柱滾子工藝流程進(jìn)行深入分析，對工藝留量進(jìn)行了壓縮；文獻(xiàn)［4］通過對大型圓柱滾子端面磨削工藝進(jìn)行改進(jìn)，有效地提高了滾子基準(zhǔn)端面圓跳動的精度。

直素線滾子軸承在運轉(zhuǎn)過程中，滾子兩端會出現(xiàn)應(yīng)力集中，對軸承的承載能力和疲勞壽命產(chǎn)生極不利的影響，為了防止這種現(xiàn)象發(fā)生，通常將滾子的直素線修正成有微量凸起的某種特定曲線，即滾子凸度［5］。凸度技術(shù)的應(yīng)用能有效改善滾動接觸區(qū)的壓力分布，減小或消除滾子邊緣應(yīng)力集中，降低溫升，有利于形成彈性流體潤滑，從而降低軸承的振動和噪聲，提高軸承的使用壽命［6］。

1 大凸度圓柱滾子加工難點

圓柱滾子凸度加工多采用超精工藝，目前產(chǎn)品多為小凸度滾子（＜40μm）；針對大凸度（40～80μm）滾子采用多遍超精勉強可以達(dá)到產(chǎn)品技術(shù)要求，但加工效率低；而對于特大凸度量（＞80 μm）的滾子即使多次超精也很難達(dá)到要求。

如某型造船廠配套用特大型軸承的圓柱滾子尺寸為φ56 mm×87 mm，滾子凸度量要求達(dá)到100μm（圖1）。

圖1 滾子產(chǎn)品示意圖Fig.1 Diagram of roller product

大凸度滾子的加工難點為：

1）滾子凸度量太大，現(xiàn)有超精設(shè)備即使多次超精加工也很難達(dá)到產(chǎn)品要求，且加工效率低。

2）滾子精度要求高，如：直徑變動量VDwp達(dá)到0.0015 mm、直線性LW（＋）達(dá)到0.006 mm等。

2 工藝試驗

圓柱滾子滾動面?zhèn)鹘y(tǒng)加工工藝為：軟磨滾動面→熱處理→粗磨滾動面→細(xì)磨滾動面→終磨滾動面→超精滾動面（根據(jù)產(chǎn)品精度要求選擇是否超精）。對于圖1中凸度量要求達(dá)到100μm的滾子，采取了3種方案對其進(jìn)行工藝試驗。

2.1 方案1

按傳統(tǒng)工藝磨削加工后，進(jìn)行多次超精。凸度檢測結(jié)果如圖2所示，對滾動面進(jìn)行多次超精后，凸度量僅能達(dá)到72μm，遠(yuǎn)達(dá)不到要求尺寸。

圖2 方案1加工后滾子輪廓圖Fig.2 Profilogram of roller after processing by scheme 1

2.2 方案2

細(xì)磨后采用預(yù)磨斜坡→終磨滾動面，但不進(jìn)行超精。凸度測量結(jié)果如圖3所示，增加預(yù)磨斜坡工序后，凸度能夠達(dá)到100μm以上，但是滾動面表面粗糙度、直徑變動量等指標(biāo)達(dá)不到產(chǎn)品技術(shù)要求，且滾動面曲線交界存在尖點，應(yīng)力集中較嚴(yán)重，不利于滾子的使用壽命。

圖3 方案2加工后滾子輪廓圖Fig.3 Profilogram of roller after pocessing by scheme 2

2.3 方案3

細(xì)磨后預(yù)磨斜坡→終磨滾動面→超精滾動面。凸度檢測結(jié)果如圖4所示，凸度可以達(dá)到100 μm，而且滾動面表面粗糙度、直徑變動量等指標(biāo)也能達(dá)到項目要求，滾動面曲線平滑，交界處應(yīng)力集中得以改善。

圖4 方案3加工后滾子輪廓圖Fig.4 Profilogram of roller after pocessing by scheme 3

3 實例驗證

方案3中的關(guān)鍵工序是預(yù)磨斜坡和超精滾動面。由于傳統(tǒng)的磨床無法滿足大凸度滾子的磨削加工，故引入高精度數(shù)控磨床H3-004（圖5）。磨削過程中，采用電磁夾具夾緊滾子，并支承滾子滾動面。利用端面定位，翻轉(zhuǎn)磨削，以保證滾動面兩側(cè)弧坡的對稱性。然后將砂輪轉(zhuǎn)動至一定角度，利用直線修整器修整完畢后，即可進(jìn)行磨削。若在加工中測量滾子凸度不合格，可直接微調(diào)砂輪角度和進(jìn)刀量。

圖5 預(yù)磨斜坡加工示意圖Fig.5 Processing diagram of pre-grinding incline

超精時，采用貫穿式超精機3MZ6220（圖6），兩超精輥同向轉(zhuǎn)動，由于超精輥軸線之間存在一定角度，滾子在自轉(zhuǎn)的同時可軸向移動，進(jìn)行粗超、半精超和精超加工。

圖6 超精滾動面示意圖Fig.6 Diagram of superfinishing of rolling surface

加工完成后抽取部分試件進(jìn)行檢測，結(jié)果見表1。

表1 試件檢測結(jié)果Tab.1 Detection result of test piece

由表1可知，采用方案3加工滾子凸度量可以達(dá)到100μm以上，同時，直徑變動量VDwp達(dá)到0.7～1.2μm、圓形偏差ΔCir達(dá)到0.8～1μm、滾子端部對軸線的軸向跳動SDw達(dá)到4.23～6.0 μm，表面粗糙度等技術(shù)指標(biāo)均能滿足產(chǎn)品要求。

4 結(jié)束語

通過工藝試驗，探索了特大凸度量圓柱滾子加工問題，采用H3-004磨床進(jìn)行加工，增加預(yù)磨斜坡工序，然后進(jìn)行超精，滿足了滾子凸度大于100μm的技術(shù)要求，且滾子其他技術(shù)指標(biāo)均能達(dá)到技術(shù)要求，解決了新產(chǎn)品開發(fā)的加工難題。但由于預(yù)磨斜坡工序時需進(jìn)行單件磨削，加工效率不高，還有待進(jìn)一步改進(jìn)。