圓柱滾子倒角精加工工藝改進

王曄，王玉紅，韓亭鶴，王濤

(中國航發(fā)哈爾濱軸承有限公司，哈爾濱 150025)

航空發(fā)動機主軸的圓柱滾子軸承工況復雜，潤滑條件差，轉速高。軸承在dn值高于2.0×106mm·r·min-1條件下工作時，其滾子處于高速公轉和自轉狀態(tài)，若滾子動不平衡量較大，在高速運轉過程中可能導致滾子回轉失穩(wěn)，使?jié)L子偏斜和端面異常磨損，造成故障。XX10發(fā)動機軸承No.4支點軸承曾多次出現滾子端面磨損故障。滾子形心和質心不一致是造成滾子運轉不平衡的根本原因。滾子形狀簡單且端面和外徑面的加工精度要求極高，不會產生問題；但倒角加工精度不高，倒角軸向坐標與徑向坐標尺寸不一致，同一組滾子倒角輪廓存在形狀誤差。因此，滾子倒角尺寸及輪廓形狀的差異是導致滾子形心和質心不一致，滾子運轉不平衡的首要原因。另外，如果滾子倒角與素線的過渡不圓滑，工作時滾子倒角與素線交界處會產生應力集中，造成滾子倒角邊緣和套圈滾道邊緣早期剝落，導致軸承失效,制約著軸承工作可靠性和使用壽命的提高。目前,國內圓柱滾子倒角精度和形狀與國外相比仍存在一定的差距，文中從滾子倒角加工精度和輪廓精度兩方面進行分析，對滾子倒角加工工藝進行改進。

1 圓柱滾子倒角傳統(tǒng)加工方式

1.1 倒角加工

滾子傳統(tǒng)加工工藝為：切斷(或沖壓成形)→軟磨外徑面→軟磨端面→車兩端倒角→熱處理→硬串倒角→粗磨外徑面→粗磨端面→酸洗→除氫→細磨外徑面→精研端面→精磨外徑面→探傷→終磨外徑面→精研外徑面→超精外徑面。

倒角對外徑面素線的跳動值為40 μm以上，倒角對稱度為0.3～0.6 mm。國外樣件倒角對外徑面素線的跳動值小于5 μm，倒角對稱度為0.1～0.2 mm，存在很大差距。

從倒角工藝流程和加工精度可以看出，倒角加工在熱處理工序之前，由于車削加工設備精度低，后續(xù)還有外徑面、端面的多次循環(huán)磨削加工，倒角尺寸偏差、倒角跳動、倒角對稱性得不到有效控制。

1.2 倒角輪廓形狀

國外滾子倒角形狀如圖1a所示，倒角與外徑面素線呈圓滑過渡。國內某公司加工的圓柱滾子倒角形狀如圖1b所示，軸承承載時，滾子倒角與外徑面素線交界處的尖點與滾道接觸，產生應力集中，存在軸承滾道疲勞剝落的風險。

圖1 圓柱滾子倒角形狀

2 倒角精加工方法

2.1 硬車倒角

為改善倒角形狀和加工精度，采取了硬車倒角的工藝方法，在原細磨外徑面工序后增加1遍硬車倒角工序和串光倒角工藝，倒角對稱度可以控制在0.2～0.3 mm，倒角對外徑面素線的跳動只能控制在20 μm以內。

2.2 磨削倒角

硬車倒角的加工精度有一定提高，但仍與國外差距較大，為進一步提高加工精度，采用熱處理之前車倒角，精磨外徑面后磨削倒角的工藝方法，由于國內沒有滾子倒角磨削加工的專業(yè)設備，故對現有擺頭磨床進行改造，用于倒角磨削加工。

在精磨外徑面后增加了磨削倒角工序，倒角對稱度可控制在0.1～0.2 mm，倒角對外徑面素線的跳動為6～8 μm，加工精度較原工藝有很大提高。

由于設備精度的原因，倒角對外徑面素線的跳動不能穩(wěn)定控制，需對倒角跳動進行100%的測量，以保證加工精度。由于受到砂輪擺動磨削原理的限制，倒角圓弧半徑較大，無法實現倒角與滾子外徑面素線的圓滑過渡，滾子倒角與滾子外徑面素線交界處仍存在尖點。

3 改進后倒角精加工方法

為解決擺頭磨削方式倒角圓弧半徑不穩(wěn)定，倒角與外徑面素線不能圓滑過渡以及不能進一步提高加工精度的問題，與機床廠聯(lián)合研制了切入式倒角磨床。采用金剛石滾輪對砂輪進行成形修整，金剛石滾輪的設計要考慮滾子倒角半徑、倒角圓弧與外徑面素線相切形狀以及倒角坐標尺寸等因素。修整后的砂輪界面輪廓以及磨削倒角的示意圖如圖2所示，其中R為倒角圓弧半徑。

圖2 切入式倒角磨削示意圖

3.1 金剛石滾輪設計原理

由于滾子在磨削倒角時外徑面有0.05 mm的留量，且對倒角進行切入式磨削時，砂輪不能將滾子外徑面和端面磨傷。因此，砂輪必須修整成邊緣為一定斜面，與砂輪中部圓弧相切的狀態(tài)。

金剛石滾輪修整部分設計原理如圖3所示。倒角坐標值固定的情況下，切線角度越小，加工后滾子倒角圓滑過渡越好，但切線角度過小，砂輪在磨削倒角時會影響端面和外徑面的加工質量。因此，將金剛滾輪修磨部分的切線角度設計為15°。

1—切線角度22°30′；2—切線角度15°；3—切線角度10°；4—切線角度5°

3.2 倒角磨削加工試驗

選φ7 mm×7 mm，φ20 mm×20 mm的滾子，采用切入式倒角磨削加工設備進行倒角磨削加工試驗。

3.2.1φ7 mm×7 mm滾子

φ7 mm×7 mm滾子磨削參數見表1，工藝要求倒角坐標尺寸為(0.5±0.1)mm，倒角跳動為5 μm，倒角圓弧半徑設計為(0.71±0.10) mm，從加工的200粒滾子中任意取10粒進行倒角坐標和倒角跳動檢測，結果見表2。由表可知，切入式磨削加工滾子倒角的加工精度符合工藝要求。

表1 φ7 mm×7 mm滾子倒角磨削參數

表2 φ7 mm×7 mm滾子磨削倒角精度

分別對φ7 mm×7 mm滾子進行擺頭式和切入式磨削，并用投影檢測其倒角輪廓形狀(圖4)，其輪廓圓弧半徑分別為1.25和0.62 mm。

圖4 φ7 mm×7 mm滾子倒角輪廓

從檢測的倒角輪廓形狀(圖4)和倒角圓弧半徑尺寸可以看出，切入式磨削滾子倒角的輪廓形狀更符合設計要求，倒角與外徑面、端面的過渡狀態(tài)明顯優(yōu)于擺頭式磨削。

3.2.2φ20 mm×20 mm滾子

φ20 mm×20 mm滾子磨削參數見表3。工藝要求倒角坐標尺寸為(1.2±0.2) mm，倒角跳動為8 μm,倒角圓弧半徑設計為(1.7±0.1) mm，從加工的200粒滾子中任意取10粒進行倒角坐標和倒角跳動檢測，結果見表4。

表3 φ20 mm×20 mm滾子倒角磨削參數

由于φ20 mm×20 mm滾子直徑較大，不能進行擺頭式磨削，將切入式磨削的滾子進行投影檢測其輪廓形狀(圖5)，其輪廓圓弧半徑為1.73 mm。

3.2.3 小結

采用金剛石滾輪修整的砂輪進行滾子倒角磨削加工，能夠確保滾子倒角輪廓的一致性。從2種滾子檢測結果可知，滾子倒角對稱度小于0.1 mm，倒角跳動值不大于2 μm，倒角輪廓形狀比原加工方式更趨近于圓滑過渡狀態(tài)。但倒角與滾子外徑面和端面的交界處仍存在尖點，未能形成圓滑過渡。為使?jié)L子倒角與滾子外徑面交界處形成圓滑過渡，在上述磨削加工的基礎上進行光飾加工。

3.3 倒角光飾加工

3.3.1 試驗參數

φ7 mm×7 mm滾子磨削倒角后未進行超精研加工，外徑面素線為直線，采用旋流光飾機光飾；φ20 mm×20 mm滾子磨削倒角加工后進行超精研加工，外徑面素線有凸度，分別采用振動光飾機和旋流光飾機光飾。光飾料以及加工參數見表5。

表5 光飾料和光飾參數

3.3.2 精度檢測

對比光飾前后滾子精度、表面粗糙度(表6)，光飾后倒角形狀(圖6)以及光飾對滾子外徑面素線形狀(圖7)的影響。

表6 滾子精度對比

圖6 滾子倒角形狀

圖7 滾子光飾前后外徑面素線形狀對比

從上述檢測結果可以看出：旋流光飾對倒角圓滑過渡的效果優(yōu)于振動光飾，已達到國外樣件的狀態(tài)；旋流光飾后表面粗糙度較振動光飾差；振動光飾、旋流光飾對超精后的滾子外徑面素線形狀基本無影響，對磨倒角后滾子外徑面為精磨狀態(tài)的影響較大，滾子的外徑面素線由直線狀態(tài)變?yōu)橹虚g凹的狀態(tài)；振動光飾和旋流光飾后,滾子端面的表面粗糙度都有所提高；超精研后的滾子經過旋流光飾，外徑面的表面粗糙度以及外觀質量有所下降。

4 滾子加工工藝過程改進

根據倒角磨削加工試驗以及光飾加工試驗結果，對滾子加工工藝進行改進，改進后工藝流程為:切斷→軟磨外徑面→軟磨端面→車兩端倒角→熱處理→硬串倒角→粗磨外徑面→粗磨端面→酸洗→除氫→細磨外徑面→精研端面→精磨外徑面→磨倒角→探傷→終磨外徑面→精光飾→精研外徑面→超精外徑面。

在精磨外徑面后增加磨削倒角工序，在終磨外徑面后增加精光飾工序，實現了倒角圓滑過渡，提高了倒角的加工精度，倒角跳動值能夠達到國外樣件水平。通過精研、超精研工序對外徑面素線的加工，既可以改善光飾對外徑面素線形狀的影響，又不會影響倒角圓滑過渡的狀態(tài)。

5 結束語

通過對倒角精加工方法的研究，提高了圓柱滾子的加工工藝水平，滾子的加工精度已經達到甚至超過國外水平。該工藝方法已經應用在航空發(fā)動機軸承和燃機發(fā)動機軸承科研產品上，取得了很好的效果。