特大型球面滾動體素線對數修形工藝研究

楊哲 林國福 劉許 王典仁

摘 要：通常情況下，特大型球面滾動體的素線為圓弧。由于軸承的使用工況和邊緣應力要求，特大型球面滾動體素線采取對數修形設計。目前，沒有加工特大型球面滾動體素線對數修形的工藝。基于此，本文對特大型球面滾動體素線對數修形工藝進行研究，使用多段圓弧模擬對數曲線進行修形，并在球面滾動體外徑磨床（3MZ40100CNC）采用多段圓弧修形砂輪切入磨加工方式，最后利用Taylor Hobson輪廓儀檢測對修形結果進行驗證。結果表明，測量的輪廓與理論的對數曲線修形基本一致。

關鍵詞：特大型;球面滾動體;對數修形

中圖分類號：TH133.332文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）16-0059-04

Abstract： In general， the prime line of the extra-large size spherical roller is an arc. Due to the service conditions and edge stress requirements of bearings， The design of logarithmic curve for the prime line of the extra-large size spherical roller. At present， there is no processing technology for the logarithmic curve of the prime line of the extra-large size spherical roller. Based on this， this paper studied the logarithmic modification technology of the super large spherical rolling element's prime line， used the multi-section circular arc to simulate the logarithmic curve for the modification， and used the multi-section circular arc modification grinding wheel to cut into the grinding mode in the spherical rolling external diameter grinder （3MZ40100CNC）， and finally used the Taylor Hobson profilometer to test the modification results. The results show that the measured contour is basically consistent with the theoretical logarithmic curve modification.

Keywords： extra-large size;spherical roller;logarithmic curve

1 研究背景

特大型調心滾子軸承（見圖1）外圈是一條共用的球面滾道，裝著球面滾動體。內圈有兩條與軸承軸線傾斜一定角度的滾道，當軸受力產生彎曲時或者由于傾斜而使內圈和外圈中心線產生相對傾斜角度不大于0.5°～2°時，軸承仍然能夠正常工作，具有良好的調心性能[1]。球面滾動體結構在承受軸向力和徑向力時，接觸的是非封閉的橢圓或者是近似的矩形，消除或者降低了邊緣應力集中，同時也具有較好的抗沖擊能力、抗震動能力，并且可以補償因為安裝與軸的變形所引起的同心度誤差。

當調心滾子軸承處于軸向工作載荷大于徑向工作載荷的[e]倍時[2]，軸承會產生軸向偏移，導致軸承滾動體倒角邊緣發生磨損、點蝕、疲勞剝落。如圖2所示，在軸承長時間運轉過程中，倒角邊緣疲勞剝落的滾動體影響主機運行的穩定性[3]。而且滾動體倒角邊緣失效會導致軸承面出現表層硬化現象，這種表層硬化現象嚴重影響軸承運行速度。而軸承故障會導致軸承運行狀況惡劣、增大摩擦阻力、提升設備的溫度、出現振動信號異常等，并且降低旋轉精度。

2 球面滾動體素線對數修形設計

為防止滾動體倒角邊緣與滾道接觸的端部產生應力集中，對其滾動面端部直徑略經修正，一般將這樣的滾動體定義為凸度滾動體和修形滾動體。該方法已在圓柱滾子軸承和圓錐滾子軸承中大量應用，可以提高產品的使用壽命。調心滾子軸承的對數修形在國外已經開始應用，由于滾動體凸度的復雜性，國內在制造及檢測方面仍然存在許多問題。

球面滾動體素線原為整段圓弧，需要在兩端進行對數修形設計，滾動體素線修形段為除圓弧段[LR]外，建立坐標系如圖3所示。

3 球面滾動體素線對數修形工藝

目前，圓柱或圓錐滾動體素線為直線，滾動體素線對數曲線修形一般是通過超精機調整導輥角度后超精實現;但是，球面滾動體素線對數曲線修形無法超精實現，所以只能采用切入法磨削成型后，通過超精提高表面質量。

某型號調心滾子軸承球面滾動體的直徑[Dw]為78 mm，長度[LW]為138 mm，素線曲率[RW]為541.531 mm，屬于對稱滾動體。根據對數曲線修形方程確定修形系數[k]為0.131 06，素線設計圓弧長度[LR]為86.91 mm。為實現對數曲線修形，采用多段圓弧圓滑過渡連接，經試驗驗證，圓弧選用5段最佳，如圖4所示。各段圓弧相切交點為對數曲線上的[fx，x]坐標點。

模擬球面滾動體素線的對數曲線設定第一段圓弧的長度為11.361 mm;第二段圓弧的長度為5.049 mm;第三段圓弧的長度為5.049 mm;第四段圓弧的長度為6.311 mm;第五段圓弧的長度為2.100 mm。計算得出[fx]和圓弧曲率。其對數曲線和模擬多段圓弧的模擬對比圖如圖5所示。坐標原點如圖3所示位于滾動體中心，通過Excel圖形生成輪廓曲線，在[X]取（0，66.9）時，對數曲線和模擬多段圓弧是基本一致的，因此模擬多段圓弧可以實現球面滾動體素線對數修形。素線對數曲線和圓弧多段模擬對比圖如圖5所示。

4 素線對數修形加工設備及程序

由于球面滾動體的結構具有特殊性，磨加工時采用切入磨加工。加工精度受砂輪材質、機床主軸進給精度影響較大。目前，國內球面滾動體外徑磨床（3MZ40100CNC）的磨削原理為滾動體外徑面有多點浮動支撐，滾動體端面貼緊機床導輪，加工時，滾動體由導輪帶動做旋轉運動，軸向由砂輪形狀固定不做運動。因此，滾動體基面和滾動面同時作為加工基準，在對滾動體修形時，確保滾動體高度尺寸一致，否則，切入磨加工后，滾動體兩端對稱性達不到技術要求。

根據對數修形公式輸入不同位置[X]值，計算出輪廓的[fx]值，得出機床坐標[X，Y]，并建立坐標系，如圖6所示。由于滾動體高度尺寸的不確定性，為保證整個滾動體滾動面全部修形，在修整砂輪時，需要每端增加4 mm砂輪修形寬度。

以上述某型號滾動體為例，通過計算得到坐標參數，使用操作系統SINUMERIK 802D sl，其具體修整砂輪程序代碼如下：

G00 G55 G94 G90 Z0.0

G01 X-1 F500

G01 G55 X0 F500

G01 G55 Z0 F=R58

G01 X=0 Z=0 F=R58

G02 X=1.4636 Z=7.4380 CR=112.6423 F=R58

G02 X=1.8025 Z=10.114 CR=242.4036 F=R58

G02 X=2.2674 Z=14.128 CR=405.1089 F=R58

G02 X=3.0750 Z=22.000 CR=500.6236 F=R58

G02 X=3.7177 Z=29.515 CR=538.2368 F=R58

G02 X=3.7177 Z=116.485 CR=541.5310 F=R58

G02 X=3.0590 Z=124.000 CR=538.2368 F=R58

G02 X=2.2514 Z=131.872 CR=500.6236 F=R58

G02 X=1.7865 Z=135.886 CR=405.1089 F=R58

G02 X=1.4476 Z=138.562 CR=242.4036 F=R58

G02 X=0 Z=147.000 CR=112.6423 F=R58

5 修形后結果驗證

對于修形后的對稱滾動體素線對稱度的檢測，可采用D913軸承外徑測量儀測量，按儀器使用說明書調整儀器，在滾動體素線非修形段末端和修形段末端分別測量滾動體直徑，將滾動體水平旋轉180°后測量滾動體另一端直徑，兩端直徑差≤0.004 mm。

輪廓度誤差是形狀誤差中的一種，其測量方法與通常的曲率測量方法類似。對于曲率測量，一般有兩種方法：一種是樣板比對測量，另一種是用輪廓儀測量。而對數曲線輪廓的每一區間段的形狀都不相同，用樣板測量很難保證測量位置正確，而且其是一種定性的測量方法，人為因素影響較大，因此一般不采用樣板對比測量，而是利用輪廓儀直接定量測量分析出滾動體素線的對數曲線輪廓度。

輪廓度檢測用Taylor Hobson輪廓儀對滾動體素線進行測量取點生成測量輪廓，然后按輪廓儀的格式將滾動體素線的對數曲線公式進行編輯并輸入輪廓儀，同時要確定對數曲線的起始點和終止點[4]。在確定對數曲線的起始點和終止點時，務必要保證準確，因為對數曲線的每一區間段輪廓都不相同，起始點或終止點錯誤會導致對數曲線的區間段發生偏移，從而導致測量結果不準確。儀器根據輸入的公式生成一條理論曲線，最后將測量輪廓與理論曲線進行對比，其測量的輪廓與理論的對數曲線修形基本一致，如圖7所示。

6 結語

通過對特大型球面滾動體素線對數修形工藝進行研究，使用多段圓弧模擬對數曲線進行修形，并在球面滾動體外徑磨床（3MZ40100CNC）采用多段圓弧修形砂輪切入磨加工方式，經Taylor Hobson輪廓儀檢測，其測量的輪廓與理論的對數曲線修形基本一致。而滾動體高度是保證加工滾動體對稱性的基本條件，機床精度是保證滾動體修形輪廓的必要條件，在實際生產中可通過控制滾動體滾動面修形前磨削余量和保持砂輪形狀恒定即減少砂輪修整次數來提高加工效率。本文為實現修形球面滾動體素線提供了理論工藝研究和加工及檢測經驗。

參考文獻：

[1]鄧四二，賈群義，薛進學.滾動軸承設計原理[M].北京：中國標準出版社，2014.

[2]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.滾動軸承 額定動載荷和額定壽命：GB/T 6391—2010[S].北京：中國標準出版社，2010.

[3]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.滾動軸承 損傷和失效術語、特征及原因：GB/T 24611—2009[S].北京：中國標準出版社，2009.

[4]劉旗，高武正，王夢茵.對數曲線輪廓滾子加工工藝及檢測方法[J].軸承，2016（12）：12-14.