大型薄壁圓錐滾子軸承外圈的控形加工工藝

時可可，陳翠麗，倪濱昆，何紅玉，賀甜甜

(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;3.河南省高端軸承產業研究院，河南 洛陽 471039; 4.北京科技大學 材料科學與工程學院，北京 100083;5.河南科技大學 高端軸承摩擦學技術與應用國家地方聯合工程實驗室，河南 洛陽 471023)

薄壁類軸承壁厚系數小于1.143[1-2]，具有截面積小,質量輕,所占空間小等特點，廣泛應用于汽車、機床、工業減速器等機械裝備。因其徑向壁厚較小，剛性低，加工時極易產生變形，加工精度和表面質量難以控制，特別是大型薄壁圓錐滾子軸承外圈，由于寬度方向的壁厚相差較大，加工時常出現嚴重的變形，廢品率較高。

國內外學者對軸承套圈的加工變形進行了一定研究：文獻[3]結合理論和試驗分析了軸承套圈的切削變形，結果表明夾持變形以及切削過程中的殘余應力是導致套圈變形的主要原因；文獻[4]分析了切削參數和夾緊方式對軸承套圈變形的影響，結果表明切削參數對套圈變形無顯著影響，扇形卡爪比使用芯軸夾緊造成的套圈形狀誤差大；文獻[5]分析了圓柱滾子軸承套圈在熱處理和磨削過程中出現橢圓的原因，給出了降低橢圓度的淬、回火工藝參數和磨削規范；文獻[6]基于有限元法對不同卡盤夾持下薄壁軸承套圈內徑面的精車變形進行數值模擬，結果表明與三爪卡盤相比，六爪卡盤受力點多，套圈不易變形；文獻[7]建立了軸承套圈熱處理變形的有限元模型，分析了殘余應力對變形的影響，結果表明熱處理過程中應力釋放引起的塑性變形是影響套圈圓度的主要原因；文獻[8]針對薄壁軸承套圈剛度低，加工時易變形的問題，提出了帶加強圈的加工工藝；文獻[9]為最大限度地消除輕、窄系列圓錐滾子軸承套圈的熱處理變形和磨削變形，提出了增加磨削基準面和改變磨削余量的工藝方案；文獻[10]指出薄壁軸承套圈加工過程中產生變形的原因為機加工后的殘余應力和零件自身內應力較大,定位面平面度不高,裝夾力較大,單次磨削量較大,磨削量不均勻,砂輪磨削工藝不合理，提出車輪廓前增加粗車毛坯及去應力工序,車輪廓后增加去應力工序,精研定位面,改變裝夾方式,減小單次磨削量,增加半細磨工序,優化磨削工藝的改進措施，并進行了實際加工驗證。

上述均為中小型薄壁軸承套圈加工變形的研究，關于大型薄壁圓錐滾子軸承外圈加工變形的研究較少，故有必要分析該類軸承外圈加工過程中產生變形的原因，并提出相應的控形加工技術。

1 大型薄壁圓錐滾子軸承外圈的加工變形

大型薄壁圓錐滾子軸承外圈的加工一般要經過鍛造、車削、熱處理、磨削等工序[11]，其中車削、熱處理及磨削是控制外圈外形尺寸精度、內在特性和表面形貌的關鍵工序，各工序中的加工變形不可避免。

1.1 車削加工變形

車削加工是外圈毛坯件或鍛件切削成形的重要加工方式[12]，車削加工變形為夾具夾持變形和車削工藝不合理造成的切削變形[13]，表現為外圈的單一平面外徑變動量和平均外徑變動量超差。

1.2 熱處理變形

熱處理是提高軸承接觸疲勞強度、耐磨性、硬度及尺寸穩定性等的關鍵工序[14]，熱處理變形主要表現為外圈直徑的變動量和端面翹曲，主要由淬/回火工藝中的熱應力和組織相變應力引起[15-18]，影響因素有淬/回火方式、工藝參數以及熱處理設備中淬火模具的整形效果。

1.3 磨削加工變形

磨削加工是提高外圈幾何精度和表面質量的關鍵工序[19]，磨削加工變形[20]主要由磨削熱、磨削力以及工件剛性不足引起，影響因素有磨削工藝、工藝參數及支承方式等，表現為套圈端面的寬度變動量、單一平面外徑變動量超差。

2 控形加工技術

以L555249/L555210大型薄壁圓錐滾子軸承外圈為例分析，其結構及關鍵尺寸精度如圖1所示，材料為GCr15。外徑為315～400 mm的常規圓錐滾子軸承外圈寬度、外徑和滾道直徑車加工后的工藝留量見表1，特輕、超輕系列外圈在此基礎上增加0.1～0.2 mm。

通過優化關鍵工藝和改進工裝的方式控制加工變形，車削、熱處理及磨削主要控形指標要求見表2。

表2 車削、熱處理及磨削主要控形指標

2.1 車加工

文獻[21]分析了該類軸承外圈車加工工藝存在的問題，并提出了相應的改進措施，在此僅簡要介紹。

2.1.1 原工藝及存在的問題

大型薄壁圓錐滾子軸承外圈的鍛造通常采用2個合鍛，傳統車加工通常夾持合鍛件的一端車削另一端，一般要進行粗車和精車，粗車采用硬爪夾持工裝，精車采用軟爪夾持工裝，車加工后將合鍛件切為2個外圈。

存在的問題：1)粗車產生了較大的尺寸偏差，精車時會產生誤差復映；2)粗車硬爪尖點的夾緊方式以及較小的精車軟爪包絡面會使外圈變形。

2.1.2 改進措施

1)增加車削二次夾持定位基準工序；2)改進粗車硬爪的夾緊方式，增大精車軟爪與外圈外徑面的接觸面積。

2.1.3 實際效果

優化車加工工藝前后的外圈VDsp，VDmp如圖2所示：1)優化前僅20%外圈的VDsp滿足車加工要求，VDmp均不符合車加工要求；2)優化后95%外圈的VDsp，VDmp滿足車加工要求。說明優化后的車加工工藝可有效控制外圈變形。

2.2 熱處理

2.2.1 原工藝及存在的問題

該大型薄壁圓錐滾子軸承外圈的熱處理通常采用鹽淬爐加熱，鹽冷淬火方式，工藝曲線如圖3所示。原工藝加工后套圈的淬、回火組織和硬度等熱處理質量均能滿足普通產品要求；但大型薄壁外圈易產生較大的變形，一般淬火后還要進行壓端面翹曲和熱整形等，勞動強度大，效率低，整形困難，且廢品率高。

2.2.2 改進措施

1)原鹽淬爐淬火工藝改為淬火機2次油冷淬火工藝；2)整形過程由獨立的整形裝置改為二次淬火過程中采用壓淬模具整形。優化后的熱處理工藝曲線如圖4所示：首先采用轉底爐加熱保溫和一次油冷淬火，其次采用淬火機帶模具二次油冷及模具整形，然后在回火爐中回火，最后在空氣爐中附加回火。帶模具二次油冷淬火是整形的關鍵過程，壓淬模具如圖5所示，是具有上、下2個帶錐面結構的模具。

2.2.3 實際效果

優化熱處理工藝前后的外圈CUC，VDsp如圖6所示：1)優化前僅45%外圈的CUC滿足熱處理要求，VDsp均不滿足熱處理要求；2)優化后外圈的CUC，VDsp均滿足熱處理要求。說明優化后的熱處理工藝可有效控制外圈變形，且熱加工和整形連續緊密，勞動強度小。

2.3 磨加工

2.3.1 原工藝及存在的問題

原工藝流程為：初磨兩端面、外徑面、滾道→附加回火→終磨兩端面、外徑面→細磨滾道→終磨滾道→超精滾道。

原工藝在細磨滾道時磨削力會使外徑面產生變形，破壞了終磨外徑面作為基準的精度，當再次支承外徑面磨削滾道時，外徑面變形會復映到滾道上，導致滾道產生形狀誤差[9]，且不能較好地改善外圈內部應力。

2.3.2 改進措施

保持外圈裝夾和支承方式不變，增加細磨兩端面、外徑面和二次附加回火工序，并將細磨滾道調整至細磨外徑面工序之后，優化后的磨削工藝流程如圖7所示(虛線框中為本文增調的工序)。優點：1)細磨工序細分了初磨和終磨工序的磨削余量，減小了磨削應力造成的變形，提高了磨削精度，改善了表面質量；2)二次附加回火工序進一步消除了外圈在磨削過程中因磨削力和磨削熱產生的內應力，使工件快速達到穩定狀態。

2.3.3 實際效果

優化磨削工藝前后外圈的VCs，VDsp，VDep如圖8所示：1)優化前僅45%外圈的VCs滿足磨加工要求，僅40%外圈的VDsp，VDep滿足磨加工要求；2)優化后外圈的VCs,VDsp,VDep均滿足磨加工要求。說明優化后的磨加工工藝可有效控制外圈變形。

3 成品實際加工效果

采用控形技術加工的大型薄壁圓錐滾子軸承外圈的主要技術指標見表3，各項技術指標均滿足要求。

表3 控形加工后大型薄壁圓錐滾子軸承外圈的主要技術指標

分析改進后的工藝成本：1)車加工方面，車加工留量未變化，工裝、夾具、夾爪可在車加工車間改進，成本幾乎不變；2)熱處理方面，外圈熱加工工藝時間變化不大，增加了壓淬模具成本(約5 000元)，但減小了壓端面翹曲和橢圓頂形的工裝和人工成本；3)磨加工方面，磨削留量未變化，細磨和終磨可在同一磨床上完成，成本未增加，僅增加了二次回火成本。綜上所述，在利用現有生產設備和加工能力的基礎上，工藝優化后增加的成本較小，與優化前加工變形導致產品報廢的成本相比微不足道。

4 結束語

針對大型薄壁圓錐滾子軸承外圈在加工過程易變形的問題，分別對車削、熱處理及磨削工藝進行優化，改進后的工藝有效控制了大型薄壁圓錐滾子軸承外圈加工過程中的變形，提高了加工質量，降低了廢品率。