滾子軸承凸度加工技術的研究進展

高作斌，馬偉，鄧效忠

(1.西北工業大學 機電學院，西安 710072；2.河南科技大學 機電工程學院，河南 洛陽 471003)

在早期的圓柱和圓錐滾子軸承中，滾子與內、外滾道都設計并加工成直素線的圓柱或圓錐面，其之間處于直線接觸狀態，期望得到均勻的接觸應力分布，但這些軸承常常在滾子端部或滾道兩側過早地出現疲勞損壞。理論分析和試驗研究均表明，這種接觸狀態在滾子端部存在邊緣效應，造成應力集中，顯著影響軸承壽命。為了消除邊緣應力集中，提出了對滾子和滾道的直素線進行修形的概念。由于修形后直素線變成中凸的曲線，因此稱為凸度曲線，并由此形成了滾子軸承的凸度技術。

凸度技術的產生和發展對滾子軸承性能的提高產生了重大影響，已成為滾子軸承的重要技術。盡管如此，由于凸度問題的復雜性，仍然存在許多難題沒有解決。凸度技術主要包括凸度設計、加工和檢測技術3個方面。下文闡述滾子軸承凸度加工技術的研究現狀，并對今后的研究方向進行展望。

1 凸度加工技術的研究現狀

1.1 滾道凸度加工技術

滾道凸度的磨削采用切入式加工，形成凸度的方法是成形法，因此凸度形狀精度和凸度量的大小主要取決于砂輪廓形的修整精度。砂輪修整系統的曲線運動精度控制是關鍵[1-2]，主要涉及精密導軌和精密數控技術。外圈滾道凸度也可以用直廓形的砂輪加工，但凸度形式只能是雙曲線型；這種加工方式要求砂輪和套圈的回轉軸線不在同一平面，而且兩軸線交錯角的大小直接影響外滾道凸度的大小。

滾道凸度的超精研加工方式有貫穿式和切入式，形成凸度的基本原理均為使滾道兩端積累的超精量大于中部。貫穿式采用比較窄的油石，在高頻小幅振蕩的同時，沿滾道寬度作全寬度范圍的往復運動。油石的往復運動是變速運動，其運動規律決定了油石在滾道寬度各位置超精時間的不同，因而積累的超精量也不同。有時油石小幅振蕩的頻率也隨著油石的加工位置不同而按一定規律變化[3]，使滾道兩端的超精量大于中部。因此，凸度形狀精度和凸度量的大小主要取決于往復運動規律和振蕩頻率的變化規律。遺憾的是，并沒有公開文獻對這一變化規律與凸度之間的定量關系進行報道。切入式采用比滾道寬度略大的異形寬油石。異形油石厚度從兩端向中部逐漸變小，所以滾道兩端超精量比中部大。異形油石厚度變化規律與凸度之間的定量關系也未見報道。

1.2 滾子凸度加工技術

1.2.1 滾子凸度磨削技術

滾子凸度的磨削一般采用無心貫穿的加工方式，也可以采用切入式加工。無心貫穿的加工方式具有加工效率高的優點，形成凸度曲線的方法是范成法，凸度形狀和凸度量取決于滾子的姿態、貫穿軌跡以及砂輪工作面輪廓形狀。磨削中，滾子凸度形面一方面與砂輪工作面構成1對共軛曲面，另一方面又與導輪工作面構成1對共軛曲面。按照共軛曲面原理，當滾子的凸度確定以后，在滾子的貫穿軌跡有包絡的條件下，確定1種軌跡曲線，就可以確定對應的砂輪工作面輪廓和導輪工作面輪廓。有包絡的軌跡曲線不是唯一的，合理選擇滾子的貫穿軌跡曲線對凸度的磨削有重要意義，選擇時一方面應使共軛的導輪和砂輪工作面盡可能簡單，另一方面又有利于滾子貫穿運動的穩定。文獻[4]報道了圓弧形凸度磨削中軌跡曲線和對應砂輪及導輪輪廓曲線的設計，而其他凸度曲線的相關內容則未見報道。

無心貫穿磨削后滾子的凸度形狀精度和凸度量與磨削和砂輪工作面輪廓形狀的修整精度有關，也與滾子貫穿運動的穩定性有關。圓柱滾子凸度磨削砂輪和導輪工作面輪廓均由機床自帶修整器修整，難度相對較小，容易實現；而圓錐滾子凸度磨削導輪工作面是復雜的螺旋輪廓，需要專用磨床進行修磨，形狀精度控制難度較大，成本較高。

切入式加工形成凸度曲線的方法是成形法，其凸度主要取決于砂輪廓形。這種加工方式效率低但精度高，適合大型精密滾子。

1.2.2 滾子凸度超精研技術

滾子凸度的超精研采用無心貫穿的加工方式，由多種類型的1排油石壓在1排滾子上方高頻振蕩進行研磨，屬于多工位加工，有時高達10個工位。滾子在1對旋轉導輥的支撐和驅動下，在導輥輥形的引導下，以一定的軌跡和姿態，一邊旋轉一邊從油石下方貫穿通過。從油石進入第1工位到脫離最后一個工位的時間段內，完成1個滾子的超精研過程。

凸度超精研的加工方式雖然與磨削類似，但滾子凸度曲線的成形機理卻比磨削復雜得多，這是因為雖然可以把滾子凸度形面和導輥形面看做1對共軛曲面，但考慮到以下因素，很難把滾子凸度形面和油石的工作面看做1對共軛曲面。

(1)油石以一定壓力壓在滾子上，各工位油石可以相對滾子獨立地整體彈性退讓或自動補進，不像磨削中砂輪相對滾子有確定的位置。

(2)油石工作面是與滾子形面形狀吻合度相當高的凹面，其與滾子的接觸可能是分散的多點接觸；而磨削中砂輪與滾子的接觸是點或線接觸。

(3)滾子凸度形成過程伴隨著油石工作面的顯著磨損變形。對多數滾子超精研加工來說，油石的磨耗率和工件材料的切除率相比，大致在1個數量級，視油石性能和工件材料的不同，油石的磨耗率有時還會大于工件材料的切除率，因此油石工作面磨損變形的速度幾乎和滾子凸度成形速度一樣快，不可忽視；而在貫穿磨削中，單個滾子從進入磨削到結束磨削的時間段內，砂輪的磨損可以忽略不計。

(4)油石工作面變形過程可能和滾子凸度成形過程有直接的相互影響，這種作用機制是范成法磨削加工中所沒有的。由于滾子和油石磨損率接近，滾子凸度在數值上又比較小，一般為2～15 μm，在研磨過程中，滾子和油石之間總體上是凸面對凹面的接觸，貼合程度相當高，但凸面與凹面形狀始終不會完全吻合，因此滾子凸度形狀和油石工作面形狀的改變都可能顯著影響接觸狀態；反之，接觸狀態的改變又會引起滾子和油石表面形狀的改變。

文獻[5-7]報道了基于經驗的超精研工藝參數對凸度的影響，但綜合考慮上述復雜因素，還未見到深入研究滾子超精研凸度曲線形成機理的報道。正是由于滾子超精研凸度曲線的形成機理尚未研究清楚，因此，滾子的貫穿運動軌跡的正確選擇十分困難，按照共軛曲面原理，這直接影響到超精研導輥輥形的設計(滾子貫穿過程中，滾子形面與導輥形面構成1對共軛曲面)。現有關于導輥輥形設計的研究[8-9]對滾子超精研凸度曲線的形成機理認識不足，因此，工程實際中進行導輥輥形設計時，特別是進行非圓弧凸度滾子超精研導輥的設計時，對經驗的依賴性較強。

圓柱滾子凸度超精研導輥是復雜的凸曲面，圓錐滾子凸度超精研導輥是復雜的螺旋曲面，導輥尺寸大，且為高硬度耐磨材料，因此加工難度大。圓錐滾子凸度超精研導輥加工需要專用機床。

2 凸度加工技術的研究展望

綜上所述，凸度磨削加工的成形方法和機理都已基本清楚，提高凸度磨削精度的關鍵主要在于從機床運動精度控制方面提高砂輪和導輪工作面輪廓的修整精度。此外，滾子非圓弧全凸形凸度磨削中，凸度的形成會導致滾子與導輪工作面及刀板之間的接觸變成理論上的點接觸，降低滾子的支撐穩定性。在磨削力的作用下，滾子貫穿和自轉運動的穩定性將下降，從而影響滾子磨削后的凸度形狀精度和圓度，因此有必要深入研究凸度磨削中滾子運動的穩定性。

凸度超精研加工的凸度成形機理和規律尚不完全清楚。滾道超精研凸度成形問題相對簡單，因為只有1塊油石，滾道寬度也十分有限；而滾子超精研凸度成形機理和規律，不但涉及油石與滾子之間細微而復雜的接觸狀態變化，而且涉及很大的貫穿長度、多工位油石組合和復雜的螺旋或非螺旋曲面，因此有必要進一步深入研究，以實現超精研導輥輥形設計方法的改進和工藝參數的優化。此外，圓柱滾子凸度超精研中，滾子與凸曲面導輥之間始終是點接觸，導輥對滾子的支撐穩定性差，在油石壓力和振蕩研磨摩擦力的作用下，滾子貫穿和自轉運動的穩定性下降，從而影響滾子超精研后的凸度形狀精度和圓度，因此也有必要進行研究。

3 結束語

磨削和超精研是凸度加工的主要工藝。磨削加工凸度的成形方法和機理都已基本清楚，技術關鍵在于修整器的運動精度控制；超精研加工凸度的成形機理和規律還不完全清楚，特別是滾子超精研凸度成形機理和規律十分復雜，需要進一步深入研究；滾子凸度加工中滾子運動的穩定性也需要深入研究。