NJ（P）3226X1軸承滾子素線質量的探討

鄭國勝

（鐵道部駐哈爾濱車輛驗收室，黑龍江哈爾濱150036）

滾動體素線的形狀，決定了其在額定負荷下接觸面上的應力分布狀態。若圓柱滾子素線形狀是直線，承受負荷時，由于“邊緣效應”，其軸向接觸面上的應力分布是不均勻的，越靠近端部，應力越大。應力的不均勻分布，導致滾動體壽命的降低。

為改善應力分布狀態，滾子素線的形狀有多種。研究結果證明，在額定負荷下，滾子素線形狀為對稱型對數曲線時，接觸面上的應力分布狀態最理想。

NJ（P）3226X1軸承滾子為圓柱體，其技術參數見圖1。素線方程：Y=3.58×10-3ln（1／（1-（2X／49.2）2）），其中X≠49.2／2。滾動面素線凸度要求0.014～0.020mm，46mm坐標值處的滾子直徑差要求≤0.002 4mm。滾子素線質量的符合性，是驗收中關注的項點之一。如果滾子素線的符合性存在問題，滾子接觸面上的應力分布狀態達不到設計的要求，勢必減少軸承的額定壽命，對鐵路的行車安全造成威脅。

圖1 NJ（P）3226X1軸承滾子參數

1 問題的提出

滾子素線符合性，由3個要素構成，分別是：

（1）線形偏差：線形偏差指滾子素線的實際形狀與素線的理論曲線相吻合的程度，即與理想線形的誤差大小；

（2）素線凸度：指素線凸起量，NJ（P）3226X1軸承滾子滾動面素線凸度要求0.014～0.020mm（見圖1）。

（3）素線的對稱性：素線的對稱性反映出組成素線的兩條對數曲線相互對稱的程度。設計上用圖1中46 mm坐標值兩端的滾子直徑相互差≤0.002 4mm來衡量。

驗收中發現滾子素線的檢驗手段和檢測數據存在著以下問題：

（1）線形偏差檢驗手段落后

線形偏差的檢驗，采用輪廓儀出圖后，與標準曲線目視比對的方法。標準曲線印在透明紙上，檢測時，將帶有理論曲線的透明紙與被檢測滾子素線的輪廓圖相互重疊，以實測曲線與理論曲線相互吻合的程度進行判定。

這種方法存在著主觀因素的影響，同時、重疊比對時的操作誤差，影響檢驗的準確性。

（2）滾子素線的凸度分布不理想

驗收中的數據顯示，滾子素線的凸度值，幾乎都在17μm 以下，17μm 以上的僅占約4%，在 NJ（P）3226X1軸承滾子技術要求中（見圖1），17μm是素線標準凸度的均值。正常狀態下，滾子素線的凸度值應呈現以標準凸度的均值為中心的正態分布。即凸度大于和小于17μm的滾子數量應大致相當。

（3）素線的對稱性數值分布不理想。

素線的對稱性合格區間為0～2.4μm，驗收中的數據顯示，素線的對稱性檢測值絕大部分分布于1～2.4μm區間內，存在著不合理分布問題。

2 分析問題原因、明確改進方向

針對上述問題，聯合相關部門，從工裝設計、加工環節進行分析，采取以下3個方面措施提升NJ（P）3226X1軸承滾子素線的符合性。

（1）NJ（P）3226X1軸承滾子素線線形是由精研加工獲得的，線形偏差大小取決于精研工序的滾棒，精研滾棒的設計需改進，同時檢驗手段需改進；

（2）素線凸度值分布與滾棒設計有關，滾棒設計需改進；

（3）素線對稱性主要取決于加工滾子送料的方式、加工參數，需優化送料的方式，確定加工參數。

3 解決問題的方法

針對產生問題的原因，采取了以下解決方法。

（1）優化NJ（P）3226X1軸承滾子精研滾棒設計

為使NJ（P）3226X1軸承滾子素線滿足方程Y=3.58×10-3ln（1／（1-（2X／49.2）2）），精研時，油石需在滾子素線上形成滿足該方程的包絡。為實現這種包絡，需對精研滾棒進行理論設計，并通過試加工后的驗證結果，對設計理論進行必要的修正。

為使油石在NJ（P）3226X1軸承滾子素線上形成滿足方程Y=3.58×10-3ln（1／（1-（2X／49.2）2））的包絡，精研滾棒在其軸線上各截面的直徑是變化的，其公式如下：

式中Di為精研滾棒在Xi處的直徑；a為兩精研滾棒在Xi處的實際中心距，a=a0／cosε；a0為兩精研滾棒在滾棒中截面的名義中心距；ε為水平面內精研滾棒軸線與滾子送進基準線之間的夾角，ε=tan-1（tanγ0tanλ／cosλ）；γ0為接觸角；λ為精研滾棒軸線與水平面的夾角；Y（Xi）為滾子幾何中心移動至Xi時，在Y軸方向上的投影位置，Y（Xi）=Xitanε；Z（Xi）為滾子幾何中心移動至Xi時，在Z軸方向上的投影位置，Z（Xi）=Xitanλ／cosε；h為滾子的幾何中心在精研滾棒中截面處的高度；DW為滾子的公稱直徑。

圖2～圖4是上述公式中各參數的示意圖。

圖2 滾棒中截面示意圖

圖3 精研加工俯視圖

圖4 滾子不同位置

圖2、圖4中D0代表滾棒中截面直徑；D1代表滾棒滾子在Xi點處的滾棒直徑。

按上述理論，分別加工了素線凸度為14，16，17，18，20μm的5種精研滾棒。每種滾棒加工200粒滾子，精研4遍。分別在精研加工2遍、4遍后取50粒滾子樣本，測量凸度值。凸度值數據的匯總、統計結果見表1。

表1 設計凸度與實測凸度的對比表 μm

表1數據顯示，精研4遍后，素線的凸度比2遍后的大。產生這種現象的原因是越靠近滾子的兩端，加工中需要去掉的金屬層越厚（見圖5）；只有這樣，才能形成素線的凸度。精研過程中，同滾子中部比較，越靠近滾子的兩端，加工成型的難度也越高。按圖1，滾子滾動面的兩端，與其中部比較，需多去除0.014～0.02 mm厚的金屬層，對精研加工講，如此厚的金屬層需多遍加工才能去除。因此，精研次數少時，就存在加工出的滾子素線凸度比按理論設計凸度小的現象。

在實際加工中，一方面，在滿足產品質量要求的同時，要采用合理的加工工藝，以實現最佳的經濟效益。另一方面，如果采用過多的精研加工次數，會對滾子滾動面的圓度及其他質量指標造成不利的影響。因而就不能以增加精研加工遍數的方法，解決設計與實際之間的差異。

把精研4遍后的滾子凸度均值，與滾子理論設計凸度進行比較分析，呈現出比例性的規律性，無論是哪種設計凸度的滾棒，精研4遍后的滾子凸度均值與滾子設計凸度的比值都近似為常數0.86。

正是這種規律性的存在，為精研滾棒設計參數的調整、優化奠定了基礎。

依據比例系數0.86，對精研滾棒的設計參數進行優化后，重復上述的試驗過程，其結果如表2。

表2 優化后的設計凸度與實際凸度對比表 μm

由表2優化設計后，設計凸度與精研加工4遍后的滾子凸度均值幾乎相等。證明設計參數優化是成功的。

批量加工抽樣檢驗數據表明，精研滾棒設計參數優化后，滾子滾動面素線凸度的分布，大部分集中在16～18μm，即公差帶中值17μm的附近。凸度值分布趨于合理。

（2）完善科學的NJ（P）3226X1軸承滾子素線的線形偏差檢驗手段

針對用帶理論曲線的透明紙與被檢測滾子素線的輪廓圖相互重疊，測曲線線形偏差的檢測方法的弊端。采用下述方法解決。

在輪廓儀的程序中，輸入了包括凸度下限14μm和凸度上限20μm的滾子滾動面素線的理論形狀。不僅測量素線的輪廓時，在輪廓儀的顯示屏上可以同時顯示被測滾子的滾動面的素線形狀及上、下限理論曲線，而且在圖形打印時，凸度上、下限理論形狀與檢測出的滾子滾動面的素線形狀一同出圖。

輪廓檢測圖上，被測滾子的滾動面素線形狀及上、下限理論曲線可以直接進行比較，從而獲得滾子滾動面的素線線形偏差的更為準確的判斷。

輪廓儀顯示屏的輸出及打印效果如圖5。

圖5 輪廓儀顯示的滾子理論曲線與實際輪廓

在圖5中不同位置做垂直線，測量理論素線（實線）和實際素線（虛線）的交點距離，再除以輪廓儀在滾子徑向的放大倍數，可以得到垂直滾子軸線各截面上素線形狀的線形偏差。

圖5中，3條實線中，最上端的曲線和最下端的曲線分別是凸度值為0.020mm和凸度值為0.014mm的理論素線曲線；中間的實線曲線在輪廓儀輸出中是沒有的，是為了清楚闡述問題加上的。它表示的是與被檢測的滾子滾動表面的素線凸度值相等的理論曲線。

虛線所代表的被檢測的滾子素線，雖然與理論曲線（中間的實線曲線）有偏差，但偏差在凸度為0.014mm和凸度0.020mm的理論素線曲線范圍之間，素線線形是合格的。

目前，國內有的廠家在滾子素線線形偏差檢驗中，采用了“表格式”的方法。“表格式”的檢驗方法是將給定的滾子軸向不同位置素線的徑向理論值，與該位置上的實際測量值進行比較，從而確定該滾子的軸向位置凸度偏差。其優點是對滾子素線的線形偏差的判定更加細化。

（3）改進加工方式與加工參數，實現素線的對稱性提升

素線的對稱性是以圖1中46mm坐標值處的滾子直徑差指標衡量的（標準要求≤0.002 4mm）。

試驗結果顯示，精研加工中滾子送料的方式和兩精研滾棒軸線的相互平行度，是影響滾子素線對稱性的關鍵因素。

①加工中滾子的送料方式對滾子滾動面素線對稱性的影響

試驗分3組，每組200粒滾子，采用2次精研。

每組中的100粒滾子，在精研時，采用同向送料（兩遍加工中滾子進入研削區時，都采用相同一端送進）；另100粒滾子，采用反向送料（精研2遍滾子進入研削區時，采用與精研一遍相反的一端送進）。

每組中不同的送料方式都隨機抽取50粒滾子，共抽取100粒，3組共計300粒。

測量數據整理見表3。

表3 滾子直徑差數據 μm

試驗數據顯示，采用精研各次間的反向送料方式，無論是直徑差的均值和直徑差的散差，都比同向送料方式好；因而，采用遍次間的滾子反向送料方式，對NJ（P）3226X1軸承滾子精研加工更加合理。

試驗結果同時顯示，對稱性在精研加工的次數是偶數時，比奇數時要好（試驗數據省略）。

②兩精研滾棒軸線的平行度對滾子滾動面的素線對稱性的影響

兩根精研滾棒軸線平行度，對滾子素線對稱性存在較大的影響。

為獲取精研滾棒軸線平行度與滾子素線對稱性之間的相互關系，精研滾棒軸線的平行度，可以用滾棒兩端相互間隙的差值表示。因而設計了如下試驗：

采用由小到大的4種滾棒兩端間隙差，分別為0.1，0.4，0.7，1.2mm。每種間隙差分別加工150粒滾子。

加工后的滾子，每組隨機抽樣50粒，測量素線對稱值。表5給出了統計結果。

表5 滾棒間隙差與滾子素線對稱性數據 mm

從表5數據分析，精研加工NJ（P）3226X1軸承滾子時，滾棒兩端間隙差最大不應超過0.4mm，越小越好。

4 結論

上述工作表明，要保證NJ（P）3226X1軸承滾子素線的符合性，需要做到：

（1）為保證凸度值分布的合理性，精研滾棒的設計需優化；

（2）采用輪廓儀的程序中輸入了凸度上、下限的方法，可使檢驗更科學、準確、直觀、便捷。

（3）精研加工的次數為偶數，且精研加工的各次間要采用反向送料方式。

（4）精研滾棒間軸線的平行度越小越好，滾棒兩端間隙差不應大于0.4mm。

通過努力，哈爾濱軸承廠NJ（P）3226X1軸承滾子素線凸度值、對稱性數值分布趨向合理；線形偏差檢驗手段更加科學、準確。

滾子素線不符合而產生的制造過程返修品率，由改進前的12.6%減低至改進后的1.2%，降低了90%。制造過程返修品數量減少后，返修過程中尺寸修小報廢的廢品數量隨之減少，從而使廢品率降低了50%。滾子素線的符合性得以提升。