改善薄壁軸承套圈端面翹曲的方法

孫立才，張林，劉兢，李鵬，王長峰

(1.洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039；2.河南省高性能軸承技術重點實驗室，河南 洛陽 471039；3.滾動軸承產業技術創新戰略聯盟，河南 洛陽 471039)

薄壁軸承是尺寸系列中壁厚最薄的一種軸承，其壁厚系數D/d1≤1.143[1]，該類軸承在發動機中應用廣泛，滿足以最小尺寸的軸承實現重載和高速要求，適應緊湊化設計[2]。

套圈端面作為工序基準，要求其平面度(含翹曲和內外差)、寬度變動量、表面粗糙度均應具有較高精度。薄壁軸承因剛度低，容易變形，平面研磨精度往往難以保證，主要體現在平面度指標上。套圈磨削的端面翹曲與設備和工藝參數密切相關，因此，應加以分析研究并制定相應措施來提高平面度。

1 平面度影響因素

平面磨削一般采用MB43100或MB4363研磨機，前者采用砂輪盤，后者采用鑄鐵盤。MB4363對翹曲的控制較MB43100有所提高，但仍不能取得較好效果，并且鑄鐵盤須采用長時間研磨的方式，加工效率低。受結構、精度及加工效率的限制，這2類設備加工薄壁套圈時廢品率一般超過30%。

意大利麥杰瑞高精度平面研磨機ELC1200(圖1)廣泛應用于液壓泵組件、硬質合金刀片和軸承套圈的加工，可放置5個零件載盤。該設備采用壓力、時間循環加工模式，壓力通過閉環控制的高精度滾珠絲杠控制，分為初壓、主壓和精壓，調整范圍均為300～3 000 N；配置的測量控制系統在零件高度達到設定值后自動結束循環；上下砂輪盤均為CBN材料。CBN砂輪耐磨、研磨效率高、導熱性好，能減小零件熱變形，且研磨時不粘屑，特別適用于加工超硬高速鋼、耐熱鋼、不銹鋼、高溫合金等難加工材料[3-4]。其中，上砂輪盤具有浮動自動調節功能，使砂輪盤和零件接觸狀態更優化，對薄壁套圈精度的提高十分有利。

圖1 ELC1200平面研磨機

薄壁套圈端面采用ELC1200研磨機加工具有諸多優勢，但對影響套圈平面度的設備調整和工藝參數設定仍需要深入分析。

1.1 磨削壓力

CBN砂輪盤要求零件總磨削面積和砂輪盤面積處于一定的比例，一般面積比以10%～20%為宜，過小則單個零件上的磨削壓力過大，余量去除過快；過大則容易使砂輪盤表面形成不規則磨損，會對零件精度產生不利影響。薄壁軸承套圈端面磨削的面積比遠小于10%，因此研磨時設備壓力不宜過大。

1.2 砂輪盤平面度

砂輪盤在使用過程中會發生磨損，必須定期檢測上、下砂輪盤的平面度并進行修整。根據砂輪盤面內徑和外徑磨損的程度不同，可分為不同形式，如圖2所示。磨損形式主要由砂輪盤和載盤的轉向所致，例如當上、下砂輪和載盤均順時針回轉時，在外徑方向因砂輪和載盤線速度方向相同，二者相對速度低，故磨損較輕，在內徑方向則相反，如此狀態運轉一段時間后，將出現圖2a所示的磨損形式。

圖2 零件載盤的4種磨損形式

根據檢測結果，當上砂輪盤或下砂輪盤的平面度超過0.05 mm時必須進行修整。修整分2種方式：當平面度不大于0.05 mm時，可改變零件載盤的轉向自行修整，進一步提高精度；當平面度大于0.05 mm時，采用兩砂輪盤對研或采用鑄鐵盤進行修整。

1.3 零件載盤結構

一般零件載盤是使用硬鋁或鋼板在整個圓盤中部開孔，然后將多個零件放入孔中，這種方式在研磨過程中零件容易相互碰撞造成變形。實踐表明，在零件載盤圓周方向均布開孔使零件相互隔離并增加油槽的結構可取得較好效果，如圖3所示。載盤宜選用工程塑料。載盤開孔的公稱尺寸φD比零件外徑尺寸大2 mm即可，如零件外徑尺寸為φ100 mm，則開孔尺寸為φ1020+0.1mm，這是因為孔徑過大會造成零件運轉不穩定，而穩定運轉在加工薄壁套圈時尤為重要。

圖3 零件載盤結構設計

1.4 磨削液

研磨過程中磨削液主要起潤滑、冷卻、防銹和清洗的作用。合適的磨削液有利于延長CBN砂輪的壽命，提高磨削效率。磨削液分水基磨削液和油基磨削液，為充分發揮CBN砂輪的優異性能和保證零件的磨削表面完整性，應優先選用含有極壓添加劑的低黏度油基磨削液[3]。選用的嘉實多Carecut ES3切削液性能優異，具有低泡沫、良好的過濾性和抗氧化性，而良好的清洗和潤滑特性可以保證加工表面的質量并提高加工精度。

1.5 工藝參數

實際加工中需嚴格控制套圈的粗磨加工工序，防止原始精度超差對后續研磨造成的影響；應采用合適的研磨方法，及時釋放研磨過程中的應力，提高工件加工精度。

2 工藝試驗

以某型薄壁軸承平面研磨進行試驗，試驗軸承外圈尺寸為φ142.8 mm×φ137.8 mm×8 mm，內圈尺寸為φ132.1 mm×φ127 mm×8 mm，材料為9Cr18，硬度不小于58 HRC，公差等級為P5。

2.1 設備參數

磨削壓力：初壓用于壓實零件，壓力在300～500 N之間任意選取；主壓用于研磨，研磨壓力應盡量小，宜控制在300～500 N，選為350 N；精壓用于提高表面質量，設備程序要求低于主壓值，故選為320 N。

零件載盤：薄壁套圈磨削面積比低于10%，故載盤開孔應盡量多，試驗軸承最多可開孔5個，此外還應采用內外圈套研的方式增加面積比。

砂輪轉速：轉速對精度影響不大，一般為定值，砂輪盤粗磨時選為60 r/min，精磨時選為30 r/min。

最終確定的設備參數見表1。

表1 設備參數

2.2 試驗方法及結果分析

連續進行4次磨削試驗，第1次研磨余量為0.05 mm，第2，3次研磨余量均為0.02 mm，第4次研磨余量為0.10 mm。外圈原始平面度為0.010～0.012 mm(其中1件為0.020 mm)，工藝要求值不大于0.008 mm，原始高度差不大于0.020 mm；內圈原始平面度為0.008～0.010 mm，工藝要求值不大于0.006 mm，原始高度差不大于0.020 mm。在每個零件載盤特定位置做編號，每次研磨后均取該處零件進行平面度測量，測量儀為G803，檢測結果見表2，研磨后的零件如圖4所示。

表2 內、外圈平面度測量結果

圖4 研磨后的套圈

由檢測數據可知：

1)除2#外圈外，零件可以滿足精度要求。2#外圈的原始平面度較大(0.020 mm)，研磨后有所改善，但仍不能滿足要求，即研磨對精度的提高有限。因此，實際加工中要嚴格控制薄壁軸承的粗磨尺寸差和精度，為研磨提供良好的基礎。

2)經過第1次研磨，套圈平面度明顯提高，第2,3次研磨的精度提高已不明顯，第4次大余量研磨后個別套圈出現精度破壞。因此，實際加工中最好分2次去除余量，先去除3/4余量，再去除剩余的1/4余量，以減小應力變形，提高精度，工藝總余量宜控制在0.10～0.15 mm。

3)對比內、外圈的數據可知，內圈的精度明顯高于外圈，翹曲控制得十分理想。因為內圈尺寸小于外圈，在套研情況下為驗證是否因尺寸不同而產生差異，將零件載盤更換為內圈用載盤，在內圈內部放置墊圈，實現類似套研的效果，研磨后內圈平面度數據見表3，結果并不理想。由此可知，在內、外圈套研時內圈的精度高于外圈，并非由套圈尺寸不同引起，而是普遍規律。因此，若成本允許，薄壁軸承內外圈不能套研時，可考慮在套圈外部增加墊圈的方式來提高精度。

表4 內圈平面度測量結果

3 結束語

薄壁軸承套圈端面平面度超差與采用設備和工藝參數有關，選用ELC1200平面研磨機，確定了設備、工藝參數對套圈磨削翹曲的具體影響情況，工藝試驗結果表明，提高套圈毛坯質量、分步去除余量、增加墊圈等措施可以有效改善薄壁套圈的端面翹曲。該設備也可以適用于其他薄壁軸承的平面研磨，設備參數可作為薄壁套圈的通用程序存儲在設備中，更換型號后，可直接調用或在原有基礎上略作調整后使用。