精密角接觸球軸承內圈溝道磨削方法的分析

李獻會，敖正紅，周海波，尹延經，焦春照

（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）

軸承套圈加工仍以磨削精加工模式為主，磨削加工勞動量占總勞動量的60%以上，對于高精密軸承，磨削加工所占比例更大，因此，磨削加工是軸承生產中最關鍵的工序［1-2］。套圈溝道的精度直接影響軸承的旋轉精度、振動噪聲、疲勞壽命等，因此溝道加工尤為重要。軸承內圈溝道磨削加工有多種方法，各種加工方法有不同的適用范圍和加工特點，如果選擇不當，輕則工作效率低，重則造成工件報廢。如何根據工件特點正確選取加工方法以高精度、高效率、低成本地完成加工成為內溝加工的一道難題。

對支內圈外徑面磨溝、支內溝道磨溝、支內徑面磨溝和逃逸法磨溝4種軸承內溝磨加工方法進行理論分析。并以7010C／P4和71810C／P4內圈為試驗對象，分別利用上述方法對軸承內溝進行磨加工，討論各方法的加工精度、合格率和加工效率，為軸承內溝磨加工選擇更合適的加工方法。

1 角接觸球軸承內圈磨削工藝路線

為保證精密軸承的高精度，軸承零件加工采用多循環的方法，精密角接觸軸承的加工循環次數甚至達到3次以上［3-4］。一般來說，公差等級P4以上角接觸球軸承內圈磨削加工至少需要粗磨、細磨2次循環才能滿足精度要求，其中溝道加工還需要超精或拋光。軸承內圈磨加工基本路線為：端面→內圈外徑面（簡稱內外徑）→內溝道→內徑面（簡稱內徑）。端面、內外徑或內溝道為加工基準面，精度要求較高，是保證后工序加工精度的基礎。

磨削加工工藝路線的制定需綜合考慮設備能力、產品特點、質量穩定性、加工基準的確定等，不同的磨削方式采用不同的工藝路線。以內外徑或內徑為基準時的內圈磨削工藝路線如圖1所示，圖中帶有括號的工序為“非必需工序”，如支內徑磨溝無需細磨內外徑和精研內外徑，而支內外徑磨溝需要這2道工序。套圈磨削在多循環之間要進行熱處理（常為低溫回火），去除附加應力，促使組織穩定，防止套圈尺寸和精度發生變化。

圖1 精密角接觸球軸承磨削加工兩循環工藝路線圖Fig.1 Process route of precision angular contact ball bearingabrasive machining for dual cycles

2 角接觸球軸承內溝常用磨削方法

2.1 支內外徑磨溝

支內外徑磨溝是一種常用的軸承內溝磨加工方法，其原理如圖2所示。一般采用電磁無心夾具。支承點采用硬質合金，選用2個，并成一定角度，分別處于夾具的第3和第4象限。調整支承時要保證工件中心與夾具中心存在一定偏心量e，并使工件中心處于夾具第4象限。磨加工過程中，夾具轉動帶動工件做勻速轉動，工件受支承的限位作用，并且工件與夾具存在一定偏心，套圈可以平穩旋轉。砂輪在磨加工前需要進行修形，利用金剛筆將砂輪外緣修整成需要的形狀。砂輪對工件進行外切磨削，外切磨削的特點是砂輪的外徑大，線速度高，磨削效率高。磨削方向與工件旋轉方向相同［4-5］。

圖2 支內外徑磨溝原理圖Fig.2 Principle of grinding for inner ring groove by supporting outer diameter of inner

加工特點：1）采用外切磨削，磨削效率高；2）以內外徑為磨削基準，對內外徑精度要求高；3）溝道加工精度一般。

2.2 支內溝磨溝

支內溝磨溝原理如圖3所示，這種加工方式表面上與支內外徑磨溝相似，但加工原理大為不同。支內溝磨溝以內溝道為支承對象，內溝道既為基準面也為磨削面，加工過程中無需考慮內外徑精度，且溝道磨削精度可大大提升。此外，后序加工內徑面時，仍采用支承內溝的方式，可以有效保證內徑面精度。磨削方式仍采用外切磨削，加工效率高。支承所處位置和工件偏心與支內外徑磨溝相同［6-7］。

圖3 支內溝磨溝原理圖Fig.3 Principle of grinding for inner ring groove by supporting inner ring groove

加工特點：1）加工精度較高，尤其表現在內圈溝道與內孔的厚度變動量Ki（壁厚差）上；2）外切式磨削，磨削效率高；3）采用支內溝磨溝工藝時，省去了內圈擋邊外徑磨削工序，節省了工時。

2.3 支內徑磨溝

支內徑磨溝原理如圖4所示，其采用前、后2個支承分別支承工件內徑面，工件中心處于夾具第4象限，前、后支承使工件中心與砂輪中心基本處于同一水平面上，工件直接承受砂輪進給的切削力。這種加工方式以內徑面為基準，溝道精度由內徑精度保證，而內徑的加工以內外徑為基準，因此對內外徑加工要求極高。磨削中需嚴格控制進給量，進給量過大，超過工件的變形抗力時，易導致工件產生變形，造成工件尺寸、圓度等精度很難控制［6-7］。

圖4 支內徑磨溝原理圖Fig.4 Principle of grinding for inner ring groove by supporting inner diameter

加工特點：1）對前工序內外徑、內徑精度要求極高；2）對操作者技能要求高；3）生產效率不高。

2.4 逃逸法磨溝

逃逸法磨削內溝是一種非限位式磨削方法，原理如圖5所示。前支承為內支承，偏心處于第1象限，后支承為外支承，偏心處于第4象限，兩支承夾角β＝30°～45°。砂輪進給磨削工件時，若切削力超過電磁無心夾具的夾持力，工件將脫離第4象限的外支承。隨著磨削力的減小，工件又回落至外支承進行正常磨削。如此重復，直至磨削到所要求的尺寸［7］。

圖5 逃逸法磨溝原理圖Fig.5 Principle of grinding for inner ring groove by escape method

加工特點：1）對前工序內外徑、內徑精度要求高；2）適用于薄壁系列軸承磨削；3）工件加工變形量小；4）生產效率不高。

3 角接觸軸承內溝磨削工藝分析

軸承套圈磨加工工藝的制定主要從加工精度、合格率和效率等幾方面考慮，既要保證產品質量又要兼顧生產效率。精密角接觸球軸承內溝磨削方法的確定也需遵循這一原則。

選取精密角接觸球軸承常規系列7010C／P4和薄壁系列71810C／P4內圈為試驗對象，分別采用上述4種方法進行內溝磨削加工，以成品加工精度、合格率和生產效率為考核目標，分析精密角接觸球軸承內圈加工工藝。取2種試驗軸承內圈毛坯件各80件，利用上述4種方法分別進行加工，每種方法加工20件，加工工件公差等級要求達到P4，然后對樣件進行精度檢測。試驗條件見表1。

表1 試驗條件Tab.1 Test condition

3.1 精度分析

通過試驗得到4種加工方式下2種型號軸承內溝精度及合格率，分別見表2和表3。

由表2可知，4種加工方法下7010C／P4軸承內溝精度均能滿足工藝要求，合格率均大于90%。其中，逃逸法加工的工件精度平均值較高，除Ki值外其余各項精度均為最好，但加工時對內外徑、內徑精度要求較高；支內溝磨溝方法的內溝精度也很好，尤其是Ki的平均值僅1.01μm。

由表3可知，4種加工方法下71810C／P4內溝精度及合格率要低于表2中的數據，這是由薄壁軸承溝道加工容易變形導致的。逃逸法加工薄壁軸承內溝，由于其支點采用非限位式，避免了砂輪擠壓變形，產品加工精度較高，合格率達到95%；支內溝磨溝的內溝合格率達到90%，各項精度均合格，其中Ki平均值僅1.14μm；支內外徑磨溝和支內徑磨溝合格率較低，加工精度一般，原因在于其分別以內外徑和內徑為磨削基準，基準精度誤差會反映到內溝精度上，從而影響溝道加工精度。

表2 7010C／P4內溝磨削精度及合格率Tab.2 Precision and pass rate of inner ring groove bearing 7010C／P4

表3 71810C／P4內溝磨削精度及合格率Tab.2 Precision and pass rate of inner ring groove of bearing71810C／P4

3.2 效率分析

支內外徑磨溝以內外徑為支承面加工溝道，支內徑磨溝和逃逸法磨溝以內徑為支承面，但內徑加工仍需要以高精度內外徑為支承面，因此這3種內溝加工方式對于內外徑精度要求極高，而內外徑非關鍵尺寸，一般精度即可，這樣就造成加工工序的繁瑣和浪費。而支內溝磨溝以磨削面為支承面，不需要高精度的內外徑，因此相對加工效率提高。

7010C／P4和71810C／P4內溝細磨采用不同加工工藝的效率對比如圖6所示，圖中A，B，C，D分別代表支內外徑磨溝、支內溝磨溝、支內徑磨溝和逃逸法磨溝。由圖可知，無論是常規系列還是薄壁系列軸承支內溝磨溝具有絕對優勢，加工效率遠遠高于其他3種磨削方式，這主要得益于其支承方式，加工面即支承面，以自身為基準，無需高精度內外徑，簡化了加工工序。

圖6 精密角接觸球軸承內溝磨削效率對比Fig.6 Comparison of precision angular contact ball bearinginner ring groove grinding efficiency

逃逸法磨削內溝時，砂輪進給磨削工件，切削力超過電磁無心夾具的夾持力，工件將脫離外支承，減小砂輪擠壓的變形。這種方式下為了減小工件變形，砂輪進給減小，單位時間內磨削量小，加工效率偏低。逃逸法磨削內溝屬于一種犧牲加工效率提高加工精度的加工方式。

4 結論

1）精密軸承套圈磨加工采用多循環加工方式，可以降低磨削加工應力，減小變形量，提升加工精度。

2）常規精密球軸承內溝磨削宜采用支內溝磨溝方法，可以保證內溝磨削精度，內外徑只進行一次磨削加工就能滿足設計精度，避免了多循環加工，減少了加工工序，工作效率提高。

3）對于薄壁系列和特殊精度要求的精密球軸承內溝加工，可選用逃逸法磨內溝，雖然加工效率略低，但加工精度高，廢品率低。