砂輪修整方法對交叉圓柱滾子軸承內滾道磨削的影響

張德穎，趙廣炎，楊俊生，張亞輝，劉良勇

(1.洛陽軸承研究所有限公司，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聯盟，河南 洛陽 471039)

交叉圓柱滾子軸承作為一種結構精簡，同時可以承受徑向載荷、軸向載荷和傾覆力矩聯合作用的高精密軸承，是很多高精設備的關鍵部件[1]。其90°的V形滾道面是軸承工作時承受載荷的工作面，也是滾子滾動的軌道面，滾道加工質量直接影響到軸承的工作性能和使用壽命。由于滾道的成形形狀是砂輪形狀的鏡像，為了保證90°的V形滾道的磨削質量，需要借助砂輪修整器對砂輪進行精密修整，保證砂輪具有高精度的幾何輪廓形狀，所以砂輪修整質量是影響軸承質量的重要因素[2-3]。文中以4種不同方法修整的砂輪對圓柱滾子軸承內滾道磨削的工藝過程進行討論，研究不同砂輪修整方法對套圈滾道磨削質量和加工效率的影響。

1 修整方法討論

1.1 手動直桿修整

手動直桿砂輪修整器是一種常用的90°V形砂輪修整器，主要由導軌組件(圖1)和修整桿件(圖2)組成。使用手動直桿砂輪修整器修整砂輪的原理如圖3所示。安裝修整器時，調整修整器導軌組件，使金剛筆的修整點在砂輪回轉中心所在的水平面上。修整砂輪時，將修整器桿件緊貼修整器導軌組件的一個導軌面往復拉動修整器桿件，金剛筆將砂輪的一個磨削面修整成形后，調整修整器桿件，使其緊貼修整器導軌組件的另一個導軌面(與第1個導軌面呈90°夾角)，修磨砂輪的另一個磨削面，反復操作直至砂輪修磨至工藝要求尺寸。

圖1 直桿修整器導軌組件結構圖Fig.1 Structure diagram of guideway component of straight bar dresser

圖2 直桿修整器修整桿件結構圖Fig.2 Structure diagram of dressing bar of straight bar dresser

圖3 手動直桿修整器修整砂輪示意圖Fig.3 Diagram of grinding wheel dressing by manual operation straight bar dresser

修整特點：修整器結構簡單，制造成本低，安裝拆卸方便，修整砂輪效率高；但是修整砂輪時人為影響因素較大，修整速度不均勻，對操作人員的技能要求較高，修整后的砂輪磨削套圈滾道的直線性較差，同時修整出的砂輪角度固定不可調整，不容易達到工藝要求。

1.2 液壓直桿修整

液壓直桿修整器結構如圖4所示，其修整砂輪原理如圖5所示。修整砂輪時，裝有金剛筆的修整器桿件在活塞桿的帶動下在雙面直線導軌上平穩移動，通過液壓系統控制修整器桿件往復運動修整砂輪工作面，達到工藝要求的輪廓。

圖4 液壓直桿修整器結構示意圖Fig.4 Structure diagram of hydraulic linear dresser

圖5 液壓直桿修整器修整砂輪示意圖Fig.5 Diagram of grinding wheel dressing by hydraulic straight bar dresser

修整特點：修整器采用液壓驅動，傳動平穩，修整砂輪直線性好，并且修整角度可調整；但是修整器無法雙邊修整，只能單邊修整，前期安裝調試較慢，加工效率不高。

1.3 數控插補修磨

數控插補修磨法修整砂輪原理如圖6所示，修整砂輪時，呈90°垂直安裝在修整器桿件上的金剛筆1和金剛筆2按照數控程序設定的軌跡運動，分別修整砂輪工作面，達到工藝要求輪廓。

圖6 插補修整法修整砂輪示意圖Fig.6 Diagram of grinding wheel dressing by interpolation dressing method

修整特點：數控插補修整器桿件結構簡單，一般數控磨床出廠時就自帶數控插補程序，所以砂輪修整成本低，修整過程穩定可靠，可以直接一次性將砂輪修整成90°的V形結構，并且角度可按要求做微小調整。加工效率較高，使用方便。

1.4 金剛石滾輪修磨

金剛石滾輪修整器修整砂輪原理如圖7所示，修整砂輪時，金剛石滾輪在電動機的驅動下按照設定的速度相對砂輪做切入運動，直接修整砂輪的2個工作面至工藝要求輪廓。

圖7 金剛石滾輪修整法修整砂輪示意圖Fig.7 Diagram of grinding wheel dressing by diamond roller dressing method

修整特點：金剛石滾輪修整器結構簡單，安裝調整方便，質量穩定，修整效率高，尤其是砂輪工作面可以一次修整成形，經修整的砂輪磨削零件的直線性較好。但是金剛石滾輪需要依據軸承零件滾道形狀定制加工，金剛石滾輪制造工藝復雜，自身精度要求較高，制造成本高[4]；金剛滾輪修整的砂輪成形工作面沒有金剛筆單點修整的鋒利，要求被磨削零件表面的加工余量不能太大，否則被加工表面容易出現磨削振紋、燒傷等磨削質量問題[5]。因此金剛石滾輪修整法適合單一品種大批量、加工余量不大軸承零件的終磨加工。

2 磨削效果分析

選取交叉圓柱滾子軸承薄壁系列CRB40035/P4和常規系列CRB40040/P4內圈為試驗對象，分別采用上述4種方法修整的砂輪進行內滾道的磨削加工，以成品質量精度、合格率和生產效率為考查目標，分析不同方法修整的砂輪對交叉圓柱滾子軸承內滾道磨削質量和加工效率的影響。

2種型號軸承內圈精磨件各60件，每種方法加工15件，公差等級要求為P4。軸承材料為GCr15SiMn，試驗溫度為(20±2)℃，磨床型號為3MKSD2150和M2150，其中手動直桿修整和液壓直桿修整在M2150機床上測試。檢測項目及儀器見表1。

表1 檢測項目及儀器設備Tab.1 Testing items and instruments

2.1 磨削精度分析

試驗得到4種方法修整的砂輪加工的2種型號軸承內滾道精度及合格率分別見表2和表3。

由表2、表3數據可知：

表2 CRB40035/P4內滾道磨削精度及合格率Tab.2 Precision and qualified rate for grinding of inner raceway of bearing CRB40035/P4

表3 CRB40040/P4內滾道磨削精度及合格率Tab.3 Precision and qualified rate for grinding of inner raceway of bearing CRB40040/P4

1)手動直桿修整法加工的內滾道直線性超差、滾道角度偏差較大。這主要因為手動直桿修整法為手動操作，修整桿件抽拉速度、力度和進刀量人為因素影響較大，修整的砂輪表面磨粒大小不均勻，直線性差，故加工的零件質量精度和直線性明顯較差；修整器組件的角度固定無法調整，修整過程中金剛筆磨損、進刀量不均等因素影響了滾道角度偏差。

2)液壓直桿修整器修整方法加工的工件精度平均值較高。這是因為液壓直桿修整器修整過程中，液壓油傳遞動力平穩，金剛筆修整砂輪時，磨削力強勁平穩，修整的砂輪磨粒大小一致、表面平整均勻、工作面直線性好，故復映到工件表面質量好，表面粗糙度Ra值小[6]。

3)金剛石滾輪修整方法加工的工件精度平均值最高，內滾道直線性和表面粗糙度質量超出了設計要求。這是由于金剛石滾輪嚴格按照待加工零件形狀修整成形，自身精度較高，所以加工出的零件質量高；同時，金剛石滾輪安裝在數控機床上，砂輪的線速度較高，因此，金剛石滾輪修整法磨削加工的零件表面質量更好。

4)4種砂輪修整方法加工的CRB40040/P4內滾道精度及合格率要高于CRB40035/P4的精度。這主要是由于常規軸承內圈的壁厚較薄壁軸承內圈的壁厚有所增大，滾道磨削加工過程中零件自身變形量減小，利于零件質量精度的保證。

2.2 磨削效率分析

采用不同修整方法加工CRB40035/P4和CRB40040/P4內滾道的效率對比如圖8所示，圖中A，B，C和D分別代表手動直桿修整法、液壓直桿修整法、數控插補修整法和金剛石滾輪修整法。

由圖8可知：無論加工常規系列還是薄壁系列產品，在數控機床3MKSD2150上試驗的數控插補修整法和金剛滾輪修整法的磨削效率均高于在手動機床M2150上試驗的手動直桿修整法和液壓直桿修整法的磨削效率，這是因為數控機床砂輪線速度高，相同磨削量所耗費的時間更短，所以磨削效率高；數控插補修整法修整砂輪時，砂輪沿插補路徑的行程較長，并且砂輪返程屬于無進刀量的光整修整，而同等條件下金剛石滾輪直接短行程直線進給，修整效率高，故金剛石滾輪修整法磨削效率高于數控插補修整法的效率；液壓直桿修整器由于本身結構原因，只能修整砂輪的單個磨削面，因此砂輪在磨削過程中只能單滾道磨削，所以整體磨削效率最低。

圖8 精密交叉圓柱滾子軸承內滾道磨削效率對比Fig.8 Efficiency comparison of grinding of inner raceway of precision crossed cylindrical roller bearing

3 結論

1)手動直桿修整法操作簡單，加工效率高，成本低，磨削精度低，適合滾道留量較大，精度要求不高的粗磨加工。

2)液壓直桿修整法易操作，加工精度高、成本較低，加工效率低，適合小批量產品的精磨加工。

3)數控插補修整法操作方便，加工效率和精度高，適合大批量產品的精磨加工。

4)金剛石滾輪修整法對機床自身精度和修整器安裝精度要求較高，并且金剛石滾輪一般需要依據軸承型號定制加工，一次性投入費用高，但是加工產品質量穩定可靠，產品精度散差小，因此適用于單一品種、大批量、高精度要求的終磨加工。