軸承滾道磨削中金剛石滾輪修整技術(shù)的應(yīng)用

楊摩西，崔仲鳴，赫青山，王星，高東恩

(河南工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，鄭州 450001)

軸承滾道不僅引導(dǎo)滾子滾動(dòng)，還需承受徑向或軸向載荷，滾道加工質(zhì)量將直接影響軸承的制造精度和使用壽命。軸承滾道較為常用的精加工方法是先磨削加工出滾道形狀，再進(jìn)行超精研磨，滾道的磨削加工質(zhì)量是決定其尺寸和研磨后滾道廓形精度的首要條件。軸承滾道磨削方法分為：擺動(dòng)法、切入法和范成法[1]。其中切入法是最常用的方法，需先把磨削砂輪修整成所需的滾道形狀，然后采用切入磨削方式直接加工出滾道，滾道形面由成形砂輪直接加工，砂輪的表面形貌會(huì)如實(shí)反映在加工面上。因此，砂輪工作形面的修整精度是影響軸承滾道加工質(zhì)量的關(guān)鍵[2-3]。

砂輪的修整方法可分為機(jī)械修整法、電加工修整法和其他修整法[4]。軸承滾道磨削砂輪主要采用機(jī)械修整法中的單點(diǎn)金剛石筆修整法和金剛石滾輪修整法。單點(diǎn)金剛石筆修整法具有修整裝置簡(jiǎn)單，針對(duì)不同溝曲率容易調(diào)整的優(yōu)勢(shì)，但對(duì)于多滾道磨削，存在溝間距難以保證的缺點(diǎn)。金剛石滾輪修整法具有修整效率高，修整精度高和修整尺寸穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，尤其對(duì)于復(fù)雜形面精密修整具有優(yōu)勢(shì)[5]，已成功應(yīng)用于軸承磨削加工之中。文獻(xiàn)[6]研究發(fā)現(xiàn)金剛石滾輪的粒度和旋轉(zhuǎn)方向影響軸承零件的表面微觀形貌、應(yīng)力和金屬組織結(jié)構(gòu)；文獻(xiàn)[7]采用金剛石滾輪對(duì)3000系列調(diào)心滾子軸承進(jìn)行加工工藝試驗(yàn)和生產(chǎn)實(shí)踐，并達(dá)到了預(yù)期效果；文獻(xiàn)[8]設(shè)計(jì)制造包含10個(gè)不同溝形的金剛石滾輪，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多種雙滾道磨削砂輪的修整。但是，對(duì)金剛石滾輪修整法在軸承滾道加工中的工藝參數(shù)和實(shí)際效果的研究還不夠深入，文中將重點(diǎn)介紹。

1 金剛石滾輪修整法的特點(diǎn)

金剛石滾輪(以下簡(jiǎn)稱滾輪)修整原理如圖1所示，具有精密金剛石包絡(luò)形面的滾輪安裝在滾輪驅(qū)動(dòng)器上，滾輪高速旋轉(zhuǎn)并通過(guò)進(jìn)給與砂輪嚙合實(shí)現(xiàn)對(duì)砂輪形狀的修整。滾輪形面輪廓以及各項(xiàng)尺寸精度均參考被加工零件的相關(guān)技術(shù)要求設(shè)計(jì)，精度可達(dá)到微米，甚至亞微米級(jí)[9]。金剛石滾輪修整法是一種適合復(fù)雜零件的高效精密修整方法，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

圖1 金剛石滾輪修整法原理圖

1)修形能力強(qiáng)，可一次同時(shí)完成傳統(tǒng)加工多道工序的加工，尤其適合形狀較復(fù)雜的多滾道加工。

2)修整時(shí)間短，效率高，可以通過(guò)改變修整參數(shù)控制被修砂輪的鋒利度，能夠滿足不同的加工要求。

3)不易磨損，使用壽命長(zhǎng)，修整精度穩(wěn)定，能夠保證大批量生產(chǎn)的質(zhì)量穩(wěn)定性[10]。

2 金剛石滾輪制造及應(yīng)用工藝參數(shù)

2.1 精密金剛石滾輪的制造

滾道砂輪用金剛石修整滾輪一般采用內(nèi)電鍍法制造。內(nèi)電鍍法雖然工藝較為繁瑣且制造流程長(zhǎng)，但其制造精度能達(dá)到微米級(jí)，能夠滿足軸承復(fù)雜結(jié)構(gòu)形面的需求[11]。

內(nèi)電鍍金剛石滾輪制造法原理如圖2所示。首先在陰模型腔上加工出精密的型腔內(nèi)形面，以內(nèi)型腔表面定位，將金剛石固定在型腔內(nèi)形面上；然后通過(guò)電鑄將金剛石固結(jié)在陰模內(nèi)形面上，并形成一定厚度的磨粒鍍層；之后用鋼制內(nèi)芯與金剛石鍍層黏結(jié)，并將型腔形面的定位基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換到內(nèi)芯上；最后將陰模型腔去除，即得到具有精密形狀的金剛石滾輪，再經(jīng)過(guò)精密修磨得到高精度金剛石滾輪[12-13]。

1—內(nèi)芯；2—黏結(jié)層；3—金剛石工作層；4—陰模型腔基準(zhǔn)面；5—陰模型腔

2.2 滾輪的驅(qū)動(dòng)與安裝

滾輪與驅(qū)動(dòng)器軸一般采用直孔安裝形式(圖3)，這是因?yàn)閺较蚝洼S向?qū)L輪形面精度的影響不大，而軸線擺動(dòng)誤差影響較大。滾輪與驅(qū)動(dòng)軸的安裝采用精密配合方式，配合間隙用絕對(duì)值表示，對(duì)于常規(guī)尺寸的軸徑配合間隙Δ設(shè)定為4 μm，驅(qū)動(dòng)器主軸的回轉(zhuǎn)精度要求微米級(jí)。

1—金剛石滾輪；2—螺母；3—驅(qū)動(dòng)器軸；4—墊片；5—驅(qū)動(dòng)器軸肩；6—驅(qū)動(dòng)器軸徑

2.3 滾輪應(yīng)用工藝參數(shù)

滾輪修整過(guò)程中的轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、光修轉(zhuǎn)數(shù)等是影響修整效果的主要因素。針對(duì)軸承滾道磨削常用工藝參數(shù)的影響因素進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并確定基本工藝參數(shù)。試驗(yàn)修整滾輪：內(nèi)電鍍無(wú)規(guī)則排列粒度40/50，周邊線速度VR=0～15 m/s連續(xù)可調(diào)。砂輪：陶瓷結(jié)合劑白剛玉磨料，粒度220#，周邊線速度VS=15 m/s。

2.3.1 滾輪轉(zhuǎn)速

修整過(guò)程中滾輪外圓周與砂輪外圓周的相對(duì)速度稱為修整速度差VK，即VK=VS-VR，VK的變化會(huì)影響修整后砂輪的鋒利度，因此，可通過(guò)調(diào)整VK達(dá)到理想的修整效果。VK與磨削工件表面粗糙度Ra值關(guān)系如圖4所示，其中a為滾輪每轉(zhuǎn)進(jìn)給量。VK=0是滾輪周邊線速度與砂輪周邊線速度相等的情況，此時(shí)滾輪與被修砂輪呈對(duì)滾狀態(tài)，修整擠壓作用最強(qiáng)，被修砂輪表面鋒利度最大；VK=VS=15 m/s是滾輪轉(zhuǎn)速為0的特殊狀態(tài)，系統(tǒng)穩(wěn)定性不好，易產(chǎn)生振動(dòng)，工件表面粗糙度Ra值凸起；VK>VS>15 m/s是逆修狀態(tài)。應(yīng)用中最好選用0

圖4 修整速度差對(duì)磨削工件表面粗糙度Ra值的影響

磨削滾道外表面的砂輪直徑一般為500～600 mm，砂輪線速度接近VS=60 m/s時(shí)，采用VK=(0.20～0.75)VS，則滾輪周邊線速度VR=12～45 m/s。如果滾輪直徑為100 mm，則滾輪轉(zhuǎn)速n=2 300～8 600 r/min，考慮滾輪系統(tǒng)穩(wěn)定性推薦滾輪修整轉(zhuǎn)速為2 300～3 000 r/min。依據(jù)滾輪強(qiáng)度和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性試驗(yàn)，當(dāng)滾輪轉(zhuǎn)速超過(guò)3 000 r/min時(shí)對(duì)滾輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有超高的要求，一般不建議采用。同理，磨削套圈內(nèi)表面時(shí)砂輪速度約為40 m/s時(shí)，按上面原則推算VR=8～30 m/s，滾輪轉(zhuǎn)速n=1 500～5 700 r/min，推薦滾輪轉(zhuǎn)速為1 500～3 000 r/min。

2.3.2 修整進(jìn)給速度

提高修整進(jìn)給速度可以提高修整中的擠壓作用比例。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)當(dāng)a逐漸增大時(shí)修整力不斷增大，而砂輪表面粗糙度Ra值先增大后減小，原因是修整力過(guò)大時(shí)導(dǎo)致滾輪磨損加快，鋒利度降低；但修整力增加會(huì)引起系統(tǒng)變形，因此過(guò)大的進(jìn)給速度會(huì)降低修整精度和滾輪使用壽命。修整中應(yīng)選擇適宜的進(jìn)給速度，推薦滾輪每轉(zhuǎn)進(jìn)給量應(yīng)控制在0.3 μm以內(nèi)為宜。

2.3.3 光修轉(zhuǎn)數(shù)

修整結(jié)束時(shí)存在一個(gè)無(wú)進(jìn)給瞬間，在此瞬間內(nèi)滾輪的轉(zhuǎn)數(shù)稱為光修轉(zhuǎn)數(shù)，光修轉(zhuǎn)數(shù)可影響被修砂輪工作面的鋒利度。VK=0.7VS時(shí)光修轉(zhuǎn)數(shù)對(duì)砂輪磨削表面粗糙度Ra值的影響如圖5所示，由圖可知，光修轉(zhuǎn)數(shù)越大，砂輪的表面粗糙度Ra值越小，對(duì)應(yīng)的砂輪鋒利度越低,因此應(yīng)盡量減少光修轉(zhuǎn)數(shù)。

圖5 光修轉(zhuǎn)數(shù)對(duì)磨削工件表面粗糙度Ra值的影響

3 典型軸承滾道磨削應(yīng)用

3.1 軸承單滾道磨削

圖6 微型軸承內(nèi)圈局部結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)工件要求采用內(nèi)電鍍法制造金剛石滾輪，并設(shè)計(jì)輪廓形面尺寸精度要求，金剛石滾輪形面包括與軸承內(nèi)圈對(duì)應(yīng)的圓弧、臺(tái)階、保持架鎖槽斜面，可以通過(guò)金剛石滾輪修整成形，一次磨削出軸承內(nèi)圈滾道的全部形面元素。

金剛石滾輪形面輪廓測(cè)量的結(jié)果如圖7所示，其中滾道圓弧半徑為1.636 mm，精度為4 μm；圓度為4 μm；溝底與頂端距離為0.334 mm，精度為1 μm；角度誤差為±10′，直線度為1～2 μm。

圖7 微型軸承內(nèi)圈金剛石滾輪形面精度測(cè)量結(jié)果

使用該金剛石滾輪修整后的砂輪加工100個(gè)試樣套圈。修整參數(shù)為：修整轉(zhuǎn)速1 500 r/min；VK=0.5VS，修整進(jìn)給速度0.2 μm/r。對(duì)磨削后套圈隨機(jī)抽樣測(cè)量，各項(xiàng)尺寸精度結(jié)果見(jiàn)表1。結(jié)果表明，檢測(cè)的試樣精度都符合要求，且尺寸分散度很小，質(zhì)量穩(wěn)定性好。

表1 微型軸承內(nèi)圈抽樣測(cè)量結(jié)果

3.2 軸承多滾道磨削

除單滾道軸承以外，金剛石滾輪更多應(yīng)用于雙滾道以及多滾道軸承磨削中[14]。多滾道軸承的加工難度高，工序復(fù)雜，其難點(diǎn)在于每個(gè)滾道的加工工序?qū)S承質(zhì)量均有影響。因此，對(duì)溝半徑偏差、溝跳動(dòng)偏差以及溝間距偏差等都有很高的要求[15]。金剛石滾輪修整法可在砂輪上修整出具有多個(gè)滾道的砂輪工作形面，一次磨削出多滾道或者溝徑不等的軸承滾道，各滾道形狀由金剛石滾輪的精度保證，可有效提高軸承成品質(zhì)量，同時(shí)提高生產(chǎn)效率。

一種雙列滾動(dòng)軸承內(nèi)圈的局部結(jié)構(gòu)如圖8所示，其中滾道半徑為6.731 mm，公差為±0.006 mm；兩滾道的半徑差<0.005 mm；溝心距為27.537 mm，公差為±0.008 mm；溝深為0.626 mm，公差為±0.008 mm；徑向跳動(dòng)<0.01 mm。設(shè)計(jì)制造的磨削雙列滾動(dòng)軸承內(nèi)圈金剛石滾輪如圖9所示，滾輪形面包括與軸承內(nèi)圈對(duì)應(yīng)的雙列圓弧滾道、臺(tái)階、保持架鎖槽斜面。

圖8 雙列滾動(dòng)軸承內(nèi)圈局部結(jié)構(gòu)圖

滾輪形面輪廓測(cè)量結(jié)果如圖9所示，其滾道圓弧半徑偏差±5 μm；溝心距偏差±5 μm；雙溝跳動(dòng)偏差≤5 μm；雙溝曲率偏差≤3 μm。使用該金剛石滾輪修整后的砂輪加工出100個(gè)套圈試樣，具體修整參數(shù)為：粗磨時(shí)VK=0.7VS，修整轉(zhuǎn)速1 800 r/min，修整進(jìn)給速度0.3 μm/r；精磨時(shí)VK=0.4VS，修整轉(zhuǎn)速1 500 r/min，修整進(jìn)給速度0.2 μm/r。

圖9 雙列滾動(dòng)軸承內(nèi)圈金剛石滾輪形面測(cè)量結(jié)果

對(duì)加工試樣進(jìn)行抽樣檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表2。從表中可以看出，溝半徑偏差在5 μm之內(nèi)，溝間距偏差小于10 μm，溝跳動(dòng)偏差5 μm，并且能夠穩(wěn)定保持。

表2 雙列滾動(dòng)軸承內(nèi)圈抽樣測(cè)量結(jié)果

4 結(jié)論

對(duì)軸承滾道磨削常用金剛石滾輪修整法的滾輪制造方法、驅(qū)動(dòng)與安裝以及修整應(yīng)用工藝參數(shù)影響規(guī)律進(jìn)行分析，并對(duì)金剛石滾輪修整技術(shù)在套圈滾道中的應(yīng)用進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，得出以下結(jié)論：

1)金剛石滾輪修整效率高，修整質(zhì)量穩(wěn)定，精度可以滿足軸承滾道磨削要求，尤其適合自動(dòng)化程度較高的大批量軸承生產(chǎn)的修整工序。

2)內(nèi)電鍍法制造的金剛石滾輪具有精度高、形面復(fù)雜的特點(diǎn)，適合應(yīng)用于微小尺寸軸承和多滾道軸承的滾道精密磨削。

金剛石滾輪修整技術(shù)目前在國(guó)內(nèi)軸承行業(yè)應(yīng)用還不廣泛，是因?yàn)槭褂脻L輪修整技術(shù)需在機(jī)床上安裝滾輪驅(qū)動(dòng)器，而滾輪驅(qū)動(dòng)器精度比較高，制造有一定難度。機(jī)床生產(chǎn)廠家應(yīng)及時(shí)開發(fā)滾輪修整技術(shù)，在機(jī)床設(shè)計(jì)制造中考慮滾輪修整裝置，以促進(jìn)滾輪修整在軸承制造中推廣應(yīng)用。