大型對數凸形圓柱滾子磨削加工結果分析

周芬芬，張迅雷，袁巨龍，梁貴林，何城成

(1.浙江五洲新春集團股份有限公司，浙江 紹興 312500；2.臺州學院 智能制造學院，浙江 臺州 318000；3.浙江工業大學 超精密加工研究中心，杭州 310014)

圓柱滾子與滾道之間為線接觸，承載能力高，特別適用于大載荷和高速旋轉的機械裝備。為避免接觸應力在滾子端部出現邊緣效應，滾子必須加工成帶凸度的幾何輪廓[1]，對數凸形滾子的接觸應力沿滾子軸線方向均勻分布，是滾子最理想的凸度形狀[2]。文獻[3]考慮了熱-力耦合作用，得到對數凸形滾子存在最優凸度值，能避免端部出現應力集中。文獻[4]設計了改進滾子滾動面為三段圓弧圓滑過渡的凸度形狀，采用數控磨床3MZ40100CNC修整砂輪，切入法磨削滾子，實現了滾子素線為三段圓弧的圓滑過渡，滾子凸度定量可控。文獻[5]對特大凸度量圓柱滾子加工工藝進行分析，采用預磨斜坡+超精加工的方案，得到凸度量不小于100 μm的圓柱滾子。

本文首先介紹大型圓柱滾子的加工要求，接著闡述電磁夾具無心磨削的加工原理，然后對試驗結果進行分析。

1 大型對數凸形圓柱滾子加工要求

圓柱滾子按公稱直徑分為：Dw≤40 mm為中小型滾子， 40 mm75 mm為超大型滾子[6]。某國外風電企業配套用大型軸承用圓柱滾子(簡稱滾子)尺寸為φ50 mm×50 mm，滾子加工要求如圖1所示，滾子滾動面的表面粗糙度Ra值不大于0.32 μm，圓度不大于2 μm。滾子外徑輪廓加工要求見表1，以滾子軸向對稱中心為界，兩邊各10 mm為直素線，單邊10 mm后到凸度截止處分成了14個點，各點的距離為客戶指定要求，單個滾子總共28個點，每點均對應有最大輪廓值和最小輪廓值，根據最大和最小輪廓值得到平均輪廓值的最大值為91.6 μm。

圖1 某大型對數凸形圓柱滾子加工要求

表1 大型對數凸形圓柱滾子外徑對數輪廓上各點的輪廓值

2 加工原理

為實現大型對數凸形圓柱滾子的批量加工，采用無心磨削的加工方式，其加工原理如圖2所示，該裝置主要由金剛石筆修整系統、砂輪、噴嘴、磨削液、電磁吸盤、支承塊等組成。加工前，利用描點法，數字控制金剛石筆運動軌跡，將砂輪工作面修整成內凹的對數曲面輪廓；加工時，電磁吸盤和支承塊固定工件位置，同時電磁吸盤驅動工件旋轉，電動機驅動砂輪旋轉，砂輪對工件表面進行材料去除，同時將砂輪工作面形狀復映到滾子素線上，結合自動化的進料和出料裝置，實現滾子凸度成形批量加工。

圖2 無心磨削加工原理示意圖

3 工藝試驗

3.1 試驗裝置和加工條件

為保證工件的垂直度，采用的磨削加工工藝為：粗磨外徑面→磨雙端面→研磨端面→精磨外徑面→終磨外徑面。本文主要分析滾子外徑面精磨和終磨(設備型號3MZ2110)后的情況，滾子磨削加工條件見表2。為保證終磨后滾子尺寸的批量一致性，終磨設備安裝了滾子尺寸在線監測裝置。加工后對滾子的輪廓值、表面粗糙度Ra值和圓度誤差進行抽檢。

表2 大型對數凸形圓柱滾子磨削加工條件

滾子輪廓形狀采用精度為0.1 μm的Mhar輪廓儀檢測，按滾子產品要求劃分的點數進行各點輪廓值采樣測量，得到滾子輪廓形狀；滾子表面粗糙度采用Taylor Hobson粗糙度儀(采樣長度20 mm)檢測；滾子圓度誤差采用精度為0.01 μm的Taylor Hobson圓度儀對滾子中部進行圓度誤差測量。

3.2 砂輪修整

本次試驗在精密數控磨床上進行，滾子凸度成形批量磨削加工的關鍵是砂輪修整技術，數控系統的直線和圓弧插補功能可控制金剛石筆修整軌跡。其中，直線插補原理簡單(描點法)，容易控制誤差，圓弧插補控制誤差的計算較復雜，但可形成連續的逼近曲線[7]。由于客戶滾子外徑輪廓加工要求中給定了輪廓具體位置的對應值，未給出滾子對數曲線的具體函數，且滾子中部70%的輪廓接近直線，因此，采用直線插補原理控制金剛石筆的運動軌跡，直線段劃分越短砂輪修整精度越高。砂輪修整示意圖如圖3所示，本次加工對象是φ50 mm×50 mm的滾子，砂輪寬度為50 mm，金剛石筆描點間隔最小為1 mm，因此以砂輪工作面輪廓中心為起點，向兩邊分別劃分25個點，兩點的間隔均為1 mm。修整后砂輪中心約20 mm以內工作面輪廓為直線，離砂輪中心越遠，砂輪工作面輪廓值越大，最終將砂輪工作面輪廓修整成對數曲線形狀。

圖3 砂輪修整過程

砂輪工作面輪廓曲線上各點參數值設置見表3，根據滾子輪廓加工要求(表1)。砂輪中部與滾子中部對應，在距砂輪中心20 mm之前點的劃分可與滾子的一一對應，從而得到20 mm之前劃分點的最大、最小輪廓值；20 mm之后滾子加工要求劃分是距滾子中心21.5，22.5，22.9 mm的點，產品要求僅對滾子凸度輪廓部分進行限定。而實際加工中，砂輪軸向截面輪廓線將滾子軸向截面輪廓線完全包絡，20 mm點之后砂輪按照間隔1 mm劃分，還剩21，22，23，24，25 mm，共5個點。根據已知的滾子凸度輪廓數據，利用Solidworks對砂輪工作面輪廓進行樣條曲線擬合，得到20 mm點之后的最大、最小輪廓擬合值，再計算出平均輪廓值，從平均輪廓線可知砂輪工作面輪廓值從0增加到730.5 μm。以砂輪軸向截面輪廓線的端點為基準，將砂輪軸向截面修整成內凹的對數曲面廓形，輪廓線上每點處的修整量不同，將每點處的修整量稱為砂輪修整量占比，其計算公式為

(1)

式中：P為砂輪修整量占比；Xi為砂輪工作面輪廓點所對應的平均輪廓值；i為砂輪工作面劃分的點數，i=0,1,2,…，25。

根據(1)式，砂輪工作面輪廓點所對應的修整量占比見表3：輪廓線中部凹度最大，凸度為0，相應的砂輪修整量占比也最大(100%);隨著凸度值逐漸增大，砂輪修整量占比逐漸減小;到23 mm點時為滾子輪廓范圍，24 mm點和25 mm點為滾子兩端的倒角。

表3 砂輪工作面輪廓曲線上各點參數值設置

4 加工結果分析

任意選取終磨后的6個滾子進行檢測，結果見表4，由表可知，檢測技術指標均能滿足產品要求，且軸向跳動和圓度誤差小于產品要求值。

表4 試樣檢測結果

從終磨后的滾子中隨機抽取3個(1#，2#，3#)，采用Mahr輪廓儀檢測，得到滾子軸線上各點(按產品要求劃分的點數)的輪廓值，將3個滾子輪廓與要求的最大輪廓值和最小輪廓值繪制于圖4中，3個滾子的輪廓值均在產品要求范圍內。

圖4 圓柱滾子實際輪廓檢測及其與產品要求比較

求取滾子輪廓平均值，終磨后實際平均輪廓值與產品要求的平均輪廓值(表1)的最大偏差是2.88 μm，且滾子兩側數值最大偏差不超過1.5 μm。利用三次樣條曲線對終磨后滾子輪廓平均值進行擬合，如圖5所示，得到光滑曲線輪廓。

圖5 終磨后圓柱滾子平均輪廓擬合圖

選取2#滾子，對其精磨和終磨后的輪廓、表面粗糙度及圓度進行比較。精磨和終磨后2#滾子凸度輪廓檢測如圖6所示，精磨后左側凸度85.3 μm，右側凸度77.8 μm；終磨后左側凸度89.8 μm，右側凸度89.0 μm。滾子兩側最大凸度偏差從精磨后的7.5 μm降到終磨后的0.8 μm，兩側凸度偏差越小，滾子兩側輪廓越接近理想對稱，錐度越小。

圖6 2#圓柱滾子凸度輪廓

精磨和終磨后2#滾子滾動面的輪廓幅度值如圖7所示，經評定精磨后滾子表面粗糙度Ra值為0.222 μm，終磨后滾子表面粗糙度Ra值為0.179 μm。精磨與終磨后的表面粗糙度差距不大，砂輪的磨料粒徑是影響表面粗糙度的主要因素，而本次試驗中精磨和終磨所采用的砂輪一樣，因此終磨后滾子表面粗糙度沒有顯著提高。

圖7 2#圓柱滾子滾動面的輪廓幅度值

精磨和終磨后2#滾子滾動面中部圓度誤差如圖8所示，精磨后圓度誤差為1.42 μm，終磨后圓度誤差為0.39 μm。終磨后圓度誤差得到明顯的改善，表明磨削加工工藝安排合理。

圖8 2#圓柱滾子滾動面中部圓度誤差

5 結束語

使用數控全自動磨床，根據圓柱滾子凸度輪廓的已知數據，基于直線插補原理，結合Solidworks擬合，確定砂輪修整量占比，對φ50 mm×50 mm的滾子進行對數凸度成形磨削加工，滾子凸度最大值為89.8 μm，滾子兩側凸度偏差不超過1.5 μm，滾動面的表面粗糙度Ra值約為0.18 μm，滾子滾動面中部圓度誤差為0.39 μm，滾子批直徑變動量不大于3 μm，加工結果完全滿足產品技術指標要求，且加工效率高。