微型三點接觸球軸承雙半內圈溝道加工工藝改進

杜曉宇，鄧四二，張旭，崔靜偉

(1.河南科技大學 機電工程學院，河南 洛陽 471003；2.洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039；3.高性能軸承數字化設計國家國際科技合作基地，河南 洛陽 471039；4.河南省高性能軸承技術重點實驗室，河南 洛陽 471039)

雙半內圈三點接觸球軸承可承受雙向軸向載荷，也可承受一定的徑向載荷，且適用于高速工況，需求量日益增加。針對P5及以上精度的微型雙半內圈三點接觸球軸承，采用“內圈按一個整體加工后再進行剖切”的工藝路線，無法保證雙半內圈溝道加工精度。經工藝驗證,多采用“整體加工→剖切→粘接加工”的工藝路線進行加工，以提高內圈加工精度[1]。

1 三點接觸球軸承雙半內圈溝道加工難點

三點接觸球軸承雙半內圈的加工工藝(圖1)可分為3類：

1)整體加工。在未剖切前以整體內圈進行車削、熱處理、磨削等。

2)剖切。利用線切割將整體內圈剖切為2個半內圈,這2個半內圈寬度略有差異。

3)粘接加工。將2個半內圈粘接在一起加工,包括磨削、超精、選配、徑向游隙測量、接觸角測量等，在磨削、超精溝道時按整體單溝曲率溝道加工即可。加工完成后分離雙半內圈，去除粘膠，修整2個半內圈寬度至一致，從而使雙半內圈溝道呈桃形。

圖1 三點接觸球軸承雙半內圈加工工藝路線

利用3MB143D溝道磨床通過電磁無心夾具采用切入法對粘接后的雙半內圈溝道進行粗磨、精磨，粘接后的雙半內圈存在微小錯位時，會出現不同心現象(圖2)，造成受力不均，脫膠開裂。用SQ2棍棒式超精機對粘接后的雙半內圈溝道超精時，油石垂直于溝道旋轉方向并按一定規律做高頻往復振蕩運動，油石磨粒切削方向不斷變化，使雙半內圈溝道不斷受軸向力沖擊，也易導致雙半內圈脫膠開裂。

圖2 雙半內圈粘接錯位示意圖

為解決雙半內圈溝道在粗磨、精磨、超精過程中因粘接強度不足而出現開裂的問題，嘗試采用了不同類型的粘接劑，但開裂問題仍不能有效解決。為提高該類軸承溝道加工精度和合格率，有必要設計輔助工裝，并對工藝參數進行優化。

2 工藝改進

2.1 輔助工裝設計及雙半內圈固定

溝道磨削的輔助工裝如圖3所示，其作用主要是使雙半內圈軸向和徑向定位。芯軸與套圈為間隙配合，芯軸材料選擇常用鋼。芯軸也可做成空心，以減輕質量。

1—粘接劑；2—雙半內圈；3—墊片；4—緊固螺釘；5—芯軸

超精加工的輔助工裝如圖4所示，超精加工時應盡可能保證雙半內圈質心與幾何中心重合，否則易出現內圈不穩，影響溝形。因此，要求所采用的工裝結構對稱，且質量較輕，可采用膠木芯軸。此外，可借助頂棒使膠木芯軸易置入及取出，如圖5所示。

1—粘接劑；2—雙半內圈；3—膠木芯軸

1—頂棒；2—膠木芯軸；3—粘接劑；4—雙半內圈；5—底座

雙半內圈固定時，先在剖面上涂一層粘接劑，再通過輔助工裝固定芯軸，待粘接劑固化后進行溝道磨削及超精加工。

2.2 磨削工藝參數優化

為降低雙半內圈相對移動及脫膠開裂的幾率，除改進雙半內圈固定方法外，應在保證磨削效率的前提下盡可能減小磨削力。為簡化分析過程，僅以單顆磨粒的磨削力進行分析。單顆磨粒的磨削力為[2]

F=dfπHdghcu，

(1)

式中：df為經驗系數；H為工件布氏硬度；dg為磨粒尺寸；hcu為磨粒切入深度。

假設砂輪表面磨粒為球形且大小相等，則hcu的最大值為[3-5]

(2)

式中：C為砂輪表面單位面積內的磨粒數量；r為未變形切屑寬度與厚度的比值；vw為工件線速度；vs為砂輪線速度；ae為平面磨削時的磨削深度；de為砂輪當量直徑。

(2)式中的ae針對的是平面磨削。對于溝道磨削，ae指的是套圈每旋轉一周時砂輪的進給量，即

(3)

式中：dw可近似認為是軸承溝底直徑；vf為砂輪進給速度。

對于給定的工件和砂輪，(1)—(3)式中df，H，dg，C，r，de為定值，各單顆磨粒中的最大磨削力Fmax與vw，vs，vf的關系為

(4)

結合(4)式可知，為降低雙半內圈脫膠開裂的幾率，將粗磨分2次進行，減小單次磨削時的vf。此外，可適當降低工件軸轉速。

關于砂輪軸轉速的調整，從(4)式看，vs的指數大于vw和vf，增大vs的效果比較明顯。但過高的砂輪軸轉速會增大砂輪軸振動，從而增大溝形誤差。綜合考慮砂輪軸轉速保持不變。

3 實際加工效果

以某型雙半內圈三點接觸球軸承為例，其外形尺寸如圖6所示，砂輪型號為35×5×5 GC240K，溝道磨削機床為3MB143D。通過工藝試驗，最終確定的磨削參數見表1。利用SQ2棍棒式超精機超精時，為降低開裂率，要求工件轉速及超精CBN油石的擺動頻率不能太高，比正常超精加工要降低10%左右；同時要減少超精時間，粗超要求在15 s內，精超要求在8 s內。

圖6 某型雙半內圈三點接觸球軸承外形尺寸

表1 某型雙半內圈溝道磨削加工參數優化

工藝優化后,三點接觸球軸承內圈溝道磨削時的開裂率由30%降至5%以內，大大提高了生產效率，降低了廢品率。

此外，測量了工藝改進前后8套軸承兩溝曲率中心偏差，見表2，工藝優化后兩溝曲率中心偏差合格率達到了100%，且數值較為集中，說明溝道加工質量明顯提升。

表2 工藝改進前后兩溝曲率中心偏差

4 結束語

通過實際生產情況的驗證，說明改進工藝所加工微型雙半內圈三點接觸球軸承的內圈溝道具有合格率高，溝形一致性好等優點。所設計的輔助工裝需針對不同型號軸承的特定尺寸進行定制，盡管制造工裝耗時費力，但對于批量生產高附加值、重要用途的軸承，加工合格率和效率提升的意義更大。