滾子球基面加工工藝參數及檢測方法改進

劉 旗，郭培銳，高武正

（洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039）

圓柱滾子兩端面、圓錐滾子大端面是基準端面，其端面微觀形狀一般有直線、對稱斜線、對稱球形三種。三種在不同應用工況下均各有優勢，但在高端軸承設計中，越來越多采用滾子球基面和斜擋邊的配合，以減少滑動摩擦、改善潤滑，而滾子球基面的形狀精度（形狀、SR）和位置精度（SDW）決定滾子與套圈斜擋邊的接觸狀態、自轉和繞軸承軸線公轉的穩定性[1-2]，球基面曲率半徑、滾子長度的加工數值一致性，較小的粗糙度值、端跳值，球基面外觀等指標是高精度滾子的技術要求，也直接影響滾子在軸承運轉中的狀態，因此，滾子球基面的加工和檢測作為行業公認的難點和痛點，需要進一步改進和提高，以滿足應用。

目前，滾子球基面的磨削方法有兩種：筒形砂輪往復式（范成法）、成形砂輪通過式（成形-軌跡法）。通過式磨削有很大優勢，在滾子行業中應用較為普遍，生產效率特別高，缺點是需要針對不同規格的滾子制造專用隔離盤，定位穩定性一般，更適合大批量、普通精度的產品；而往復式磨削設備工裝簡單、易于調整、技術準備周期短，具有較強的工藝性能和加工能力，適合高精度（Ⅰ級）、高穩定性要求的中小批量滾子。

1 往復式磨削特點及結構分析

部門新引進3MZ4250 球基面磨床，加工過程中經常出現調整費時、基面形狀和數值不達標、端面跳動不穩定（時大時小）等問題，通過分析機床結構、加工原理及相關附件工裝，提出一些改進措施。基本工作原理如圖1 所示，該機床采用磁盤驅動、筒形砂輪范成法磨削基面的方法[3]，特點如下：

圖1 滾子球基面加工原理圖

（1）全自動上下料裝置，屬于強制上料形式，結構緊湊簡單、上料速度快且運動可靠。

（2）采用步進電機-滾珠絲杠的進給傳動鏈，無間隙、精度高；無心裝夾，頂尖對小端面軸向定位，下支承及磁盤對外徑徑向定位，提高定位精度。

（3）機床配有單點主動測量裝置實現閉環控制，測量接近滾子邊緣某點的高度來控制滾子凸度，可嚴格控制球基面磨削量和批次滾子長度尺寸分散。

（4）筒形砂輪不必專門修整，工件與砂輪磨削進入穩定狀態之后，在相對磨削中自行修整，正常階段，砂輪損耗會降低高度，并不改變形狀。

（5）磨球基面前先進行磨平雙端面，保證端面對外徑的跳動，可減少端面加工余量，提高球基面加工質量和生產效率。

滾子軸心與砂輪回轉中心在同一平面相交，并各自圍繞自己的軸心線旋轉，砂輪進給產生磨削后，滾子的基面就獲得了一個球形基面，砂輪軸心線與滾子軸心線的交角α=arcsin（r/R），其中r是筒形砂輪平均半徑，R是滾子球基面所需半徑。

工作時，轉動砂輪座，按計算出的α 角，使砂輪軸線與滾子軸心成一角度，然后，橫向移動砂輪座，將砂輪的平均半徑對準滾子的回轉中心。此時，兩中心線的交點就是球形中心。加工時，雙端面上工序精度（平行差、端跳、批次高度一致性）及端面留量對球基面磨削有很大影響，磨削液、料套和支承等工裝調整起到關鍵作用，后續樣板、測量儀器檢測和分析來進行反饋微調。

2 工藝參數的驗證分析及改進

2.1 磨削液、砂輪驗證分析與選擇

隨著軸承專用機床的改進發展和現代化車間建設，軸承磨加工基本上采用水基磨削液加集中供液自動循環系統，而對于球基面機床，在終驗收過程中發現采用此磨削液達不到很好的效果。實踐過程中，針對磨削液、砂輪粒度及厚度進行反復組合試驗，結果見表1。

表1 砂輪、磨削液組合試驗及結果

對于Ⅰ級滾子而言，球基面粗糙度數值要求為Ra0.08 以下，數值越小越好。結合表1，采用厚度不同的砂輪（單邊5 mm、10 mm）實踐驗證發現：10 mm 厚度砂輪在磨削過程中不脫落，存在明顯的燒傷問題；5 mm 厚度砂輪在磨削過程中脫落良好，進刀0.08 mm，大致可以脫落0.010～0.015 mm。最終確定機床磨削條件：筒形砂輪N90×80×32，WA320K（240J）35，獨立循環NaNO2磨削液。

2.2 下支承塊結構改進

機床前后下支承塊對滾子外徑無心定位，加工過程中上料筒配合磁盤、支承對滾子位置定位，引導滾子和防止滾子在磨削時跳動，影響外徑與磁盤接觸狀態及磨削過程中的穩定一致性，機床自帶支承塊結構如圖2。

圖2 前后支承塊結構圖

支承塊合金端面為平面時，滾子外徑只依靠磁力吸附在磁盤上進行轉動，磨加工時，有時會出現接觸不完全，加工出來的端跳值偏大，借鑒貫穿式無心磨托板傾斜角與導輪的配合，對其結構進行改進，見圖3。

圖3 改進后前后支承塊結構圖

改進結構是將端面在磁盤方向傾斜一定角度β，β值越大，滾子與磁盤之間的作用力增大，磁盤驅動滾子均勻旋轉，減小滾子前進時阻力并增加滾子運動的平穩性。β 值過大時，滾子中心高度會低于下支承端面，不利于調整，依據滾子直徑和高度，一般取值30°～45°。

2.3 端跳、曲率半徑的調整要點分析

根據前面的加工原理分析可得，影響滾子加工后的端面跳動和曲率半徑的主要因素是滾子自身的中心線、砂輪中心線、砂輪軸旋轉的中心線的相對位置和夾角，主要存在以下幾種情形：（1）滾子中心線與砂輪中心線不在水平面上相交，而在其他平面相交；（2）滾子中心線與砂輪中心線不在水平面上相交，也不在其他平面相交；（3）砂輪中心線與砂輪軸中心線不同心。其中（1）磨削后的滾子端面是球面，（2）磨削后的滾子端面不是球面，（3）磨削后的滾子無法形成穩定的曲率半徑。此外，滾子球基面加工工序前滾子的圓度、直線度和兩端面平行差，會影響其與磁盤、支承塊、后支撐的接觸狀態，從而影響加工后滾子的尺寸和形位公差一致性。

因此，在調整過程中，首先保證滾子進入該工序前的精度要達到一定要求，其次，保證磁盤、支承塊與滾子接觸充分且相對穩定，滾子球基面磨床的砂輪進給中心線必須和砂輪中心線保持一致，若不一致，由于砂輪中心線在磨削過程中和砂輪磨損后補償時軸線的軌跡是一組平行線，磨削狀態不能相對穩定，滾子表面外觀會發生變化。最后，在各工裝調整到位、砂輪修整完畢后，磁盤上磁但不旋轉，滾子放置到工作位置，砂輪軸向前進給，使旋轉的砂輪與靜止的工件少許接觸，然后立即退刀，觀看滾子端面相對中心的兩邊磨痕狀態，如果是雙邊對稱磨削，則表明調整狀態是合適的，如果是單邊磨削，需要進一步調整。

表2 常規和改進的檢測數據

3 檢測問題分析及改進

球基面加工工序存在的相關檢測問題主要有以下幾點：（1）球基面形狀、曲率半徑SR 數值準確性；（2）高度尺寸檢測的準確一致性；（3）球基面圓周方向存在不可避免的劃痕；（4）端跳測量時對外徑及球基面外觀的破壞。

3.1 檢測準確性、一致性

球基面形狀、曲率半徑SR 數值通常使用曲率樣板光隙法，用標準曲率樣板（圖紙要求的上下半徑公差）貼合在過滾子軸心線的端面位置上，以透光法來觀察磨削后的球基面與樣板的吻合程度，當使用曲率樣板對磨削以后的滾子基面進行嚴格透光檢查時，有時會發現某臺磨床磨出來的滾子不合格，產生所謂“三點”或“四點”，調整砂輪軸線時應仔細觀察球基面的表面加工紋路，兩軸心線相交時應為交叉網狀紋路，出現放射狀紋路說明兩軸心線沒有相交。該測量方法適合于SR 數值范圍較寬時，不過受人為經驗影響較大。對于高精度滾子，SR 數值范圍較小，必須采用精密測量儀器，利用專用工裝進行中心定位和專用球基面分析模塊（如圖4 所示），分析可得準確數值及形狀[4]。

圖4 滾子球基面測量分析專用模塊

由于球基面的存在，測量高度時兩端面不同心，定位誤差較大且會導致測量過程不穩定。對于圓錐滾子，長度公差帶一般較寬，可以小端面定位，在G903 等高度儀器上進行常規測量，對于高度數值范圍要求較小時，小端面平面度/平行差等精度較低會導致此方法不可行；對于圓柱滾子，兩端面均為球基面且高度公差較小，常規方法不可行。解決方法：可利用端跳儀器進行測量，調整表尖測量點與定位支撐點在同一圓周上，以計量合格的高度標準件對表，進行比較測量，如圖5 所示，由于兩端測量點在同一直線上，且與滾子軸線在同一平面內或平行于滾子軸心線，測量精度較高。

圖5 滾子長度測量示意圖

3.2 外觀問題

球基面加工過程中由于后支撐點定位的方式，不可避免的會在端面圓周上出現劃痕。圓錐滾子存在于小端面，不影響實際應用，一般是可以接受的，而對于圓柱滾子，兩端面均為工作面，一面在加工完成后必然會存在劃痕現象，結合加工工藝和設計上的實際應用，解決方法：（1）設計上依據滾子與擋邊理論接觸關系的計算來確定應用直徑范圍，工藝上調整后確定支撐點位置，保證加工精度的前提下將劃痕避開應用區域，盡可能的靠近倒角或者凹穴邊緣；（2）調整支撐部位的硬質合金為陶瓷等材料，避免鋼與鋼的相對磨損；（3）對于外觀要求特別嚴格的圓錐/圓柱滾子，可以增加光飾工序，可有效消除劃痕并改善球基面粗糙度及應用狀態。

端跳測量過程中產生的劃傷，主要是端面后定位接觸球基面和V 形塊反復接觸外徑面造成的，雖然球基面為端面的終磨工序，外徑后工序還有精磨和超精，但在后期終檢分組也需要按比例抽檢端跳，問題同樣存在。解決方法為：后定位的合金點支撐改為陶瓷塊平面支撐，V 形塊表面粘貼厚度均勻的橡膠皮墊，表尖由傳統的硬質合金改為紅寶石，三者疊加使用并經實踐驗證非常有效。

4 改進前后數據對比

隨機抽取10 粒滾子，同一臺機床上同一操作者分別使用常規方式和遵循改進注意要點的方式對滾子球基面進行加工，使用同樣的儀器、標準件對前后的產品進行檢測，數據見表2。

通過表中數據可以看出，使用常規方法加工的產品質量不穩定，部分數據不滿足技術要求，外觀不合格；注意改進要點而加工的產品尺寸、端跳、曲率半徑、粗糙度和外觀均滿足產品要求，且一致性較好。

5 結束語

滾子形狀雖然簡單，但要控制的檢測項目繁多，其中滾動面形狀及數值、球基面及非工作表面質量是技術難點。尤其是滾子加工絕大多數是批量化生產，想要穩定制造出高質量、高精度的滾子，除了目前具備的一些先進加工設備和檢測儀器外，各種外觀問題層出不窮，本文僅以球基面為例說明，其他工序的很多細節也需要注意，特別是支撐點、測量接觸點/面、轉運/存儲等需要重點關注，才能保證產品的整體質量。