薄壁角接觸球軸承加工工藝改進

楊虎，姜維，于曉凱，李斑虎，張振強

（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.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）

1 前言

為適應目前航空航天、機器人等領域結構日益緊湊的發展趨勢，軸承結構也越來越向薄壁方向發展，與此同時，還需保證此類軸承具有較高的承載能力和剛度。因此，越來越多的薄壁軸承擺脫國標尺寸的束縛，轉而采用與日本NSK、法國ADR亦或是美國KAYDON公司相同尺寸的薄壁軸承設計，和常規軸承具有較大差別[1-2]。以機器人用薄壁角接觸球軸承為例，大尺寸、高擋邊、壁薄是該類軸承有別于其它軸承的最大特征，具體結構如圖1所示，上述特征也對傳統軸承的加工工藝提出了挑戰[3-9]。生產中發現，采用傳統工藝進行車加工后，橢圓及翹曲基本上可以滿足車加工工藝要求，但是熱處理后卻嚴重超差，影響產品質量，廢品率高，加工成本居高不下，市場競爭力弱。如何減小此類軸承熱處理后的變形量是一個亟需解決的問題。本文從機器人用薄壁角接觸球軸承的實際加工過程及軸承的實際需求出發，對加工過程提出了改進措施，以期為此類軸承加工工藝的改進提供參考。

圖1 機器人用角接觸球軸承結構示意圖

2 現狀分析

機器人用薄壁角接觸球軸承的尺寸相對較大，內徑尺寸范圍主要在100～250mm之間，和同尺寸718薄壁系列軸承相比，其套圈壁厚相對更薄。以典型型號H76/168（軸承內徑168mm）為例，溝道厚度只有1.9mm，加工難度極大。

對工藝改進前，200件H76/168TN1/P4.02進行車加工及熱處理工序后檢測出有180件廢品，其缺陷種類及不合格品率如表1所示：

表1 原始加工工藝的熱處理后不合格率

通過對軸承的整個加工過程進行監測分析，對比不同的車加工工藝后，發現在采用相同熱處理工藝的情況下，車加工工藝不同的軸承熱處理后的合格率存在較大差異，并且熱處理后的軸承原始變形過大是造成其后續磨加工困難的重要因素。究其原因，一方面是由于車床夾具夾持點過小，造成薄壁軸承局部受力大并導致存在原始變形；另一方面是由于車加工件殘余應力過大，熱處理使應力釋放后的變形過大；此外，粗磨后的硬車倒角工序也對粗磨后的軸承套圈產生較大影響，同樣是由于夾持力過于集中造成粗磨后的套圈變形，破壞了套圈的細磨基準，并最終影響到后續的磨削質量。因此，有必要對此類軸承的加工工藝進行探索和提升。

3 車工工藝改進

針對車加工導致軸承套圈受力變形或是殘余應力較大的問題，具體改進措施如下：

3.1 夾具改進

此類軸承車加工過程中采用的原始夾具如圖2（a）所示。由于原始夾具在夾持軸承套圈時的接觸面較小，容易造成局部變形量過大，并最終影響車加工后的套圈橢圓度。為解決上述問題，將夾具進行改進，設計專用夾具，具體如圖2（b）所示。使其與軸承套圈的包絡面增大，減小了單位面積上的壓力，從而提高了車加工件的質量。

圖2 車加工夾具改進

3.2 減少車加工殘余應力

精車加工量越大，加工后產生的殘余應力也將越大，并最終導致熱處理后的變形量不可控。為避免車后件存在過大的殘余應力，工藝從兩個方面進行了改進：

一方面，減小粗車加工后的留量。如圖3所示，圖中的粗實線代表粗加工后的輪廓形狀，虛線代表軸承套圈的最終輪廓形狀。可以看到，改進前的粗車件留有較多的加工余量，尤其是對于機器人用角接觸球軸承而言，由于其擋邊較高，所以圖3（a）的圓環形粗加工件留量過大；而采用圖3（b）所示的階梯形粗車件可以較大程度地減少粗車后留量。

圖3 粗車外形輪廓改進示意圖

另一方面，為了使車加工件的精度足夠高，盡量縮小熱處理后的變形量，可以考慮在粗車后增加退火工序。這樣可以大幅度地降低粗車后的內部應力，使其變形在精車前得以釋放，并在精車時修正退火過程中產生的變形，提高軸承的尺寸精度與穩定性。

3.3 減少硬車倒角工序

傳統加工方法中的硬車倒角工序處于套圈粗磨加工后，該工序對于薄壁軸承而言，嚴重破壞了套圈的圓度，導致其加工基準（外圓）受損，并最終產生誤差復映，導致磨后精度不佳。

之所以將硬車工序放在粗磨之后，是因為傳統軸承倒角較小，車加工的預留倒角在粗磨之后極易消失。但是對于機器人用角接觸球軸承而言，由于其擋邊較高，可以在早期車加工時預留相對較大的倒角。通過對車加工工藝進行改進，增加圖4所示的帶有角度的倒角引導斜面，可以有效解決上述問題。

圖4 倒角引導斜面示意圖

在車加工精度提高的基礎上，考慮熱處理、磨加工變形量，利用高精密車床完成倒角的車加工。后續磨加工不再進行各個倒角的硬車，減小了車倒角引起的夾持變形、切削變形，效果顯著。工藝改進前后的車加工件對比如圖5所示。

圖5 工藝改進前后車加工件對比圖

3.4 實際加工效果

通過上述改進措施，對熱處理后的軸承套圈進行抽檢，改進前后的套圈橢圓度和翹曲對比情況如表2所示。

表2 改進前后對比

通過表中數據對比可以發現，改進后的工藝措施可以有效改善軸承套圈熱處理后的橢圓度與翹曲，提高了后續磨加工基準的質量，由此所導致的誤差復映現象大幅降低，為后續的磨削加工奠定了良好的基礎。

4 磨工工藝改進

在上述工序改進的基礎上，機器人用薄壁角接觸球軸承的磨加工工序也可以進行提升，具體如下：

4.1 減少硬車倒角工序

鑒于車工工藝的改進，使得軸承套圈倒角在粗磨之后仍然存在，并且借助于引導斜面的存在，使得套圈在磨削之后能夠與倒角存在平滑過渡。因此，原存在于粗磨之后的硬車倒角工序可以省略，由此所引起的夾持變形問題得以消除。

4.2 減少非關鍵表面磨削工序

相對機床軸承的轉速而言，機器人用薄壁角接觸球軸承的轉速并不高，并且由于此類軸承是球引導保持架，所以套圈擋邊精度要求不高。通過采用上述減少變形量的措施，可以有效控制套圈的熱變形量，從而在不經過磨削的情況下，擋邊尺寸仍能得到有效控制。因此，在保證軸承套圈熱處理后不存在黑皮、殘渣等可能掉落的異物時，可以考慮減少非關鍵面的磨削加工，如圖6所示的1面和2面，從而進一步減少磨加工變形的可能性。這也映證了國外軸承樣品非關鍵面存在車刀紋的現象。

圖6 套圈非磨削面示意圖

4.3 減小套圈徑向磨削力

常規軸承套圈磨削時，其套圈徑向與砂輪徑向進給方向一致，此時，砂輪對軸承套圈的擠壓直接作用于套圈的徑向，而此方向又是軸承壁厚最薄的地方。上述磨削方法對于常規軸承而言尚可，但是對于薄壁軸承而言，容易產生磨削變形。因此，在磨削時可以將軸承套圈旋轉一定的角度，使砂輪徑向進給方向與套圈徑向呈一定的夾角α，具體如圖7所示，這樣使得砂輪磨削時的徑向分力相對較小，從而減小了套圈的磨削變形。

圖7 磨削方法改進

4.4 磨削效果對比

通過對車、磨加工的綜合改進，該機器人用薄壁角接觸球軸承的合格率從改進前的不足50%提升到95%，大大提高了加工質量。

5 結束語

采用改進的工藝可以明顯提高機器人用薄壁角接觸球軸承產品的加工質量，降低廢品率，并且減少了加工工序，降低了加工成本，為此類產品加工質量的提升提供了解決方法。