薄壁角接觸球軸承加工工藝改進(jìn)

楊虎，姜維，于曉凱，李斑虎，張振強(qiáng)

（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(shù)重點(diǎn)實驗室，河南洛陽 471039；3.高性能軸承數(shù)字化設(shè)計國家國際科技合作基地，河南洛陽 471039）

1 前言

為適應(yīng)目前航空航天、機(jī)器人等領(lǐng)域結(jié)構(gòu)日益緊湊的發(fā)展趨勢，軸承結(jié)構(gòu)也越來越向薄壁方向發(fā)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(biāo)尺寸的束縛，轉(zhuǎn)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(shè)計，和常規(guī)軸承具有較大差別[1-2]。以機(jī)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(jié)構(gòu)如圖1所示，上述特征也對傳統(tǒng)軸承的加工工藝提出了挑戰(zhàn)[3-9]。生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，采用傳統(tǒng)工藝進(jìn)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(yán)重超差，影響產(chǎn)品質(zhì)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(jī)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(fā)，對加工過程提出了改進(jìn)措施，以期為此類軸承加工工藝的改進(jìn)提供參考。

圖1 機(jī)器人用角接觸球軸承結(jié)構(gòu)示意圖

2 現(xiàn)狀分析

機(jī)器人用薄壁角接觸球軸承的尺寸相對較大，內(nèi)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(nèi)徑168mm）為例，溝道厚度只有1.9mm，加工難度極大。

對工藝改進(jìn)前，200件H76/168TN1/P4.02進(jìn)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(jìn)行監(jiān)測分析，對比不同的車加工工藝后，發(fā)現(xiàn)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(xù)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(diǎn)過小，造成薄壁軸承局部受力大并導(dǎo)致存在原始變形；另一方面是由于車加工件殘余應(yīng)力過大，熱處理使應(yīng)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(chǎn)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(xì)磨基準(zhǔn)，并最終影響到后續(xù)的磨削質(zhì)量。因此，有必要對此類軸承的加工工藝進(jìn)行探索和提升。

3 車工工藝改進(jìn)

針對車加工導(dǎo)致軸承套圈受力變形或是殘余應(yīng)力較大的問題，具體改進(jìn)措施如下：

3.1 夾具改進(jìn)

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(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計專用夾具，具體如圖2（b）所示。使其與軸承套圈的包絡(luò)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(zhì)量。

圖2 車加工夾具改進(jìn)

3.2 減少車加工殘余應(yīng)力

精車加工量越大，加工后產(chǎn)生的殘余應(yīng)力也將越大，并最終導(dǎo)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(yīng)力，工藝從兩個方面進(jìn)行了改進(jìn)：

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(jìn)前的粗車件留有較多的加工余量，尤其是對于機(jī)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(huán)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(jìn)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(nèi)部應(yīng)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(chǎn)生的變形，提高軸承的尺寸精度與穩(wěn)定性。

3.3 減少硬車倒角工序

傳統(tǒng)加工方法中的硬車倒角工序處于套圈粗磨加工后，該工序?qū)τ诒”谳S承而言，嚴(yán)重破壞了套圈的圓度，導(dǎo)致其加工基準(zhǔn)（外圓）受損，并最終產(chǎn)生誤差復(fù)映，導(dǎo)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(tǒng)軸承倒角較小，車加工的預(yù)留倒角在粗磨之后極易消失。但是對于機(jī)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(yù)留相對較大的倒角。通過對車加工工藝進(jìn)行改進(jìn)，增加圖4所示的帶有角度的倒角引導(dǎo)斜面，可以有效解決上述問題。

圖4 倒角引導(dǎo)斜面示意圖

在車加工精度提高的基礎(chǔ)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(xù)磨加工不再進(jìn)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(jìn)前后的車加工件對比如圖5所示。

圖5 工藝改進(jìn)前后車加工件對比圖

3.4 實際加工效果

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

表2 改進(jìn)前后對比

通過表中數(shù)據(jù)對比可以發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)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(xù)磨加工基準(zhǔn)的質(zhì)量，由此所導(dǎo)致的誤差復(fù)映現(xiàn)象大幅降低，為后續(xù)的磨削加工奠定了良好的基礎(chǔ)。

4 磨工工藝改進(jìn)

在上述工序改進(jìn)的基礎(chǔ)上，機(jī)器人用薄壁角接觸球軸承的磨加工工序也可以進(jìn)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(jìn)，使得軸承套圈倒角在粗磨之后仍然存在，并且借助于引導(dǎo)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(guān)鍵表面磨削工序

相對機(jī)床軸承的轉(zhuǎn)速而言，機(jī)器人用薄壁角接觸球軸承的轉(zhuǎn)速并不高，并且由于此類軸承是球引導(dǎo)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(jīng)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(guān)鍵面的磨削加工，如圖6所示的1面和2面，從而進(jìn)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(guān)鍵面存在車刀紋的現(xiàn)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(guī)軸承套圈磨削時，其套圈徑向與砂輪徑向進(jìn)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(guī)軸承而言尚可，但是對于薄壁軸承而言，容易產(chǎn)生磨削變形。因此，在磨削時可以將軸承套圈旋轉(zhuǎn)一定的角度，使砂輪徑向進(jìn)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(jìn)

4.4 磨削效果對比

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

5 結(jié)束語

采用改進(jìn)的工藝可以明顯提高機(jī)器人用薄壁角接觸球軸承產(chǎn)品的加工質(zhì)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(chǎn)品加工質(zhì)量的提升提供了解決方法。