滾子球基面加工工藝參數(shù)及檢測(cè)方法淺析

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摘要：針對(duì)滾子球基面加工工藝中磨削參數(shù)、工裝及檢測(cè)要點(diǎn)，文章通過理論分析和多維度對(duì)比實(shí)踐驗(yàn)證，提出一些改進(jìn)措施和關(guān)鍵點(diǎn)，有效提高效率、穩(wěn)定保證產(chǎn)品質(zhì)量，達(dá)到Ⅰ級(jí)滾子要求。

關(guān)鍵詞：滾子；球基面；參數(shù)；Ⅰ級(jí)；實(shí)踐

圓柱滾子兩端面、圓錐滾子大端面是基準(zhǔn)端面，其端面微觀形狀一般有直線、對(duì)稱斜線、對(duì)稱球形三種。三種在不同應(yīng)用工況下均各有優(yōu)勢(shì)，但在高端軸承設(shè)計(jì)中，越來越多采用滾子球基面和斜擋邊的配合，以減少滑動(dòng)摩擦、改善潤(rùn)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(tài)、自轉(zhuǎn)和繞軸承軸線公轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性[1-2]，球基面曲率半徑、滾子長(zhǎng)度的加工數(shù)值一致性，較小的粗糙度值、端跳值，球基面外觀等指標(biāo)是高精度滾子的技術(shù)要求，也直接影響滾子在軸承運(yùn)轉(zhuǎn)中的狀態(tài)，因此，滾子球基面的加工和檢測(cè)作為行業(yè)公認(rèn)的難點(diǎn)和痛點(diǎn)，需要進(jìn)一步改進(jìn)和提高，以滿足應(yīng)用。目前，滾子球基面的磨削方法有兩種：筒形砂輪往復(fù)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(yōu)勢(shì)，在滾子行業(yè)中應(yīng)用較為普遍，生產(chǎn)效率特別高，缺點(diǎn)是需要針對(duì)不同規(guī)格的滾子制造專用隔離盤，定位穩(wěn)定性一般，更適合大批量、普通精度的產(chǎn)品；而往復(fù)式磨削設(shè)備工裝簡(jiǎn)單、易于調(diào)整、技術(shù)準(zhǔn)備周期短，具有較強(qiáng)的工藝性能和加工能力，適合高精度（Ⅰ級(jí)）、高穩(wěn)定性要求的中小批量滾子。

1往復(fù)式磨削特點(diǎn)及結(jié)構(gòu)分析

部門新引進(jìn)3MZ4250球基面磨床，加工過程中經(jīng)常出現(xiàn)調(diào)整費(fèi)時(shí)、基面形狀和數(shù)值不達(dá)標(biāo)、端面跳動(dòng)不穩(wěn)定（時(shí)大時(shí)?。┑葐栴}，通過分析機(jī)床結(jié)構(gòu)、加工原理及相關(guān)附件工裝，提出一些改進(jìn)措施?；竟ぷ髟砣鐖D1所示，該機(jī)床采用磁盤驅(qū)動(dòng)、筒形砂輪范成法磨削基面的方法[3]，特點(diǎn)如下：（1）全自動(dòng)上下料裝置，屬于強(qiáng)制上料形式，結(jié)構(gòu)緊湊簡(jiǎn)單、上料速度快且運(yùn)動(dòng)可靠。（2）采用步進(jìn)電機(jī)-滾珠絲杠的進(jìn)給傳動(dòng)鏈，無間隙、精度高；無心裝夾，頂尖對(duì)小端面軸向定位，下支承及磁盤對(duì)外徑徑向定位，提高定位精度。（3）機(jī)床配有單點(diǎn)主動(dòng)測(cè)量裝置實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，測(cè)量接近滾子邊緣某點(diǎn)的高度來控制滾子凸度，可嚴(yán)格控制球基面磨削量和批次滾子長(zhǎng)度尺寸分散。（4）筒形砂輪不必專門修整，工件與砂輪磨削進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)之后，在相對(duì)磨削中自行修整，正常階段，砂輪損摘要：針對(duì)滾子球基面加工工藝中磨削參數(shù)、工裝及檢測(cè)要點(diǎn)，文章通過理論分析和多維度對(duì)比實(shí)踐驗(yàn)證，提出一些改耗會(huì)降低高度，并不改變形狀。（5）磨球基面前先進(jìn)行磨平雙端面，保證端面對(duì)外徑的跳動(dòng)，可減少端面加工余量，提高球基面加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率。滾子軸心與砂輪回轉(zhuǎn)中心在同一平面相交，并各自圍繞自己的軸心線旋轉(zhuǎn)，砂輪進(jìn)給產(chǎn)生磨削后，滾子的基面就獲得了一個(gè)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(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)砂輪座，按計(jì)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(dòng)砂輪座，將砂輪的平均半徑對(duì)準(zhǔn)滾子的回轉(zhuǎn)中心。此時(shí)，兩中心線的交點(diǎn)就是球形中心。加工時(shí)，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(duì)球基面磨削有很大影響，磨削液、料套和支承等工裝調(diào)整起到關(guān)鍵作用，后續(xù)樣板、測(cè)量?jī)x器檢測(cè)和分析來進(jìn)行反饋微調(diào)。

2工藝參數(shù)的驗(yàn)證分析及改進(jìn)

2.1磨削液、砂輪驗(yàn)證分析與選擇

隨著軸承專用機(jī)床的改進(jìn)發(fā)展和現(xiàn)代化車間建設(shè)，軸承磨加工基本上采用水基磨削液加集中供液自動(dòng)循環(huán)系統(tǒng)，而對(duì)于球基面機(jī)床，在終驗(yàn)收過程中發(fā)現(xiàn)采用此磨削液達(dá)不到很好的效果。實(shí)踐過程中，針對(duì)磨削液、砂輪粒度及厚度進(jìn)行反復(fù)組合試驗(yàn)，結(jié)果見表1。對(duì)于Ⅰ級(jí)滾子而言，球基面粗糙度數(shù)值要求為Ra0.08以下，數(shù)值越小越好。結(jié)合表1，采用厚度不同的砂輪（單邊5mm、10mm）實(shí)踐驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)：10mm厚度砂輪在磨削過程中不脫落，存在明顯的燒傷問題；5mm厚度砂輪在磨削過程中脫落良好，進(jìn)刀0.08mm，大致可以脫落0.010～0.015mm。最終確定機(jī)床磨削條件：筒形砂輪N90×80×32，WA320K（240J）35，獨(dú)立循環(huán)NaNO2磨削液。

2.2下支承塊結(jié)構(gòu)改進(jìn)

機(jī)床前后下支承塊對(duì)滾子外徑無心定位，加工過程中上料筒配合磁盤、支承對(duì)滾子位置定位，引導(dǎo)滾子和防止?jié)L子在磨削時(shí)跳動(dòng)，影響外徑與磁盤接觸狀態(tài)及磨削過程中的穩(wěn)定一致性，機(jī)床自帶支承塊結(jié)構(gòu)如圖2。支承塊合金端面為平面時(shí)，滾子外徑只依靠磁力吸附在磁盤上進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，磨加工時(shí)，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)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(dǎo)輪的配合，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，見圖3。改進(jìn)結(jié)構(gòu)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(qū)動(dòng)滾子均勻旋轉(zhuǎn)，減小滾子前進(jìn)時(shí)阻力并增加滾子運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性。β值過大時(shí)，滾子中心高度會(huì)低于下支承端面，不利于調(diào)整，依據(jù)滾子直徑和高度，一般取值30°～45°。

2.3端跳、曲率半徑的調(diào)整要點(diǎn)分析

根據(jù)前面的加工原理分析可得，影響滾子加工后的端面跳動(dòng)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(zhuǎn)的中心線的相對(duì)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(wěn)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(huì)影響其與磁盤、支承塊、后支撐的接觸狀態(tài)，從而影響加工后滾子的尺寸和形位公差一致性。因此，在調(diào)整過程中，首先保證滾子進(jìn)入該工序前的精度要達(dá)到一定要求，其次，保證磁盤、支承塊與滾子接觸充分且相對(duì)穩(wěn)定，滾子球基面磨床的砂輪進(jìn)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(bǔ)償時(shí)軸線的軌跡是一組平行線，磨削狀態(tài)不能相對(duì)穩(wěn)定，滾子表面外觀會(huì)發(fā)生變化。最后，在各工裝調(diào)整到位、砂輪修整完畢后，磁盤上磁但不旋轉(zhuǎn)，滾子放置到工作位置，砂輪軸向前進(jìn)給，使旋轉(zhuǎn)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(duì)中心的兩邊磨痕狀態(tài)，如果是雙邊對(duì)稱磨削，則表明調(diào)整狀態(tài)是合適的，如果是單邊磨削，需要進(jìn)一步調(diào)整。

3檢測(cè)問題分析及改進(jìn)

球基面加工工序存在的相關(guān)檢測(cè)問題主要有以下幾點(diǎn)：（1）球基面形狀、曲率半徑SR數(shù)值準(zhǔn)確性；（2）高度尺寸檢測(cè)的準(zhǔn)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(cè)量時(shí)對(duì)外徑及球基面外觀的破壞。

3.1檢測(cè)準(zhǔn)確性、一致性

球基面形狀、曲率半徑SR數(shù)值通常使用曲率樣板光隙法，用標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)使用曲率樣板對(duì)磨削以后的滾子基面進(jìn)行嚴(yán)格透光檢查時(shí)，有時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)某臺(tái)磨床磨出來的滾子不合格，產(chǎn)生所謂“三點(diǎn)”或“四點(diǎn)”，調(diào)整砂輪軸線時(shí)應(yīng)仔細(xì)觀察球基面的表面加工紋路，兩軸心線相交時(shí)應(yīng)為交叉網(wǎng)狀紋路，出現(xiàn)放射狀紋路說明兩軸心線沒有相交。該測(cè)量方法適合于SR數(shù)值范圍較寬時(shí)，不過受人為經(jīng)驗(yàn)影響較大。對(duì)于高精度滾子，SR數(shù)值范圍較小，必須采用精密測(cè)量?jī)x器，利用專用工裝進(jìn)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(zhǔn)確數(shù)值及形狀[4]。由于球基面的存在，測(cè)量高度時(shí)兩端面不同心，定位誤差較大且會(huì)導(dǎo)致測(cè)量過程不穩(wěn)定。對(duì)于圓錐滾子，長(zhǎng)度公差帶一般較寬，可以小端面定位，在G903等高度儀器上進(jìn)行常規(guī)測(cè)量，對(duì)于高度數(shù)值范圍要求較小時(shí)，小端面平面度/平行差等精度較低會(huì)導(dǎo)致此方法不可行；對(duì)于圓柱滾子，兩端面均為球基面且高度公差較小，常規(guī)方法不可行。解決方法：可利用端跳儀器進(jìn)行測(cè)量，調(diào)整表尖測(cè)量點(diǎn)與定位支撐點(diǎn)在同一圓周上，以計(jì)量合格的高度標(biāo)準(zhǔn)件對(duì)表，進(jìn)行比較測(cè)量，如圖5所示，由于兩端測(cè)量點(diǎn)在同一直線上，且與滾子軸線在同一平面內(nèi)或平行于滾子軸心線，測(cè)量精度較高。

3.2外觀問題

球基面加工過程中由于后支撐點(diǎn)定位的方式，不可避免的會(huì)在端面圓周上出現(xiàn)劃痕。圓錐滾子存在于小端面，不影響實(shí)際應(yīng)用，一般是可以接受的，而對(duì)于圓柱滾子，兩端面均為工作面，一面在加工完成后必然會(huì)存在劃痕現(xiàn)象，結(jié)合加工工藝和設(shè)計(jì)上的實(shí)際應(yīng)用，解決方法：（1）設(shè)計(jì)上依據(jù)滾子與擋邊理論接觸關(guān)系的計(jì)算來確定應(yīng)用直徑范圍，工藝上調(diào)整后確定支撐點(diǎn)位置，保證加工精度的前提下將劃痕避開應(yīng)用區(qū)域，盡可能的靠近倒角或者凹穴邊緣；（2）調(diào)整支撐部位的硬質(zhì)合金為陶瓷等材料，避免鋼與鋼的相對(duì)磨損；（3）對(duì)于外觀要求特別嚴(yán)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(yīng)用狀態(tài)。端跳測(cè)量過程中產(chǎn)生的劃傷，主要是端面后定位接觸球基面和V形塊反復(fù)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(diǎn)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(tǒng)的硬質(zhì)合金改為紅寶石，三者疊加使用并經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證非常有效。

4改進(jìn)前后數(shù)據(jù)對(duì)比

隨機(jī)抽取10粒滾子，同一臺(tái)機(jī)床上同一操作者分別使用常規(guī)方式和遵循改進(jìn)注意要點(diǎn)的方式對(duì)滾子球基面進(jìn)行加工，使用同樣的儀器、標(biāo)準(zhǔn)件對(duì)前后的產(chǎn)品進(jìn)行檢測(cè)，數(shù)據(jù)見表2。通過表中數(shù)據(jù)可以看出，使用常規(guī)方法加工的產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，部分?jǐn)?shù)據(jù)不滿足技術(shù)要求，外觀不合格；注意改進(jìn)要點(diǎn)而加工的產(chǎn)品尺寸、端跳、曲率半徑、粗糙度和外觀均滿足產(chǎn)品要求，且一致性較好。

5結(jié)束語

滾子形狀雖然簡(jiǎn)單，但要控制的檢測(cè)項(xiàng)目繁多，其中滾動(dòng)面形狀及數(shù)值、球基面及非工作表面質(zhì)量是技術(shù)難點(diǎn)。尤其是滾子加工絕大多數(shù)是批量化生產(chǎn)，想要穩(wěn)定制造出高質(zhì)量、高精度的滾子，除了目前具備的一些先進(jìn)加工設(shè)備和檢測(cè)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(xì)節(jié)也需要注意，特別是支撐點(diǎn)、測(cè)量接觸點(diǎn)/面、轉(zhuǎn)運(yùn)/存儲(chǔ)等需要重點(diǎn)關(guān)注，才能保證產(chǎn)品的整體質(zhì)量。

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作者:劉旗 郭培銳 高武正 單位:洛陽(yáng)軸承研究所有限公司