NJ（P）3226X1軸承滾子素線質(zhì)量的探討

鄭國(guó)勝

（鐵道部駐哈爾濱車輛驗(yàn)收室，黑龍江哈爾濱150036）

滾動(dòng)體素線的形狀，決定了其在額定負(fù)荷下接觸面上的應(yīng)力分布狀態(tài)。若圓柱滾子素線形狀是直線，承受負(fù)荷時(shí)，由于“邊緣效應(yīng)”，其軸向接觸面上的應(yīng)力分布是不均勻的，越靠近端部，應(yīng)力越大。應(yīng)力的不均勻分布，導(dǎo)致滾動(dòng)體壽命的降低。

為改善應(yīng)力分布狀態(tài)，滾子素線的形狀有多種。研究結(jié)果證明，在額定負(fù)荷下，滾子素線形狀為對(duì)稱型對(duì)數(shù)曲線時(shí)，接觸面上的應(yīng)力分布狀態(tài)最理想。

NJ（P）3226X1軸承滾子為圓柱體，其技術(shù)參數(shù)見圖1。素線方程：Y=3.58×10-3ln（1／（1-（2X／49.2）2）），其中X≠49.2／2。滾動(dòng)面素線凸度要求0.014～0.020mm，46mm坐標(biāo)值處的滾子直徑差要求≤0.002 4mm。滾子素線質(zhì)量的符合性，是驗(yàn)收中關(guān)注的項(xiàng)點(diǎn)之一。如果滾子素線的符合性存在問(wèn)題，滾子接觸面上的應(yīng)力分布狀態(tài)達(dá)不到設(shè)計(jì)的要求，勢(shì)必減少軸承的額定壽命，對(duì)鐵路的行車安全造成威脅。

圖1 NJ（P）3226X1軸承滾子參數(shù)

1 問(wèn)題的提出

滾子素線符合性，由3個(gè)要素構(gòu)成，分別是：

（1）線形偏差：線形偏差指滾子素線的實(shí)際形狀與素線的理論曲線相吻合的程度，即與理想線形的誤差大小；

（2）素線凸度：指素線凸起量，NJ（P）3226X1軸承滾子滾動(dòng)面素線凸度要求0.014～0.020mm（見圖1）。

（3）素線的對(duì)稱性：素線的對(duì)稱性反映出組成素線的兩條對(duì)數(shù)曲線相互對(duì)稱的程度。設(shè)計(jì)上用圖1中46 mm坐標(biāo)值兩端的滾子直徑相互差≤0.002 4mm來(lái)衡量。

驗(yàn)收中發(fā)現(xiàn)滾子素線的檢驗(yàn)手段和檢測(cè)數(shù)據(jù)存在著以下問(wèn)題：

（1）線形偏差檢驗(yàn)手段落后

線形偏差的檢驗(yàn)，采用輪廓儀出圖后，與標(biāo)準(zhǔn)曲線目視比對(duì)的方法。標(biāo)準(zhǔn)曲線印在透明紙上，檢測(cè)時(shí)，將帶有理論曲線的透明紙與被檢測(cè)滾子素線的輪廓圖相互重疊，以實(shí)測(cè)曲線與理論曲線相互吻合的程度進(jìn)行判定。

這種方法存在著主觀因素的影響，同時(shí)、重疊比對(duì)時(shí)的操作誤差，影響檢驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

（2）滾子素線的凸度分布不理想

驗(yàn)收中的數(shù)據(jù)顯示，滾子素線的凸度值，幾乎都在17μm 以下，17μm 以上的僅占約4%，在 NJ（P）3226X1軸承滾子技術(shù)要求中（見圖1），17μm是素線標(biāo)準(zhǔn)凸度的均值。正常狀態(tài)下，滾子素線的凸度值應(yīng)呈現(xiàn)以標(biāo)準(zhǔn)凸度的均值為中心的正態(tài)分布。即凸度大于和小于17μm的滾子數(shù)量應(yīng)大致相當(dāng)。

（3）素線的對(duì)稱性數(shù)值分布不理想。

素線的對(duì)稱性合格區(qū)間為0～2.4μm，驗(yàn)收中的數(shù)據(jù)顯示，素線的對(duì)稱性檢測(cè)值絕大部分分布于1～2.4μm區(qū)間內(nèi)，存在著不合理分布問(wèn)題。

2 分析問(wèn)題原因、明確改進(jìn)方向

針對(duì)上述問(wèn)題，聯(lián)合相關(guān)部門，從工裝設(shè)計(jì)、加工環(huán)節(jié)進(jìn)行分析，采取以下3個(gè)方面措施提升NJ（P）3226X1軸承滾子素線的符合性。

（1）NJ（P）3226X1軸承滾子素線線形是由精研加工獲得的，線形偏差大小取決于精研工序的滾棒，精研滾棒的設(shè)計(jì)需改進(jìn)，同時(shí)檢驗(yàn)手段需改進(jìn)；

（2）素線凸度值分布與滾棒設(shè)計(jì)有關(guān)，滾棒設(shè)計(jì)需改進(jìn)；

（3）素線對(duì)稱性主要取決于加工滾子送料的方式、加工參數(shù)，需優(yōu)化送料的方式，確定加工參數(shù)。

3 解決問(wèn)題的方法

針對(duì)產(chǎn)生問(wèn)題的原因，采取了以下解決方法。

（1）優(yōu)化NJ（P）3226X1軸承滾子精研滾棒設(shè)計(jì)

為使NJ（P）3226X1軸承滾子素線滿足方程Y=3.58×10-3ln（1／（1-（2X／49.2）2）），精研時(shí)，油石需在滾子素線上形成滿足該方程的包絡(luò)。為實(shí)現(xiàn)這種包絡(luò)，需對(duì)精研滾棒進(jìn)行理論設(shè)計(jì)，并通過(guò)試加工后的驗(yàn)證結(jié)果，對(duì)設(shè)計(jì)理論進(jìn)行必要的修正。

為使油石在NJ（P）3226X1軸承滾子素線上形成滿足方程Y=3.58×10-3ln（1／（1-（2X／49.2）2））的包絡(luò)，精研滾棒在其軸線上各截面的直徑是變化的，其公式如下：

式中Di為精研滾棒在Xi處的直徑；a為兩精研滾棒在Xi處的實(shí)際中心距，a=a0／cosε；a0為兩精研滾棒在滾棒中截面的名義中心距；ε為水平面內(nèi)精研滾棒軸線與滾子送進(jìn)基準(zhǔn)線之間的夾角，ε=tan-1（tanγ0tanλ／cosλ）；γ0為接觸角；λ為精研滾棒軸線與水平面的夾角；Y（Xi）為滾子幾何中心移動(dòng)至Xi時(shí)，在Y軸方向上的投影位置，Y（Xi）=Xitanε；Z（Xi）為滾子幾何中心移動(dòng)至Xi時(shí)，在Z軸方向上的投影位置，Z（Xi）=Xitanλ／cosε；h為滾子的幾何中心在精研滾棒中截面處的高度；DW為滾子的公稱直徑。

圖2～圖4是上述公式中各參數(shù)的示意圖。

圖2 滾棒中截面示意圖

圖3 精研加工俯視圖

圖4 滾子不同位置

圖2、圖4中D0代表滾棒中截面直徑；D1代表滾棒滾子在Xi點(diǎn)處的滾棒直徑。

按上述理論，分別加工了素線凸度為14，16，17，18，20μm的5種精研滾棒。每種滾棒加工200粒滾子，精研4遍。分別在精研加工2遍、4遍后取50粒滾子樣本，測(cè)量凸度值。凸度值數(shù)據(jù)的匯總、統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

表1 設(shè)計(jì)凸度與實(shí)測(cè)凸度的對(duì)比表 μm

表1數(shù)據(jù)顯示，精研4遍后，素線的凸度比2遍后的大。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是越靠近滾子的兩端，加工中需要去掉的金屬層越厚（見圖5）；只有這樣，才能形成素線的凸度。精研過(guò)程中，同滾子中部比較，越靠近滾子的兩端，加工成型的難度也越高。按圖1，滾子滾動(dòng)面的兩端，與其中部比較，需多去除0.014～0.02 mm厚的金屬層，對(duì)精研加工講，如此厚的金屬層需多遍加工才能去除。因此，精研次數(shù)少時(shí)，就存在加工出的滾子素線凸度比按理論設(shè)計(jì)凸度小的現(xiàn)象。

在實(shí)際加工中，一方面，在滿足產(chǎn)品質(zhì)量要求的同時(shí)，要采用合理的加工工藝，以實(shí)現(xiàn)最佳的經(jīng)濟(jì)效益。另一方面，如果采用過(guò)多的精研加工次數(shù)，會(huì)對(duì)滾子滾動(dòng)面的圓度及其他質(zhì)量指標(biāo)造成不利的影響。因而就不能以增加精研加工遍數(shù)的方法，解決設(shè)計(jì)與實(shí)際之間的差異。

把精研4遍后的滾子凸度均值，與滾子理論設(shè)計(jì)凸度進(jìn)行比較分析，呈現(xiàn)出比例性的規(guī)律性，無(wú)論是哪種設(shè)計(jì)凸度的滾棒，精研4遍后的滾子凸度均值與滾子設(shè)計(jì)凸度的比值都近似為常數(shù)0.86。

正是這種規(guī)律性的存在，為精研滾棒設(shè)計(jì)參數(shù)的調(diào)整、優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。

依據(jù)比例系數(shù)0.86，對(duì)精研滾棒的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化后，重復(fù)上述的試驗(yàn)過(guò)程，其結(jié)果如表2。

表2 優(yōu)化后的設(shè)計(jì)凸度與實(shí)際凸度對(duì)比表 μm

由表2優(yōu)化設(shè)計(jì)后，設(shè)計(jì)凸度與精研加工4遍后的滾子凸度均值幾乎相等。證明設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化是成功的。

批量加工抽樣檢驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，精研滾棒設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化后，滾子滾動(dòng)面素線凸度的分布，大部分集中在16～18μm，即公差帶中值17μm的附近。凸度值分布趨于合理。

（2）完善科學(xué)的NJ（P）3226X1軸承滾子素線的線形偏差檢驗(yàn)手段

針對(duì)用帶理論曲線的透明紙與被檢測(cè)滾子素線的輪廓圖相互重疊，測(cè)曲線線形偏差的檢測(cè)方法的弊端。采用下述方法解決。

在輪廓儀的程序中，輸入了包括凸度下限14μm和凸度上限20μm的滾子滾動(dòng)面素線的理論形狀。不僅測(cè)量素線的輪廓時(shí)，在輪廓儀的顯示屏上可以同時(shí)顯示被測(cè)滾子的滾動(dòng)面的素線形狀及上、下限理論曲線，而且在圖形打印時(shí)，凸度上、下限理論形狀與檢測(cè)出的滾子滾動(dòng)面的素線形狀一同出圖。

輪廓檢測(cè)圖上，被測(cè)滾子的滾動(dòng)面素線形狀及上、下限理論曲線可以直接進(jìn)行比較，從而獲得滾子滾動(dòng)面的素線線形偏差的更為準(zhǔn)確的判斷。

輪廓儀顯示屏的輸出及打印效果如圖5。

圖5 輪廓儀顯示的滾子理論曲線與實(shí)際輪廓

在圖5中不同位置做垂直線，測(cè)量理論素線（實(shí)線）和實(shí)際素線（虛線）的交點(diǎn)距離，再除以輪廓儀在滾子徑向的放大倍數(shù)，可以得到垂直滾子軸線各截面上素線形狀的線形偏差。

圖5中，3條實(shí)線中，最上端的曲線和最下端的曲線分別是凸度值為0.020mm和凸度值為0.014mm的理論素線曲線；中間的實(shí)線曲線在輪廓儀輸出中是沒(méi)有的，是為了清楚闡述問(wèn)題加上的。它表示的是與被檢測(cè)的滾子滾動(dòng)表面的素線凸度值相等的理論曲線。

虛線所代表的被檢測(cè)的滾子素線，雖然與理論曲線（中間的實(shí)線曲線）有偏差，但偏差在凸度為0.014mm和凸度0.020mm的理論素線曲線范圍之間，素線線形是合格的。

目前，國(guó)內(nèi)有的廠家在滾子素線線形偏差檢驗(yàn)中，采用了“表格式”的方法?！氨砀袷健钡臋z驗(yàn)方法是將給定的滾子軸向不同位置素線的徑向理論值，與該位置上的實(shí)際測(cè)量值進(jìn)行比較，從而確定該滾子的軸向位置凸度偏差。其優(yōu)點(diǎn)是對(duì)滾子素線的線形偏差的判定更加細(xì)化。

（3）改進(jìn)加工方式與加工參數(shù)，實(shí)現(xiàn)素線的對(duì)稱性提升

素線的對(duì)稱性是以圖1中46mm坐標(biāo)值處的滾子直徑差指標(biāo)衡量的（標(biāo)準(zhǔn)要求≤0.002 4mm）。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，精研加工中滾子送料的方式和兩精研滾棒軸線的相互平行度，是影響滾子素線對(duì)稱性的關(guān)鍵因素。

①加工中滾子的送料方式對(duì)滾子滾動(dòng)面素線對(duì)稱性的影響

試驗(yàn)分3組，每組200粒滾子，采用2次精研。

每組中的100粒滾子，在精研時(shí)，采用同向送料（兩遍加工中滾子進(jìn)入研削區(qū)時(shí)，都采用相同一端送進(jìn)）；另100粒滾子，采用反向送料（精研2遍滾子進(jìn)入研削區(qū)時(shí)，采用與精研一遍相反的一端送進(jìn)）。

每組中不同的送料方式都隨機(jī)抽取50粒滾子，共抽取100粒，3組共計(jì)300粒。

測(cè)量數(shù)據(jù)整理見表3。

表3 滾子直徑差數(shù)據(jù) μm

試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，采用精研各次間的反向送料方式，無(wú)論是直徑差的均值和直徑差的散差，都比同向送料方式好；因而，采用遍次間的滾子反向送料方式，對(duì)NJ（P）3226X1軸承滾子精研加工更加合理。

試驗(yàn)結(jié)果同時(shí)顯示，對(duì)稱性在精研加工的次數(shù)是偶數(shù)時(shí)，比奇數(shù)時(shí)要好（試驗(yàn)數(shù)據(jù)省略）。

②兩精研滾棒軸線的平行度對(duì)滾子滾動(dòng)面的素線對(duì)稱性的影響

兩根精研滾棒軸線平行度，對(duì)滾子素線對(duì)稱性存在較大的影響。

為獲取精研滾棒軸線平行度與滾子素線對(duì)稱性之間的相互關(guān)系，精研滾棒軸線的平行度，可以用滾棒兩端相互間隙的差值表示。因而設(shè)計(jì)了如下試驗(yàn)：

采用由小到大的4種滾棒兩端間隙差，分別為0.1，0.4，0.7，1.2mm。每種間隙差分別加工150粒滾子。

加工后的滾子，每組隨機(jī)抽樣50粒，測(cè)量素線對(duì)稱值。表5給出了統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

表5 滾棒間隙差與滾子素線對(duì)稱性數(shù)據(jù) mm

從表5數(shù)據(jù)分析，精研加工NJ（P）3226X1軸承滾子時(shí)，滾棒兩端間隙差最大不應(yīng)超過(guò)0.4mm，越小越好。

4 結(jié)論

上述工作表明，要保證NJ（P）3226X1軸承滾子素線的符合性，需要做到：

（1）為保證凸度值分布的合理性，精研滾棒的設(shè)計(jì)需優(yōu)化；

（2）采用輪廓儀的程序中輸入了凸度上、下限的方法，可使檢驗(yàn)更科學(xué)、準(zhǔn)確、直觀、便捷。

（3）精研加工的次數(shù)為偶數(shù)，且精研加工的各次間要采用反向送料方式。

（4）精研滾棒間軸線的平行度越小越好，滾棒兩端間隙差不應(yīng)大于0.4mm。

通過(guò)努力，哈爾濱軸承廠NJ（P）3226X1軸承滾子素線凸度值、對(duì)稱性數(shù)值分布趨向合理；線形偏差檢驗(yàn)手段更加科學(xué)、準(zhǔn)確。

滾子素線不符合而產(chǎn)生的制造過(guò)程返修品率，由改進(jìn)前的12.6%減低至改進(jìn)后的1.2%，降低了90%。制造過(guò)程返修品數(shù)量減少后，返修過(guò)程中尺寸修小報(bào)廢的廢品數(shù)量隨之減少，從而使廢品率降低了50%。滾子素線的符合性得以提升。