關(guān)節(jié)軸承內(nèi)圈球面單程珩磨分析與改進(jìn)

蔡士源

(福建龍溪軸承(集團(tuán))股份有限公司，福建 漳州 363000)

1 內(nèi)圈球面單程珩磨分析

關(guān)節(jié)軸承內(nèi)圈球面的表面粗糙度、波紋度和幾何精度要求較高，通常需要經(jīng)過光整加工才能達(dá)到技術(shù)要求。光整加工是產(chǎn)品經(jīng)過磨削加工后進(jìn)行的最終精細(xì)加工。目前，關(guān)節(jié)軸承內(nèi)圈球面光整加工多采用單程珩磨方法，該加工方法類似范成磨削法[1]。

1.1 內(nèi)圈球面單程珩磨工藝

珩磨常用于內(nèi)孔光整加工，按其工作原理也可用于外表面光整加工，球面單程珩磨是一種常見的外表面珩磨方法。球面單程珩磨(以下簡稱珩磨)工藝采用珩磨頭夾持杯形或碗形油石(圖1)，油石端面修整為球面,以一定壓力浮動壓在內(nèi)圈球面(以下簡稱球面)上，產(chǎn)生環(huán)形球面接觸，同時油石和球面均做單向旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)對球面的低速磨削，加工原理如圖2所示。

圖1 油石斷面圖

圖2 球面單程珩磨工藝原理圖

1.2 單程珩磨原理

珩磨時，端面修整為球面的油石以一定壓力與球面接觸，在接觸交界處出現(xiàn)空隙和重疊接觸點，重疊接觸點產(chǎn)生相互干涉，如圖3所示。

圖3 油石與球面接觸交界狀態(tài)

當(dāng)油石與球面相對運(yùn)動，一方面油石將球面上的干涉點磨去，另一方面，球面也相應(yīng)地使油石面上的干涉點(磨粒尖角或整個磨粒)脫落或破碎，即油石面與球面在珩磨中相互修整，這與兩塊作平面運(yùn)動的平板對研時相互研磨去干涉點相似。由于油石旋轉(zhuǎn)軸與球面旋轉(zhuǎn)軸垂直相交或交叉，其相對轉(zhuǎn)動相當(dāng)于磨粒相對內(nèi)圈球面做行星運(yùn)動，即繞珩磨軸自轉(zhuǎn)的同時繞球面孔軸公轉(zhuǎn)，油石面上每一磨粒在球面上的運(yùn)動軌跡為交叉的螺旋弧線。圖4為油石轉(zhuǎn)速ny與球面轉(zhuǎn)速nq之比i=24∶1時，球面轉(zhuǎn)動一圈生成的珩磨網(wǎng)紋線。

圖4 球面珩磨網(wǎng)紋線

改變轉(zhuǎn)速比i的大小將改變螺旋角β和網(wǎng)紋密度δ。i越大，β角越小，δ值越大，珩磨精度越高，效率越低；反之，i越小，β角越大，δ值越小，珩磨精度越低，效率越高。i為整數(shù)時，各圈網(wǎng)紋重疊，網(wǎng)紋密度δ值不變，網(wǎng)紋重復(fù)加深，使網(wǎng)紋明顯，球面的表面粗糙度值增大，精度降低；i為無理數(shù)時，各圈網(wǎng)紋不重疊，網(wǎng)紋密度δ值變大，密集均布的網(wǎng)紋將使球面的表面粗糙度值減小，球面輪廓度精度提高。

1.3 單程珩磨精度

批量(100件)珩磨關(guān)節(jié)軸承GE80ET內(nèi)圈球面，隨機(jī)抽取10件測量，得到球面的表面粗糙度平均值Ra≤0.2 μm，球面輪廓度平均值小于0.02 mm。2項指標(biāo)均合格，但仍有待提高。

2 球面單程珩磨缺陷分析

2.1 精度誤差分析

圖5為油石某一磨粒在內(nèi)圈球面上磨削形成的磨削圈，在后半球上取磨削點1，在前半球上取磨削點2，切削速度vh在球面空間分布。圖中，vy1，vy2為磨粒在1，2位置的切向速度；vq1，vq2為內(nèi)圈球面質(zhì)點相對磨粒在1，2位置的轉(zhuǎn)動切向速度；vh1，vh2為磨粒在1，2位置的切削速度。

圖5 切削速度vh在球面空間分布圖

由圖5可知，磨粒在球面上的切削速度vh大小和方向都是變化的，為方便觀察，將磨削圈上8個點的切削速度進(jìn)行投影，如圖6所示。

圖6 切削速度vh投影圖

vh=vy+vq,

(1)

(2)

vy=πDyny，vq=πDqnq，

式中：vy為油石切向速度；vq為球面切向速度；θ為位置角，θ=0～180°為后半球區(qū)域，θ=180～360°為前半球區(qū)域；Dy，Dq分別為油石和球直徑；ny，nq分別為油石和球轉(zhuǎn)速。

由于切削速度vh大小和方向周向不斷變化，vhmax=vy+vq時位于后半球；vhmin=vy-vq時位于前半球。

根據(jù)剝層理論[2]，珩磨磨削率γ主要取決于表面壓力p和切削速度vh，即

(3)

式中：K為工況條件系數(shù)；m，n為磨粒磨損指數(shù)，一般取m=n=1。

球面珩磨中前、后半球工況條件一致，則系數(shù)K、表面壓力p相同。若切削速度vh不同，則前、后半球磨削率γ不同，磨削量fz=γt不相等。切線速度vh越大，磨削率γ越高，磨削量fz越大；反之，切削速度vh越小，磨削率γ越低，磨削量fz越小。由于在單程珩磨時，前、后半球切削速度vh不等，后半球切削速度大于前半球切削速度，這將使后半球磨削量大于前半球磨削量，造成加工誤差。

2.2 切削液飛濺現(xiàn)象

珩磨時需在珩磨處添加切削液，以提高珩磨后球面的表面質(zhì)量。添加的切削液布滿油石表面和球面，隨油石和球面旋轉(zhuǎn)。油石轉(zhuǎn)速較高，表面切線速度達(dá)到0.25～0.4 m/s，使切削液沿切線甩出，造成切削液飛濺，不但使操作環(huán)境惡化，而且造成浪費。

3 球面單程珩磨工藝的改進(jìn)

3.1 球面雙程珩磨

3.1.1 工作原理

單程珩磨工藝最直接的改進(jìn)方法是采用雙程珩磨，即油石單向高速轉(zhuǎn)動，球面每正轉(zhuǎn)一圈再反轉(zhuǎn)一圈，反復(fù)循環(huán)，工藝原理如圖7所示。

圖7 雙程珩磨工藝原理圖

雙程珩磨正轉(zhuǎn)時，后半球磨削量大于前半球磨削量；反轉(zhuǎn)后，前半球磨削速度大于后半球磨削速度，使前半球磨削量大于后半球磨削量。經(jīng)過一個往復(fù)行程，前、后半球磨削量趨于一致，可減小加工誤差。

3.1.2 精度

與單程珩磨相同，用雙程珩磨批量(100件)加工關(guān)節(jié)軸承GE80ET內(nèi)圈球面，隨機(jī)抽取10件測量，得到球面的表面粗糙度平均值Ra≤0.09 μm，球面輪廓度小于0.008 mm，比單程珩磨精度有所提高。

3.2 球面超精加工工藝

3.2.1 工作原理

球面超精加工是油石塊(圖8)在一定壓力下壓向球面并連續(xù)地做短行程的往復(fù)擺動，實現(xiàn)對旋轉(zhuǎn)球面的微量磨削加工的方法，如圖9所示。球面超精加工與珩磨的區(qū)別在于油石的運(yùn)動方式不同。

圖8 球面油石塊 圖9 球面超精加工

超精時油石面上任一磨粒在球面上的運(yùn)動軌跡為正弦曲線(圖10)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

Y(t)=Asin (2πft)，

(4)

λ=vq/f，

式中：A為往復(fù)擺幅；f為往復(fù)頻率;t為時間；λ為波長。

內(nèi)圈球面超精網(wǎng)紋如圖10所示。與珩磨相同，超精切削速度vh由油石面上任一磨粒的往復(fù)擺動速度vy與磨粒接觸的球面質(zhì)點的圓周運(yùn)動的切向速度vq合成，合成速度的方向為磨粒的切削方向，如圖11所示。

圖10 內(nèi)圈球面超精網(wǎng)紋線

圖11 球面超精切削速度vh的變化

vh=vy+vq,

(5)

(6)

(7)

vy=2Afcosβ，

(8)

vq=πDqnq/60,

(9)

式中：α為切削角；β為油石驅(qū)動輪轉(zhuǎn)角。

由(7)～(9)式可得

(10)

則

(11)

由此可知，超精切削速度的最大值vhmax和最小值vhmin在球面上面積為S=Aλ的區(qū)域上交變，vhmax位于該區(qū)域中部且切削角α達(dá)到最大，磨削量最大；vhmin位于該區(qū)域邊緣且切削角α達(dá)到最小，磨削量也最小。

當(dāng)擺幅A<>nq時，即波長λ很小，則任一磨粒面積S很小，趨近于點。因此，一個磨粒的一次往復(fù)磨削相當(dāng)于刮刀的點刮研。一次往復(fù)擺動，油石上眾多磨粒的磨削相當(dāng)于眾多刮刀刮研球面，球面旋轉(zhuǎn)一周，其表面被刮研一遍。與珩磨相同，當(dāng)轉(zhuǎn)速比i=f∶nq為無理數(shù)時，各圈點刮研面積不重疊，網(wǎng)紋密度δ值變大，刮研點均布使球面的表面粗糙度值減小，精度提高。

超精加工一次往復(fù)擺動，油石上磨粒的切削刃為雙側(cè)交替使用，與切削刃單側(cè)使用的單、雙程珩磨相比，磨削效率明顯提高。另外，油石面繞球軸線擺動，不會出現(xiàn)滾動軸承套圈溝道超精加工時油石面與溝道面干涉的問題，即球面超精加工不存在原理性誤差[3]。

3.2.2 精度

批量(100件)超精加工關(guān)節(jié)軸承GE80ET內(nèi)圈球面，隨機(jī)抽取10件測量，得到球面的表面粗糙度平均值Ra≤0.04 μm、球面輪廓度小于0.003 mm，比單、雙程珩磨精度提高。

4 結(jié)論

球面珩磨可以提高關(guān)節(jié)軸承內(nèi)圈球面的表面粗糙度，從而達(dá)到球面光整加工的目的。但由于單程珩磨存在自身的原理性缺陷，造成球面的表面粗糙度值較大。雙程珩磨加工是對球面單程珩磨最直接的改進(jìn)，可提高加工精度。

球面超精加工過程與珩磨類似，但其加工效率和精度比珩磨好，可部分替代磨合效果(即產(chǎn)品磨擦面可以越過初期磨損階段，直接進(jìn)入正常磨損階段)，而且油石的小幅擺動不會使加入的切削液飛濺，使操作環(huán)境得到改善。