滾動軸承超精研工藝的特殊性

高作斌，李慶玲

(河南科技大學(xué) 機電工程學(xué)院，河南 洛陽 471003)

超精研是一種通過油石高頻小幅振蕩進行研磨的傳統(tǒng)機械加工工藝，以改善工件的表面質(zhì)量為主要目的，在軸承、汽車、液壓氣動等許多行業(yè)有廣泛應(yīng)用，尤其是在軸承行業(yè)，目前是軸承內(nèi)部工作表面的主要終加工工藝。一般超精研加工方式可以保證油石的工作表面與工件的加工表面形狀吻合，油石與工件之間是面接觸。然而，在目前的軸承超精研加工工藝中，有多種超精研加工方式無法保證油石的工作表面與工件的加工表面形狀吻合，即油石與工件之間并非面接觸，典型的有深溝球軸承套圈溝道超精研和無心貫穿式圓錐滾子超精研。此外，圓錐滾子軸承套圈滾道的大往復(fù)小振蕩式超精研，以及無心貫穿式圓柱滾子凸度超精研也不同程度存在類似現(xiàn)象。這種現(xiàn)象及其對超精研過程的影響，使得軸承超精研工藝比一般超精研工藝有一定的特殊性，但尚未引起人們足夠的重視。下文以深溝球軸承套圈溝道超精研和無心貫穿式圓錐滾子超精研為代表，對此進行分析，并對這類超精研工藝理論與技術(shù)方面的進一步研究提出建議。

1 一般超精研加工方式與工作原理

一般超精研加工方式與工作原理[1-5]可以用如圖1所示的外圓柱面切入式超精研說明。圖1中，工件繞圓柱面軸線旋轉(zhuǎn)(縱向)；油石以一定的壓力沿圓柱面徑向(橫向)浮動在工件上，可隨著自身的磨損以及工件材料的去除自動沿橫向進給；同時，油石沿縱向還有一個小幅高頻的直線往復(fù)運動；在油石與工件之間有超精液進行潤滑、清洗和冷卻。

圖1 外圓柱面切入式超精研加工示意圖

雖然超精研去除的工件材料較少，但仍然屬于去除法加工，因此，油石磨粒對工件材料的去除和油石自身的磨損仍然是超精研過程中發(fā)生的主要現(xiàn)象。工件材料去除和油石磨損均受超精研運動和超精研磨削力的影響。如圖1所示，外圓柱面的切入式超精研中，直接影響工件材料去除和油石磨損的超精研運動包括油石的往復(fù)直線運動和工件的旋轉(zhuǎn)運動，超精研力包括法向力FN、軸向力Fa和周向力Ft。法向力FN等于油石壓力，軸向力Fa由油石沿工件軸向往復(fù)的振蕩運動產(chǎn)生，周向力Ft由工件轉(zhuǎn)動產(chǎn)生。軸向力Fa和周向力Ft的合力FR為

(1)

由于油石振蕩時線速度是變化的，超精研切削速度隨之不斷變化，使油石往復(fù)直線運動與工件旋轉(zhuǎn)運動速度相匹配，可以顯著影響油石對工件材料的去除能力和油石自身的磨損速度。超精研中常見的油石振蕩機構(gòu)及油石磨粒相對于工件表面的運動速度和運動軌跡如圖2所示。由圖2可知，超精研切削速度即油石磨粒相對于工件表面的運動速度v的大小和方向是連續(xù)變化的,其表達式為

vw=πDwnw/1 000，

va=πafcosφ/1 000，

(2)

式中：vw為工件回轉(zhuǎn)線速度，m/min；va為油石往復(fù)振蕩線速度，m/min；Dw為工件直徑，mm；nw為工件轉(zhuǎn)速，r/min；a為油石振幅，mm；f為油石振蕩頻率，次/分鐘；φ為偏心銷中心繞驅(qū)動軸軸線的轉(zhuǎn)角，(°)。

vw不變，va與vw方向始終垂直，因此，圖2中，偏心銷轉(zhuǎn)動到位置A和C時，va最大，v也最大；偏心銷轉(zhuǎn)動到位置B和D時，va最小，v也最小。超精研最大切削速度vmax為

(3)

切削速度方向與工件線速度方向之間的夾角稱為切削角，用θ表示，即

(4)

超精研過程中切削角是變化的，在切削速度最小的位置B和D處，切削角為零；在切削速度最大的位置A和C處，切削角最大。最大切削角為

(5)

最大切削角θmax的意義在于反映了油石磨?？梢栽诙啻蟮慕嵌确秶鷥?nèi)改變切削速度方向，而切削速度方向也代表了切削力的方向。角度越大，油石磨粒受到的切削力改變作用方向的程度就越大，磨粒受到交變應(yīng)力作用而脫落的效果就越明顯，而磨粒的脫落一方面意味著油石的磨損，另一方面也意味著新的磨?？梢詤⑴c工作，從而增強了對工件材料的去除能力。油石往復(fù)直線運動和工件旋轉(zhuǎn)運動速度的匹配決定了最大切削角θmax。

1—偏心銷滑道；2—偏心銷；3—驅(qū)動盤；4—滑塊；5—滑座；6—油石

與磨削砂輪以及高速研磨用的沙瓦相比，超精研油石的磨粒比較容易脫落。由于油石的往復(fù)振蕩，軸向力Fa周期性地改變?yōu)橄喾捶较?，切削合力FR的方向也隨之周期性變化，由此產(chǎn)生的交變應(yīng)力會使油石磨粒容易脫落。此外，作為固結(jié)磨具的油石硬度比較低，也使得油石磨粒容易脫落。

油石磨粒容易脫落對超精研過程中工件材料的去除以及油石自身的磨損都有很大影響。一方面，使油石自銳性好，從而保持較強的材料去除能力；另一方面，也使油石工作面的形狀容易發(fā)生改變。實際上，超精研工藝中，油石無需修整即可連續(xù)使用，其磨損量往往與去除的工件材料量相當(dāng)，工作面形狀也完全取決于磨損結(jié)果。但對一般超精研來說，在一個完整的超精研過程中，油石對工件材料的去除速度和油石自身的磨損速度都會發(fā)生很大變化，這種變化一般分為3個階段：第1階段，一個新工件表面的粗糙峰像微型切削刃，可以迅速切除油石材料，使油石表面迅速形成新磨粒，新磨粒與新工件表面的粗糙峰之間劇烈的相互作用，一方面使工件材料迅速去除，另一方面也使油石快速磨損；第2階段，油石磨粒與工件表面的粗糙峰之間的相互作用進入較穩(wěn)定狀態(tài)，工件材料的去除速度和油石自身的磨損速度也相對穩(wěn)定；第3階段，隨著工件表面質(zhì)量的改善，粗糙峰高度降低，峰頂也逐漸平滑，其對油石磨粒的作用力減弱，使油石磨粒鈍化且不易脫落，這使油石磨粒與粗糙峰之間的相互作用強度大大減弱，工件材料的去除以及油石自身的磨損速度大大降低甚至逐漸停止，這種狀態(tài)會一直延續(xù)，直到人為或按照程序設(shè)定終止超精研過程。

一般超精研加工的工作方式可以使油石的工作面形狀保持與工件加工表面形狀吻合，油石與工件表面之間是面接觸。在外圓柱表面切入式超精研中，從油石工作面形狀形成的角度看，工件圓柱面上的粗糙峰相當(dāng)于可以切除油石材料的微型刀具，油石工作面形狀的形成過程相當(dāng)于用一個轉(zhuǎn)動的圓柱形砂輪對油石進行切入磨削，因此油石工作面的形狀會自動趨向與工件圓柱面一致。

超精研油石與工件的面接觸有利于降低工件表面波紋度和表面粗糙度，其原理是：油石與工件表面之間宏觀上是面接觸，微觀上，由于工件表面存在表面波紋度和表面粗糙度等幾何誤差，油石表面將自動尋求與波峰和粗糙峰的高點接觸并進行研磨，從而降低工件表面波紋度和表面粗糙度。在外圓柱表面切入式超精研中，油石的圓柱形工作面可以自動在其對應(yīng)區(qū)域的工件表面尋求波峰和粗糙峰的高點進行研磨，同時，工件的轉(zhuǎn)動使油石工作面區(qū)域內(nèi)的工件表面波峰和粗糙峰處于動態(tài)變化之中，由于工件整個圓柱面波峰和粗糙峰位置及大小的隨機性，工件表面的波峰和粗糙峰不會復(fù)映到油石表面，因此，這種自動尋求微觀高點進行研磨的過程會使整個工件表面微觀波峰和粗糙峰向著等高的方向演變，從而使工件表面的表面波紋度和表面粗糙度得到改善。

超精研一般還會在工件表面形成交叉網(wǎng)紋(圖3)，這是眾多磨粒各自的S形曲線軌跡相互疊加的結(jié)果，圖2示意性表達了3顆磨粒軌跡相互疊加的情況。這種交叉網(wǎng)紋有利于貯存潤滑油，從而改善工件表面的工作性能。

圖3 超精研工件表面交叉網(wǎng)紋示意圖

2 深溝球軸承套圈溝道超精研工藝的特殊性

以深溝球軸承內(nèi)圈溝道超精研為例，其加工方式如圖4所示。套圈作定軸旋轉(zhuǎn)運動，油石以一定壓力浮動在套圈溝道上并且作定軸擺動；油石寬度中心平面與套圈寬度中心平面重合，油石厚度中心平面經(jīng)過套圈軸線與套圈的一個軸向截面重合；油石的擺動軸線與套圈旋轉(zhuǎn)軸線保持空間交錯且相互垂直狀態(tài)，位于油石寬度(即沿溝道寬度方向度量的油石尺寸)中心平面，而且經(jīng)過油石厚度中心平面所截套圈溝道圓弧的中心。

圖4 深溝球軸承內(nèi)圈溝道超精研加工方式

套圈溝道在超精研之前是磨削形成的圓環(huán)面，由于油石與套圈溝道之間的位置和相對運動關(guān)系，超精研過程中油石不可能與溝道保持完全吻合的曲面接觸而不發(fā)生運動干涉。從數(shù)學(xué)角度分析，在超精研過程的任意瞬時，如果套圈溝道表面和油石工作面形狀完全吻合，那么，只要它們的形狀是曲面，上述的位置關(guān)系和運動方式都會導(dǎo)致油石與套圈之間出現(xiàn)干涉，因為總可以在曲面上找到一條曲線，使該曲線繞套圈軸線旋轉(zhuǎn)所得曲面與其繞油石擺動軸線擺動所得曲面不相同。文獻[7]用空間解析幾何建立數(shù)學(xué)方程對這種情況進行了比較詳細的分析。

目前普遍采用的深溝球軸承套圈溝道超精研加工方式，理論上無法實現(xiàn)一般超精研所具有的油石對工件的面接觸加工，而是一種非面接觸加工。因此，按照一般超精研的面接觸加工來理解深溝球軸承套圈溝道超精研過程，認識上顯然是有偏差的，偏差程度與油石和套圈溝道之間形狀差異的大小有關(guān)。

圖5所示為一種極端情況下油石和套圈溝道之間的形狀差異。超精研中油石和套圈溝道之間形狀差異大小問題與文獻[7]所述油石和套圈干涉程度問題實際上是同一個問題，圖5是以文獻[7]中用于說明油石與套圈溝道之間干涉程度的圖5c為基礎(chǔ)繪制的。這種極端情況是：套圈溝道初始形狀是與設(shè)計要求一致的理想圓環(huán)面，油石的初始形狀與套圈溝道完全吻合；油石雙向擺動的總角度與套圈溝道圓弧角度相同；油石不發(fā)生任何磨損，而套圈材料可以被去除。這種形狀偏差的產(chǎn)生機制為：套圈的轉(zhuǎn)動不會引起油石和套圈初始形狀的干涉，而油石的擺動卻會引起兩者干涉，因此，在油石不發(fā)生磨損而形狀保持不變的情況下，油石的擺動運動越劇烈，套圈溝道材料被去除得越快，其形狀變化越快；油石擺動角度越大，油石與套圈干涉越嚴重，套圈溝道形狀變化越大；而當(dāng)油石雙向擺動的總角度達到最大，即與套圈溝道圓弧角度相同時，套圈溝道形狀的變化也達到最大，這時溝道形狀與油石形狀就存在圖5所示的差異。

圖5 一種極端情況下油石和套圈溝道之間的形狀差異

圖5中x為油石厚度方向；y為油石和套圈溝道的寬度方向；z為油石的高度方向；zi為溝道與油石形狀在z方向的差異。計算條件為：套圈溝形圓弧半徑r=4 mm；套圈溝道寬度Br=6 mm；油石寬度等于套圈溝道寬度；油石厚度T=8 mm；油石擺動軸線至套圈轉(zhuǎn)動軸線的距離R=17 mm。

由圖5可知，這種極端情況下，油石與套圈溝道形狀的差異呈現(xiàn)空間分布狀態(tài)，在油石的四角處差異最大，約0.3 mm，表明這種形狀差異是比較顯著的。在油石的厚度中心平面(x=0的平面)和寬度中心平面(y=0的平面)上，這種形狀差異(z方向的差異)均為零，表明極端情況下油石與套圈溝道之間實際上是兩條線接觸，其中一條是油石的寬度中心平面與套圈溝道的截線即溝底圓弧線，另一條是油石的厚度中心平面與套圈溝道的截線即溝形圓弧線。

實際超精研中，受到多種因素的影響，在不同的幾何條件和工況條件下，油石和套圈溝道之間的形狀不僅有差異，而且這種差異還隨時間動態(tài)變化。如：圖5中極端情況下，形狀差異隨著套圈溝道材料的去除逐漸增大到最大值；由于計算條件涉及的幾何參數(shù)取值不同，形狀差異的大小也會不同；此外，影響套圈溝道材料去除速度和油石磨損速度的因素，例如油石特性和套圈材料的易加工性等，同樣會影響形狀差異的大小及其變化。

油石和套圈溝道之間形狀差異的變化規(guī)律以及這種差異對超精研過程的影響尚未充分揭示，但可以確定的是這種形狀差異的增大對超精研質(zhì)量有不良影響。文獻[7-9]提出的使油石在套圈轉(zhuǎn)動平面內(nèi)擺動的超精研新方法，有利于消除這種形狀差異，但由一般超精研中切削速度和超精研力等特征可知，新方法會使油石磨粒的切削速度方向即受力方向不再改變，因而增大了磨粒脫落的難度，降低了油石對套圈溝道材料的去除能力，因此降低了超精研效率，同時，也不能在溝道表面形成有利于貯存潤滑油的網(wǎng)狀紋路。

油石和套圈溝道之間形狀差異的存在使溝道超精研過程比一般超精研過程更復(fù)雜，因此溝道超精研工藝往往需要優(yōu)化并進行工藝試驗，以找到兼顧超精研效率與質(zhì)量的最佳工藝參數(shù)和油石特性參數(shù)，尤其對于M50鋼等難加工軸承材料，或者對表面超精研質(zhì)量要求更高的高性能軸承，更需要對溝道超精研工藝進行優(yōu)化分析。

基于對油石和套圈溝道之間形狀差異的認識，從而對目前精超和粗超工藝中工件轉(zhuǎn)速與油石擺動角度及速度的安排形成新的理解。在精超階段，需要在強化溝道旋轉(zhuǎn)運動的同時弱化油石擺動運動(包括減小油石擺角和擺動頻率)，一方面由于油石擺動運動的弱化降低了油石與套圈的干涉程度，減小了兩者的形狀差異；另一方面相對運動匹配降低了油石對套圈材料的去除速度和油石自身的磨損速度，使兩表面的形狀趨于穩(wěn)定，表面形貌趨于拋光狀態(tài)，從而有利于溝道表面質(zhì)量的提高。粗超階段情況比較復(fù)雜，油石擺動運動與溝道旋轉(zhuǎn)運動之間究竟如何匹配，目前還很難通過分析來確定，因為強化油石的擺動運動，一方面可以增大切削角，增強油石切削能力，提高超精研效率；另一方面卻會使溝道形狀更快地向著偏離設(shè)計要求的圓環(huán)面方向發(fā)展，而且油石與溝道形狀的差異也會比較大，更加偏離一般超精研的面接觸狀態(tài)。

3 圓錐滾子無心貫穿式超精研工藝的特殊性

無心貫穿式超精研是中小型圓錐滾子錐面超精研的主要方式，具有效率高、質(zhì)量一致性好的優(yōu)點，通過導(dǎo)輥的專門設(shè)計來控制滾子貫穿時的姿態(tài)和軌跡，還可以獲得不同形狀和大小的凸度。

圓錐滾子無心貫穿式超精研中，油石-滾子-導(dǎo)輥之間的幾何和運動關(guān)系如圖6所示。滾子貫穿的方式有多種，按照貫穿時滾子中心軌跡和姿態(tài)的不同，工程中使用的貫穿方式可歸結(jié)為2類(表1)。第1類稱為直線貫穿，滾子中心軌跡是直線，滾子姿態(tài)有正置定姿態(tài)、斜置定姿態(tài)和分段變姿態(tài)3種；第2類稱為曲線貫穿，為連續(xù)變姿態(tài)貫穿方式[10]。

表1 不同滾子貫穿方式的滾子中心軌跡和滾子姿態(tài)對比

圖6 油石-滾子-導(dǎo)輥的位置關(guān)系

(1)正置定姿態(tài)貫穿方式 滾子中心軌跡是與油石振蕩直線平行的縱向直線；滾子姿態(tài)固定不變，在縱向鉛垂平面內(nèi)，滾子軸線相對于油石振蕩直線傾斜一個固定角度，而在水平面內(nèi)，滾子軸線相對于油石振蕩直線不傾斜。

(2)斜置定姿態(tài)貫穿方式 滾子中心軌跡為直線；滾子軸線相對于油石振蕩直線除了在縱向鉛垂平面內(nèi)傾斜一個固定角度外，在水平面內(nèi)也傾斜一個數(shù)值較小的固定角度。

(3)分段變姿態(tài)貫穿方式 滾子中心軌跡為直線；將滾子軌跡直線全長分為3段，每一段內(nèi)滾子姿態(tài)固定不變，各段的滾子姿態(tài)互不相同。第1段使?jié)L子上素線小端抬高，對滾子小端進行研磨；第2段使?jié)L子上素線大端抬高，對滾子大端進行研磨；第3段使?jié)L子上素線接近水平，對滾子中間部位進行研磨。滾子軸線一般只在縱向鉛垂平面內(nèi)傾斜，即在每段內(nèi)為正置定姿態(tài)，但傾斜角度不同。

(4)連續(xù)變姿態(tài)貫穿方式 在縱向鉛垂平面內(nèi)，滾子軸線連續(xù)改變傾斜角度，滾子中心軌跡是曲線；在水平面內(nèi)滾子軸線相對于油石振蕩直線不傾斜，滾子中心軌跡的投影是直線。這種方式類似于圓柱滾子凸度的貫穿式超精研。

從超精研過程中油石與滾子圓錐面之間能否實現(xiàn)面接觸狀態(tài)這一角度考察，上述的各種貫穿方式中油石與滾子圓錐面之間都不是面接觸，現(xiàn)以正置定姿態(tài)貫穿方式為例進行說明。

正置定姿態(tài)貫穿超精研中，滾子沿直線貫穿，油石工作面是油石與滾子接觸面(也可能是接觸線)沿貫穿方向的直線拉伸面。顯然，滾子錐面并非直線拉伸面，因此，油石與滾子錐面不可能是面接觸。以滾子上素線與油石振蕩直線一致時的典型接觸情況為例。此時滾子大端圓弧上的點比其他截面圓弧上對應(yīng)點的位置都高(只有滾子上素線上各點等高)，因此，油石工作面是滾子大端圓弧沿貫穿方向的直線拉伸面——橢圓柱面(圓錐滾子在鉛垂面上的截形為橢圓)，這樣，油石與滾子的接觸只能是滾子大端圓弧與上素線組成的線接觸，如圖7所示。

圖7 油石與圓錐滾子之間的一種典型線接觸

文獻[11]的研究表明，在正置定姿態(tài)貫穿超精研中，油石與滾子之間呈線接觸，接觸線的形態(tài)對超精研后滾子錐面能否形成凸度以及所形成凸度的大小、形狀和對稱性均有顯著影響；當(dāng)滾子上素線小端適當(dāng)抬高時，油石與滾子之間可以形成如圖8所示的線接觸，這種“幾”字形接觸線形態(tài)是保證超精研后滾子獲得對稱性較好的凸度的關(guān)鍵條件。

圖8 油石與滾子的線接觸

因此，基于一般面接觸超精研的認識，是難以解釋圓錐滾子正置定姿態(tài)貫穿超精研凸度形成機理的。

4 結(jié)束語

在目前以深溝球軸承套圈溝道超精研、圓錐滾子無心貫穿式超精研為代表的多種超精研工藝中，油石與工件之間的接觸，雖然是凸面與凹面接觸，宏觀上形狀大體吻合；但分析表明，這種接觸實際上不是面接觸，是一類特殊的超精研工藝，可以稱為非面接觸超精研。

從接觸力學(xué)的角度看，由于接觸應(yīng)力對接觸幾何形狀的敏感性，這種非面接觸情況下接觸應(yīng)力的分布和大小可能與一般超精研面接觸的情況有很大差異，這必然會對超精研力、油石對工件材料的去除能力和油石自身磨損速度以及超精研質(zhì)量產(chǎn)生影響。

關(guān)于超精研工藝基本特性的現(xiàn)有研究，是建立在油石與工件面接觸基礎(chǔ)上的，實際上只是對面接觸超精研特性的研究，以此為基礎(chǔ)來認識滾動軸承超精研工藝問題會產(chǎn)生偏差。為提高滾動軸承制造工藝水平，尤其是難加工材料軸承和高性能軸承的制造水平，有必要針對非面接觸超精研工藝開展進一步的理論及試驗研究，并在此基礎(chǔ)上開展應(yīng)用技術(shù)研究，內(nèi)容應(yīng)包括：(1)非面接觸條件下超精研力的研究；(2)非面接觸條件下油石對工件材料的去除能力和油石自身磨損速度的研究；(3)非面接觸超精研對工件表面形狀及表面質(zhì)量的影響研究；(4)針對軸承零件的新型超精研方式、方法研究；(5)軸承超精研工藝參數(shù)的優(yōu)化研究。