滾動(dòng)軸承套圈及滾子滾道超精研發(fā)展現(xiàn)狀

張宏友，吳鳴宇

(大連海洋大學(xué) 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，遼寧 大連 116300)

滾動(dòng)軸承套圈及滾子滾道超精研發(fā)展現(xiàn)狀

張宏友，吳鳴宇

(大連海洋大學(xué) 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，遼寧 大連 116300)

滾動(dòng)軸承超精研加工是滾動(dòng)軸承加工的最后一道工序，其加工方法和加工設(shè)備直接決定了滾動(dòng)軸承的加工成本及品質(zhì)。從滾動(dòng)軸承超精研對(duì)軸承壽命的影響出發(fā)，對(duì)油石加工的原理方法及特點(diǎn)進(jìn)行綜述，以期推動(dòng)滾動(dòng)軸承超精研加工技術(shù)的發(fā)展。

滾動(dòng)軸承；套圈；滾子；超精研

0 引言

滾動(dòng)軸承廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸、國(guó)防、航空航天等各個(gè)領(lǐng)域，而高性能滾動(dòng)軸承是重大裝備及精密裝備的核心部件。但是目前我國(guó)在高精度軸承的研究方面自主研發(fā)能力落后，已經(jīng)成為嚴(yán)重制約我國(guó)裝備制造業(yè)發(fā)展的瓶頸，而高性能滾動(dòng)軸承的研發(fā)離不開(kāi)超精研。目前超精研加工的方法有電化學(xué)機(jī)械光整、油石超精研、砂輪超精研等，但技術(shù)比較成熟的是油石超精研加工方法，本文主要圍繞滾動(dòng)軸承的超精研加工的工藝及方法進(jìn)行論述。

1 軸承超精研對(duì)軸承性能的影響

超精研加工主要是提高和改善被加工工件表面的微觀質(zhì)量，包括粗糙度、溝形、圓度和金屬條紋的走向。表面形貌是表征表面質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)，從目前材料冶煉和機(jī)械加工所能達(dá)到的水平看，表面經(jīng)加工后的實(shí)際形貌和理想形貌有很大差異。超精研加工是用油石，以低壓、快而短促的往復(fù)擺動(dòng)作用于旋轉(zhuǎn)的工件上，在良好的潤(rùn)滑條件下所進(jìn)行的提高光度、波紋度和幾何精度的加工。超精研時(shí)，隨著軸承表面逐漸被磨平，油石的磨粒也逐漸被磨鈍，與軸承的表面接觸面積增大，單位壓力面積不斷降低，潤(rùn)滑油膜逐漸形成，且降低軸承表面的粗糙度。油膜的形成和粗糙度的降低對(duì)軸承壽命的增長(zhǎng)有著不可或缺的作用。圓柱滾子軸承套圈滾道、滾子工作表面的粗糙度對(duì)軸承的壽命影響如表1所示[1]。為提高軸承的性能(包括壽命、可靠性)，除對(duì)軸承的材料、設(shè)計(jì)、制造技術(shù)等進(jìn)行嚴(yán)格的篩選、監(jiān)控、優(yōu)化、組合外，在等同工況下，油石超精研加工有著決定性的作用。

超精研加工會(huì)改善滾道表面的物理機(jī)械性能，由于滾道表面在磨削加工時(shí)受到高達(dá)750 ℃～1 200 ℃的磨削熱影響，使表面層的金屬結(jié)晶組織被破壞，容易產(chǎn)生拉應(yīng)力。因此超精研的任務(wù)之一就是去除此缺陷層，提高表面的接觸疲勞強(qiáng)度，延長(zhǎng)使用壽命。

表1 圓柱滾子軸承套圈滾道、滾子工作表面的粗糙度對(duì)軸承壽命的影響

2 軸承套圈和滾子油石超精研加工

2.1 國(guó)內(nèi)外超精研發(fā)展?fàn)顩r

20世紀(jì)90年代以來(lái)，軸承的超精研工藝日益成熟，變頻技術(shù)、PLC等技術(shù)的應(yīng)用更是提高了超精研設(shè)備的技術(shù)性能[2]。目前在超精研設(shè)備方面，主要是對(duì)軸承套圈滾道及圓錐滾子的超精機(jī)以及磨超自動(dòng)線方面的研究[3]。國(guó)外的軸承工業(yè)在20世紀(jì)60年代就形成了穩(wěn)定的套圈磨削和超精研加工工藝流程，即“雙端面磨削-無(wú)心外圓磨削-滾道切入式磨削-滾道超精研加工”[4]?，F(xiàn)代設(shè)備主要是向高效率、易調(diào)整、數(shù)控化和自動(dòng)化方向發(fā)展，這方面的設(shè)備主要有日本的數(shù)控超精機(jī)(SUPERFINA、大阪精機(jī)公司)、日本NTN公司及瑞典SKF公司的削磨加工生產(chǎn)線，以及世界第一位的德國(guó)索菲娜(sofina)軸承超精機(jī)。

國(guó)內(nèi)主要的超精機(jī)包括：無(wú)錫海博生產(chǎn)的套圈滾道超精機(jī)，其最大拋光外徑為Φ400 mm；無(wú)錫海博的調(diào)心滾子超精機(jī)，最大滾子外徑為Φ70 mm，并可同時(shí)拋光多個(gè)滾子；河北石家莊亞星生產(chǎn)的滾道超精機(jī)，最大拋光尺寸外徑為Φ600 mm；還有北京金龍騰飛生產(chǎn)的立式超精機(jī)，拋光外徑尺寸為Φ100 mm～Φ200 mm。以上這些超精研機(jī)床價(jià)格都在20多萬(wàn)左右，此類(lèi)以油石為主的超精研機(jī)床主要用于加工超精滾子及套圈滾道， 其效率約為20 min 1件，每天可加工20套～30套。但是對(duì)比國(guó)外超精研設(shè)備，目前國(guó)內(nèi)設(shè)備不能實(shí)現(xiàn)大尺寸的超精加工，對(duì)于外徑尺寸Φ600以上的零件，國(guó)內(nèi)主要是通過(guò)精磨后裝配出廠， 特別是對(duì)Φ1 m以上的軸承超精加工，目前國(guó)內(nèi)剛剛起步，還鮮有應(yīng)用。

對(duì)于超精加工后的表面質(zhì)量，用國(guó)內(nèi)設(shè)備超精加工后可達(dá)到Ra0.1 μm左右，但用國(guó)外設(shè)備超精加工可達(dá)到Ra0.04 μm，甚至更低，可以看出我國(guó)和國(guó)外超精研設(shè)備和技術(shù)均還存在一定的差距。

2.2 油石超精研加工設(shè)備及原理

傳統(tǒng)的超精研設(shè)備是切入式磨床，采用機(jī)械壓緊式心軸夾具裝夾工件，裝夾時(shí)以工件內(nèi)徑及一端面定位，軸承內(nèi)圈的內(nèi)徑是軸承安裝配合面之一，為滿足與主軸軸頸一定的配合要求，內(nèi)徑的各項(xiàng)幾何精度要求較高。超精研加工時(shí)，工件加工表面受到較大的油石壓力，因此在工件內(nèi)表面往往會(huì)產(chǎn)生內(nèi)徑劃傷和劃痕。

超精研技術(shù)中的油石超精研加工工藝是指在良好的潤(rùn)滑條件下，被加工軸承以較低的速度旋轉(zhuǎn)，油石以較低的壓力彈性地壓在工件滾道研磨表面，并在垂直于工件旋轉(zhuǎn)方向按一定規(guī)律作往復(fù)振蕩運(yùn)動(dòng)的一種加工方法，其加工軌跡是正弦曲線，有利于消除油石的形狀誤差。超精研加工的運(yùn)動(dòng)有3種，包括工件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、油石的縱向往復(fù)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)以及油石的振蕩運(yùn)動(dòng)。油石的振蕩頻率、振動(dòng)幅度和工件的速度都會(huì)影響其整個(gè)加工過(guò)程。根據(jù)超精研加工的原理，超精研加工過(guò)程是從切削作用轉(zhuǎn)化為光整作用的過(guò)程，因此在初始階段需要盡快地切除工件的加工余量，這就需要較強(qiáng)的切削作用；而在光整階段，主要是降低工件表面的粗糙度，這是需要有較弱的切削作用。超精研加工切削作用的強(qiáng)弱通常用切削角θ來(lái)表示，θ角是瞬時(shí)切削速度與工件圓周速度的夾角[5]，可以表示為：

(1)

其中：a為油石往復(fù)運(yùn)動(dòng)范圍，mm；f為油石的振蕩頻率，min-1；D為工件直徑，mm;n為工件轉(zhuǎn)速，r/min。

從式(1)中可以看出，油石的振蕩頻率越高、振蕩幅度越大，則切削角越大，因此切削作用增大，效率提高，表面粗糙度值提高。工件的圓周速度越大，切削角越小，切削作用減弱，效率下降，表面粗糙度值降低。因此，要得到好的超精研加工效果，需要在加工的初級(jí)階段盡可能采用較大的油石振幅和振頻，較低的工件速度；在光整階段盡可能采用較小的油石振幅和振頻，較高的工件速度來(lái)達(dá)到最好的超精研加工效果。

2.3 油石及冷卻液的影響

在超精研過(guò)程中，油石和冷卻液起著最主要的作用，一般采用細(xì)粒度為W2.8～W28磨料進(jìn)行超精加工，而且加工到一定階段需要更換油石，以保證軸承套圈滾道及滾子的修形功能，特別是加工具有指數(shù)曲線的滾子時(shí)，其油石的磨粒粒度及性能更加重要。圖1、圖2、圖3分別為無(wú)錫海博加工Φ400 mm外徑的半自動(dòng)化油石超精機(jī)、可同時(shí)拋光多個(gè)最大外徑為Φ70 mm的滾子超精機(jī)以及加工尺寸在Φ100 mm～Φ200 mm之間的北京金龍立式超精研機(jī)。

圖1 無(wú)錫海博套圈滾道超精機(jī)圖2 可同時(shí)拋光多個(gè)滾子的無(wú)錫海博超精機(jī)圖3 北京金龍立式滾道超精機(jī)

油石拋光過(guò)程中，需要不斷添加拋光液，而理想的冷卻液應(yīng)具有小的表面張力和強(qiáng)的吸附性能，但對(duì)于這種旋轉(zhuǎn)加工的方式又是矛盾的，黏性小的冷卻液表面張力小，吸附性差，形成的油膜容易擠破；相反黏性大的冷卻液表面張力大，吸附性強(qiáng)，但油膜不易形成。所以在主要以煤油和機(jī)油為主的冷卻液中添加活性物質(zhì)，如油酸，這些活性物質(zhì)能增大冷卻液的吸附強(qiáng)度，這對(duì)改變工件表面的粗糙度是很有利的，而冷卻液應(yīng)選擇可以回收、對(duì)人體危害小、具有防銹功能以及適當(dāng)?shù)酿ざ取?/p>

3 結(jié)論與展望

由上述可以看出，超精研加工是降低工件表面粗糙度的主要方法，通過(guò)超精研加工工藝可以更好地形成潤(rùn)滑油膜，大大提高滾動(dòng)軸承壽命，特別是可對(duì)滾子及套圈滾道圓度進(jìn)行修形，進(jìn)而減小滾動(dòng)軸承套圈滾道的形位公差，是高品質(zhì)軸承必不可少的最后一道精加工工序，其加工工藝及設(shè)備直接影響著軸承工業(yè)的最高水平。對(duì)于大尺寸滾動(dòng)軸承套圈滾道的超精研加工及指數(shù)曲線滾子的修形加工，我國(guó)還與瑞典、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家存在著巨大的差距，因此我國(guó)應(yīng)在原有油石加工的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探索其他新的滾動(dòng)軸承套圈及滾子的超精研加工工藝和設(shè)備，使之盡快適應(yīng)我國(guó)高端裝備制造業(yè)的需求。

[1] 卜炎.實(shí)用軸承技術(shù)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2004.

[2] 謝守振，裴翠紅，段富宜.軸承磨超工藝技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用[J].工藝與裝備，2005(6)：74-77.

[3] 萬(wàn)鵬.我國(guó)超精加工技術(shù)進(jìn)入新階段[J].機(jī)械工程，1989(8)：31-32.

[4] 劉橋方，嚴(yán)楓.我國(guó)軸承制造技術(shù)的現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì)[J].軸承，2005(6)：42-45.

[5] 李?lèi)傴P.滾動(dòng)軸承套圈滾道超精研工藝研究[D].大連：大連理工大學(xué),2007：1-25.

(英文摘要Development of Super-precision Finishing Technique for Ring and Roller of Roll Bearing

ZHANG Hong-you, WU Ming-yu

(College of Applied and Technology, Dalian Ocean University, Dalian 116300, China)

The super-precision finishing is the last step in rolling bearing processing, its processing method and processing equipment has deeply influence on the cost and quality of rolling bearings. This article has reviewed the the principle and characteristics of super-precision finishing, and analyzed the influence of the process parameters and the methods on the bearing life, in order to give a positive role on the super-precision finishing of rolling bearings.

roll bearing; rings; roller; super-presision finishing

1672- 6413(2015)06- 0220- 02

2015- 04- 27；

2015- 09- 22

張宏友(1961-)，男，安徽蒙城人，教授，碩士。

TH133.33

A

遼寧省科學(xué)研究一般項(xiàng)目(L2015085)；遼寧省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃2013年重點(diǎn)課題(JG13EA006)；大連市職業(yè)技術(shù)教育科學(xué)研究院2014年重點(diǎn)課題(DZKY2014002)