三瓣波滾子軸承外圈磨削工藝優(yōu)化

唐雙晶，關云朋，劉明陽

(中航工業(yè)哈爾濱軸承有限公司， 哈爾濱 150027)

航空發(fā)動機主軸用滾子軸承應用于高速、高溫、輕載工況下，具有高速輕載的特點，軸承在高速運轉時，滾子在大的離心力作用下有脫離內圈滾道接觸的趨勢，且軸承徑向載荷小，滾子與滾道間摩擦力過小，造成滾子出現(xiàn)公轉滑動，即高速輕載打滑現(xiàn)象，使?jié)L子與內滾道表面產生相互蹭傷，導致軸承過早失效，對發(fā)動機造成破壞性的影響[1]。

目前國內外已研究多種方法解決輕載打滑問題[2-5]，主要措施包括：減小軸承游隙，使?jié)L子在離心力作用下仍能保持與內圈滾道的接觸；采用非圓滾道；將保持架定位于內圈；保持架采用輕質材料；采用空心滾子等等。其中將套圈滾道設計成非圓滾道的方法十分有效，利用滾道的非圓特性使軸承在受到徑向載荷時，原非承載區(qū)的滾子承受一定的預加載荷，使軸承工作時內、外圈滾道與滾子間始終有載荷作用，不出現(xiàn)輕載或零載，以增大拖動力。根據(jù)滾子的受力及運動特性，將軸承滾道設計成三瓣波形。

1 三瓣波滾子軸承結構

三瓣波滾道的輪廓形狀特殊，各項精度要求高，傳統(tǒng)的套圈圓形滾道磨削加工方法不適用。某型三瓣波滾子軸承外圈結構如圖1所示，A面為定位基準，帶有定位凸臺，基準A面對非基準B面的平行差不易保證。

圖1 三瓣波滾子軸承外圈結構示意圖Fig.1 Structure diagram of roller bearings outer ring with trilobe raceway

外圈外滾道為等徑三瓣波形結構(圖2)，其中0°，120°，240°這3點為三瓣波沿基圓向外凸出的最高點，60°，180°，300°這3點為三瓣波沿基圓向內凹進的最低點，最高點與最低點沿徑向位移差即為三瓣波的凸出量。

圖2 外圈滾道輪廓示意圖Fig.2 Diagram of outer ring raceway profile

2 初擬外圈磨加工流程

根據(jù)外圈結構特點及精度要求，初擬定磨加工工藝流程為：粗磨B面→粗磨A面→粗磨外圓→粗磨外圈內孔→粗磨擋邊→粗磨外滾道→倒角及清油溝→穩(wěn)定處理→終磨B面→終磨A面→精研A面→終磨外圓→終磨擋邊→細磨外滾道→終磨外滾道→探傷→終磨外圈內孔→拋光擋邊、去銳角、打鈍銳角→粗研外滾道→精研外滾道→修磨外圓→退磁、清洗、 提交。

3 關鍵磨削工序分析

3.1 A，B兩平面的磨削

由于基準A面帶凸臺，在磨削非基準B面時，無法直接以A面為基準進行磨削，只能通過如圖3所示的帶槽墊圈進行間接磨削。

圖3 平面磨削示意圖Fig.3 Diagram of plane grinding

終磨平面時，先磨削墊圈兩端面，提高墊圈平行差VDs，然后將套圈基準A面向下，定位凸臺裝在墊圈缺口處，磨削非基準B面?；鶞蔄面的磨削采用M7120磨床。在終磨循環(huán)時通過反復2次分別磨削A，B平面，最后進行精研，最終達到平面度2 μm，平行差3 μm的要求。

3.2 三瓣波滾道磨削

利用金屬的彈性變形特性，采用模具擠壓套圈產生彈性預變形后磨削滾道的方法進行加工[6],去掉模具后，套圈彈性恢復，最終滿足滾道異形曲線的要求。

3.2.1 滾道輪廓曲線

借助精密專用模具使三段曲線內輪廓(圖4、圖5)與軸承套圈外圓表面過盈配合，從而施加外夾緊力，強制套圈產生彈性變形，然后帶模具磨削滾道，這時滾道為正圓形，各項尺寸及形位精度達到工藝要求后，將工件從夾具上拆卸下來，薄壁套圈由于自身的彈性，恢復形狀。當工件從模具上取出，壁厚的最薄點成為三瓣波的最高點，壁厚的最厚點成為三瓣波的最低點，由此形成三瓣波形狀的滾道。

圖4 模具形狀示意圖[6]Fig.4 Diagram of mold shape

圖5 模具夾緊曲線放大圖Fig.5 Enlarged drawing of mold clamping curve

3.2.2 滾道磨削方法

將模具放在平臺表面，外圈依圖6所示裝入模具中。安裝后，在套圈上部墊套筒，用銅棒輕敲，確保套圈基準A面與模具底面完全重合。

圖6 套圈安裝圖Fig.6 Drawing of ring installation

采用軸承套圈專用數(shù)控內圓磨床加工，使用電磁無心卡具，磨削時，套圈基準A面安裝定位在磁極上，支點支承在胎具外圓表面。

滾道通常分為粗磨、細磨和終磨3次磨削。粗磨加工去除大部分留量，按圓形滾道磨削。細、終磨加工按初擬定的磨加工工藝路線進行，按理論計算值控制外圓尺寸公差。加工完成后，檢測精度及輪廓發(fā)現(xiàn)，滾道壁厚、圓度超差，輪廓凸出量值不合格。

分析原因：一方面是粗磨精度差，而細、終磨磨削量大；另一方面帶模具加工薄壁工件，切削參數(shù)設置不夠合理，極易導致工件變形。

解決措施：

1)調整工藝流程。增加細磨外徑工序，將細、終磨滾道連續(xù)加工改為磨外徑和磨滾道交替進行，細磨滾道仍按正常圓形滾道加工,進一步去除留量、提高精度，為下一步滾道成形做準備。

2)將套圈外徑面與模具內輪廓尺寸配磨。實際加工過程中，終磨外徑面時先按外徑理論尺寸值磨削，然后安裝到模具上進行試磨，試磨時滾道輪廓成形即可，不必磨到終磨滾道尺寸。試磨后取下工件，檢測滾道輪廓形狀，將其與要求凸出量進行比較，據(jù)此對套圈外徑尺寸進行微調，使其安裝過盈量能夠保證磨削后滾道凸度量符合工藝要求。當凸出量為0.11～0.13 mm時，通常要求過盈量為0.05 mm。

3)磨削加工參數(shù)的確定。終磨留量依照實際輪廓凸出量確定，通過試驗驗證，凸出量為0.11～0.13 mm，滾道留量為0.2 mm。砂輪選用切削性能良好的SA120，單次磨削量控制在0.01～0.02 mm，進給量控制在1～2 μm/s。

3.2.3 檢測方法

帶模具檢測，即磨削加工完成后不從模具中取出工件測量套圈的各項精度。滾道各項技術要求：圓度誤差ΔCir≤1μm；平均外徑變動量VDmp≤1μm；外圈滾道對端面的平行度Se≤1μm。

取下套圈檢測滾道輪廓：外圈滾道3個凸點和3個凹點與外表面間的厚度變動量之差K′e≤3 μm。采用輪廓儀檢測滾道內輪廓形狀和凸出量。

4 優(yōu)化后的磨加工工藝流程

經(jīng)試制調整后的磨加工工藝流程為：粗磨B面→粗磨A面→粗磨外圓→粗磨外圈內孔→粗磨擋邊→粗磨外滾道→穩(wěn)定處理→終磨B面→終磨A面→精磨B面→精研B面→精磨A面→精研A面→細磨外圓→終磨擋邊→細磨滾道→終磨外圓→終磨外滾道→終磨外圓內孔→光磨擋邊→拋光擋邊→去擋邊銳角→光飾→粗、精研外滾道→退磁、清洗、提交。

5 結束語

經(jīng)過大量的工藝試驗驗證，同時對套圈內輪廓及各項精度進行全檢，證明此磨削加工工藝方法對三瓣波滾道的加工是完全有效的，產品的各項尺寸、精度及內輪廓表面的形狀均滿足要求。該加工方法可推廣到同類相近產品的加工中，但是由于模具與套圈存在過盈配合，模具容易磨損，不適宜大批量生產加工。