圓柱滾子外圓精密加工技術(shù)綜述

姚蔚峰 袁巨龍 鐘美鵬 王成武 周芬芬

1.紹興文理學(xué)院機械與電氣工程學(xué)院,紹興,312000 2.浙江工業(yè)大學(xué)超精密加工研究中心,杭州,310014 3.嘉興學(xué)院機電工程學(xué)院,嘉興,314001 4.浙江師范大學(xué)工學(xué)院,金華,3210045.臺州學(xué)院航空工程學(xué)院,臺州,318000

0 引言

軸承是裝備制造業(yè)中應(yīng)用廣泛的精密基礎(chǔ)元件，而滾動體是軸承最關(guān)鍵、最薄弱的零部件，它承受著軸承的絕大部分載荷，滾動體接觸疲勞是滾動軸承失效的主要形式。圓柱滾子作為一種軸承滾動體，它與滾道之間為線接觸，具有承受高負荷的能力，特別適用于重載高速旋轉(zhuǎn)的機械裝備，如高速機床主軸[1]、風(fēng)力發(fā)電機組[2]、高鐵列車齒輪箱[3]、航空發(fā)動機[4]等。圓柱滾子外圓是滾動軸承主要的工作面，其形狀精度[5]、表面質(zhì)量[6]和一致性[7]對軸承的運動精度和工作壽命均會產(chǎn)生極大影響。作為廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵基礎(chǔ)件，圓柱滾子的國內(nèi)外市場需求巨大，然而目前我國的圓柱滾子制造整體水平仍舊顯著落后于國際先進水平，應(yīng)用于高端軸承的高精度圓柱滾子長期被國外大公司所壟斷，因此圓柱滾子外圓精密加工技術(shù)的發(fā)展對我國軸承制造水平的提升具有重要意義，屬于《中國制造2025》“工業(yè)強基工程”[8]的支持范疇。

本文簡述了圓柱滾子的加工精度要求，分析了圓柱滾子的市場現(xiàn)狀；將圓柱滾子外圓精密加工技術(shù)劃分為傳統(tǒng)方法和非傳統(tǒng)方法兩大類，闡述了典型技術(shù)原理，介紹了不同加工方法的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，并對各加工方法的優(yōu)劣勢進行了比較分析和評價；對圓柱滾子外圓精密加工技術(shù)的發(fā)展概況和研究方向進行了總結(jié)和展望。

1 市場分析和加工精度要求

我國是軸承需求大國和生產(chǎn)大國，2014年我國軸承行業(yè)主營業(yè)務(wù)收入達到1 649億元[9]。我國軸承行業(yè)對圓柱滾子需求量巨大，僅2008年，圓柱滾子市場需求量就已達到近40億元[10]。然而，在高端軸承領(lǐng)域我國仍然嚴重依賴于進口市場，僅2014年，我國進口各類軸承價值約37.7億美元，其中圓柱滾子軸承價值約7.3億美元，占比19.4%[9]。當前世界軸承市場70%以上的份額被主要跨國軸承集團公司瓜分[10]，分別為瑞典的斯凱孚(SKF)，日本的恩斯克(NSK)、捷太格特(JTEKT)、恩梯恩(NTN)、NACHI和NMB，德國的舍弗勒(SCHAEFFLER)，美國的鐵姆肯(TIMKEN)，這幾家跨國軸承集團公司2014年的業(yè)務(wù)收入將近達到600億美元[9]。

國家標準GB/T 4661—2002 《滾動軸承圓柱滾子》[11]將圓柱滾子的產(chǎn)品質(zhì)量劃分為4個公差等級，精度要求從高到低依次為0級、Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級，其中最高公差等級0級圓柱滾子(φ?18 mm以下)的圓度誤差要求達到0.3 μm以下，表面粗糙度Ra?要求達到0.1 μm以下。目前，國際頂級軸承制造企業(yè)已具備0級圓柱滾子的批量生產(chǎn)能力，而我國大多數(shù)企業(yè)普遍只具備國家標準Ⅱ級圓柱滾子的大批量生產(chǎn)能力，僅有人本軸承、洛陽軸承、瓦房店軸承、哈爾濱軸承等少數(shù)大型軸承制造企業(yè)可實現(xiàn)Ⅰ級圓柱滾子和0級圓柱滾子的小批量生產(chǎn)?？傮w而言，我國已是軸承生產(chǎn)大國，但還不是軸承強國[9]，在高精度圓柱滾子的生產(chǎn)及加工技術(shù)方面，與國際先進水平相比仍存在較大差距。

2 圓柱滾子外圓精密加工技術(shù)分類

圓柱滾子的制造流程較為復(fù)雜，通常需要經(jīng)歷冷鐓、軟磨、熱處理、粗磨、精磨、精研、超精研等多個工藝流程，對圓柱滾子端面、倒角、外圓等部位進行全方位加工，其中針對圓柱滾子外圓的精磨、精研和超精研通常作為整個制造流程的終加工手段[12]，因此圓柱滾子外圓的精密加工技術(shù)直接影響圓柱滾子最終的精度指標，是改善圓柱滾子加工精度的關(guān)鍵工序。

目前，依據(jù)加工原理和市場應(yīng)用范圍，圓柱滾子外圓精密加工方法主要分為基于無心加工原理的主流傳統(tǒng)加工方法和基于其他加工原理的定心往復(fù)超精研、電化學(xué)機械光整、磁流體研磨、雙平面方式超精研拋等非傳統(tǒng)加工方法，如圖1所示。

圖1 圓柱滾子外圓精密加工方法分類Fig.1 Categories of precision machining methods forouter diameter of cylindrical rollers

3 傳統(tǒng)無心加工方法

3.1 無心磨削

無心磨削加工方法最早由美國人HEIM[13]提出，是一種軸類零件外圓的精密加工技術(shù)[14]。該加工方法因具有生產(chǎn)效率高、自動化適應(yīng)性好等特點和優(yōu)勢，已廣泛應(yīng)用于各種軸類零件的大批量加工，尤其適用于軸承制造領(lǐng)域。

無心磨削不同于車削等傳統(tǒng)的定心加工方法，它以工件自身外圓被加工表面作為定位基準。標準的無心磨削加工原理見圖2，無心磨削加工系統(tǒng)主要包括砂輪、導(dǎo)輪、托板和軸類工件。在加工過程中，砂輪和導(dǎo)輪同向轉(zhuǎn)動，導(dǎo)輪驅(qū)動工件轉(zhuǎn)動，砂輪實現(xiàn)材料去除，托板主要起到支撐工件的作用。

圖2 無心磨削加工原理[14-16]Fig.2 Schematic diagram of centerless grinding

(a)切入式 (b)貫穿式圖3 無心磨削的兩種基本方式[14-16]Fig.3 Two basic modes of centerless grinding

根據(jù)磨具進給方向劃分，無心磨削加工方法基本可分為切入式(橫磨)和貫穿式(縱磨)，其加工原理分別見圖3。切入式加工時，基于面形復(fù)制，依靠砂輪和導(dǎo)輪的輪廓形狀來保證工件外圓表面成形；貫穿式加工時砂輪和導(dǎo)輪軸線設(shè)置一定傾角，這樣，工件滾動的同時可沿著導(dǎo)輪軸線做直線進給運動，很適用于自動化大批量生產(chǎn)，此外導(dǎo)輪母線還可設(shè)計為雙曲面形狀，使得工件圓柱面加工出凸度。

國內(nèi)外學(xué)者對無心磨削的相關(guān)技術(shù)開展了大量研究，在無心磨削的加工原理、機床結(jié)構(gòu)設(shè)計、工藝參數(shù)優(yōu)化、先進加工技術(shù)等相關(guān)研究方向進行了全方位、系統(tǒng)性的研究。目前，無心磨削的研究方向主要集中在如下2個方面。

(1)無心磨削加工系統(tǒng)穩(wěn)定性和成圓機理的研究。由于在無心磨削過程中工件具有不定心的加工特點，因此如何保證加工系統(tǒng)的穩(wěn)定是無心磨削研究的首要問題，也是當前研究的最大熱點。無心磨削加工系統(tǒng)的穩(wěn)定性主要分為如下3個方面：①工件夾持穩(wěn)定性，主要研究工件轉(zhuǎn)速與結(jié)構(gòu)、工藝參數(shù)的關(guān)系，目的是保證無心磨削過程的安全運行，避免工件飛出加工區(qū)域的惡劣現(xiàn)象發(fā)生；②幾何成圓穩(wěn)定性，該研究有助于探究工件外圓的成圓機理，減小圓度誤差，改善加工精度；③動力學(xué)系統(tǒng)穩(wěn)定性，該研究是為了避免加工顫振這種惡劣現(xiàn)象發(fā)生。上述加工系統(tǒng)穩(wěn)定性三方面的研究成果可用于工件中心高、托板傾角、砂輪和導(dǎo)輪轉(zhuǎn)速等無心磨床結(jié)構(gòu)參數(shù)和無心磨削工藝參數(shù)的選擇和優(yōu)化。

HASHIMOTO[17]針對工件旋轉(zhuǎn)、幾何成圓和動力學(xué)系統(tǒng)3個穩(wěn)定性問題分析了判定條件，提出了性能指標(performance index，PI)函數(shù)，可用于結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)的優(yōu)化和分級。CERNAIANU等[18]提出了一種無心磨削工件中心高的計算方法。TRUBITSYN等[19]應(yīng)用碳化鎢磨料和銅結(jié)合劑組成的砂輪對硬質(zhì)合金工件進行無心磨削，并對磨削力和工藝參數(shù)的關(guān)系進行了理論分析。ROWE[20]在無心磨削動力學(xué)穩(wěn)定性的分析中，采用奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)來判斷加工顫振現(xiàn)象是否發(fā)生，并給出了動力學(xué)穩(wěn)定參數(shù)，以評估動力學(xué)的穩(wěn)定水平。BARRENETXEA等[21-23]開發(fā)了新算法分析切入式無心磨削加工系統(tǒng)，將成圓、顫振、工件旋轉(zhuǎn)、頻域、時域、溫度(熱損傷)、磨削自銳性等問題均融合進建模和仿真中，他們通過實驗驗證發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后的加工時間縮短了70%，表面粗糙度減小了6%，圓度誤差減小了15%。崔奇等[24-25]結(jié)合工件運動學(xué)建立了一個時域的動力學(xué)模型，可用來預(yù)測圓度誤差的演變，通過優(yōu)化工藝參數(shù)，得到的圓度誤差理論值可達到0.1 μm。此外，文獻[15, 26-30]也對無心磨削的加工系統(tǒng)穩(wěn)定性問題和成圓機理在理論上進行了分析和總結(jié)。

(2)無心磨削先進加工技術(shù)的研究。無心磨削加工技術(shù)發(fā)展至今，主要還是以傳統(tǒng)的標準無心磨削原理為基礎(chǔ)，但近年來隨著磨削技術(shù)、自動化、信息化及學(xué)科交叉的發(fā)展，人們開發(fā)了一些新的無心磨削加工方法、加工工藝和無心磨床結(jié)構(gòu)。

OHMORI等[31-32]提出了在線電解砂輪修整(electrolytic in-process dressing，ELID)磨削技術(shù)并將其應(yīng)用于無心磨削，顯著提高了Si3N4、ZrO2等陶瓷材料圓柱滾子的形狀精度和表面質(zhì)量，使圓柱滾子母線直線度和表面粗糙度減小將近一半。WU等[33-36]提出了超聲橢圓振動輔助無心磨削加工技術(shù)，研制了特殊結(jié)構(gòu)的無心磨床，與傳統(tǒng)加工工藝相比，在保持圓度誤差相同條件下，所提加工技術(shù)大幅提高了加工效率，縮短了50%的加工時間。BARRENETXEA等[37-39]采用工件速率連續(xù)變化(continuous workpiece speed variation，CWSV)技術(shù)，有效避免了無心磨削顫振現(xiàn)象的發(fā)生，并采用慣性主動阻尼器提高了加工效率。GARITAONANDIA等[40]采用壓電致動器設(shè)計了一款避免顫振的主動控制振動輔助裝置，顯著減小了砂輪和導(dǎo)輥的振動幅值，從而改善了批量工件圓度誤差的一致性。此外，CERNAIANU等[41]采用有限元方法(FEM)研究了無心磨削中工件的溫度場，并通過測量磨屑溫度來進行實驗驗證。YALOVOY等[42]將自適應(yīng)控制策略(蒙特卡羅法)應(yīng)用于軸承套圈的無心磨削。KHOI等[43]采用遺傳算法對滲碳鋼階梯軸的切入式無心磨削加工工藝進行了優(yōu)化。郭登月等[44]、于杰明等[45]對無心磨削過程中碳排放量的統(tǒng)計開展了研究。

綜上所述，目前國際上無心磨削的研究和技術(shù)發(fā)展仍舊由國外權(quán)威學(xué)者和知名企業(yè)引領(lǐng)。國內(nèi)研究主要集中于工程問題，開展理論研究的文獻較少，且相關(guān)文獻主要發(fā)表在《軸承》、《哈爾濱軸承》等國內(nèi)軸承行業(yè)期刊，發(fā)表在國際權(quán)威期刊的文獻很少?？傮w來說，我國無心磨削相關(guān)的理論和技術(shù)在創(chuàng)新性、先進性、研究深度和廣度方面均嚴重落后于國際先進水平。

3.2 無心超精研

無心超精研加工方法是無心磨削加工方法的發(fā)展和改進，特別適用于軸承圓柱、圓錐滾子外圓的批量超精加工，它繼承了無心磨削加工方法高生產(chǎn)效率的優(yōu)點，主要用來大幅提高工件外圓表面的表面質(zhì)量和形狀精度，亦可實現(xiàn)微量凸度成形，通常作為圓柱滾子加工的終道工序。無心超精研的加工原理見圖4，其加工系統(tǒng)主要包括工件、油石和2個幾何形狀相同、都加工有螺旋槽的導(dǎo)輥。2個導(dǎo)輥同向同速轉(zhuǎn)動，驅(qū)動工件滾動，同時依靠螺旋槽側(cè)壁推動工件做軸向進給運動。在加工載荷的作用下，油石正壓在工件外圓表面，由于工件和油石之間存在相對運動，因此油石含有的磨粒對工件進行微量材料去除。導(dǎo)輥幾何形狀及其精度是保證工件成形精度的重要因素。

(a)加工原理(b)加工裝置放大視圖

(c)實物圖圖4 無心超精研加工原理和裝置[14-16]Fig.4 Schematic diagram and device photograph ofcenterless superfinishing

ZAKHAROV等[46-49]從幾何運動學(xué)和動力學(xué)角度對無心超精研的工件成形機理，尤其在工件成形軌跡、加工系統(tǒng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取和優(yōu)化策略等方面進行了理論分析，研究結(jié)果表明，兩根導(dǎo)輥軸線的間距和傾角對工件成形精度有至關(guān)重要的影響。文獻[50-57]從幾何運動學(xué)和加工接觸學(xué)角度對無心超精研加工方法的工件凸度成形機理、導(dǎo)輥形狀的影響等方面進行了理論分析，并開展了超精研工藝及導(dǎo)輥修形磨削工藝的實驗研究。

4 非傳統(tǒng)加工方法

4.1 定心往復(fù)超精研

在傳統(tǒng)車床的基礎(chǔ)上，將切削刀具更換為油石并添加超聲振動輔助裝置和精密加載控制裝置后，可對圓柱滾子外圓采用定心往復(fù)超精研加工方法進行加工，其加工原理見圖5，可以看出，油石在工件外圓表面沿著振蕩軌跡做往復(fù)研磨運動，進而實現(xiàn)材料去除。為獲得更高的表面質(zhì)量，可將油石更換為砂帶，或者更換為鑄鐵、聚氨酯等材料構(gòu)成的研磨塊或拋光墊，采用超細磨料和化學(xué)試劑組成的研磨液或拋光液，依靠機械去除和化學(xué)反應(yīng)共同作用來實現(xiàn)材料去除。對于定心往復(fù)超精研加工方法，工件轉(zhuǎn)速、油石(或研磨塊、拋光墊)的往復(fù)運動速度以及超聲振動頻率之間的相對關(guān)系是改善圓柱外圓表面微觀形貌、表面質(zhì)量和形狀精度的關(guān)鍵。此外，工件的裝夾精度和效率也是定心往復(fù)超精研加工方法需要考慮的重要因素。

圖5 定心往復(fù)超精研加工原理[58]Fig.5 Schematic diagram of center-fixed superfinishingwith oscillation

PUTHANANGADY等[59]對AISI 8119鋼的超精研加工進行了理論和實驗研究，系統(tǒng)地分析了加工載荷、油石振動頻率、工件轉(zhuǎn)速、油石類型等加工參數(shù)對材料去除率、表面質(zhì)量、切削力和切削所需能量的影響。VARGHESE等[60]對AISI 52100軸承鋼的超精研加工進行了實驗研究，分析了油石往復(fù)運動頻率和超聲振動頻率對工件外圓圓度的影響。CHANG等[58，61]通過實驗研究系統(tǒng)地分析了超精研加工的工藝參數(shù)影響規(guī)律，并提出了預(yù)測計算表面粗糙度的經(jīng)驗公式。MIURA等[62]通過加工實驗使工件表面粗糙度Ra?達到了0.1 μm以下。

4.2 電化學(xué)機械光整(ECMF)

圓柱滾子外圓的電化學(xué)機械光整加工原理和裝置見圖6，該裝置在傳統(tǒng)磨削裝置上添加了直流電解系統(tǒng)，其中陽極與工件表面接觸，陰極與工件表面保持0.1～1 mm的間隙，加工時將電解液噴射在工件表面和陰極之間。

(a)加工原理

(b)加工裝置放大視圖圖6 電化學(xué)機械光整滾子外圓的加工原理和裝置[63]Fig.6 Schematic diagram and device photograph ofelectrochemical mechanical finishing for rollers

電化學(xué)機械光整的材料去除是電化學(xué)反應(yīng)和機械磨削去除的共同作用結(jié)果，其材料去除機理見圖7。電化學(xué)反應(yīng)使金屬工件表面材料被腐蝕,從而對金屬材料表面產(chǎn)生材料去除作用，同時生成超薄氧化膜阻礙電化學(xué)反應(yīng)進一步發(fā)生，通過機械磨削作用去除氧化膜，則電化學(xué)反應(yīng)又重新發(fā)生，如此往復(fù)交替。這樣，工件表面微觀尖峰和高點區(qū)域不斷被削平，最終達到整平微觀表面、改善表面質(zhì)量的加工效果。

徐文驥等[66-67]對軸承圓柱滾子外圓和軸承套圈滾道的電化學(xué)機械光整加工開展了理論分析和實驗研究，經(jīng)過150 s的加工時間，工件表面粗糙度Ra?從初始的0.087 μm減小至0.023 μm，圓度從初始的0.93 μm減小至0.39 μm。

圖7 電化學(xué)機械光整的材料去除機理[64-65]Fig.7 Material removal mechanism ofelectrochemical mechanical finishing

4.3 磁流體研磨(MFL)

UMEHARA等[68-70]、CHILDS等[71]將磁流體研磨加工方法應(yīng)用于軸承陶瓷圓柱滾子[68]和陶瓷滾珠[69-71]的超精加工，并展開了相關(guān)研究。磁流體研磨加工的特點如下：①磁流體的流動性可使磨粒與工件表面充分接觸，特別適用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的研磨加工；②磁流體單顆磨粒在工件表面的接觸應(yīng)力很小，磨粒的去除深度較淺，且可通過磁場精確控制，因此可獲得較高的表面質(zhì)量；③磁流體的流動性還可使游離磨粒不斷更新，使工件表面磨粒的刃角保持鋒利，也不存在固著磨具的堵塞現(xiàn)象，因此具有較高的材料去除率，從而實現(xiàn)了高去除率和高加工精度的有效結(jié)合。

陶瓷圓柱滾子的磁流體研磨加工原理見圖8。實驗結(jié)果表明，工件圓度從16.65 μm減小至4.25 μm，采用粒徑為3 μm的Cr2O3磨料獲得了較好的表面質(zhì)量，表面粗糙度Ra?的平均值為0.029 μm，最大值為0.091 μm，最小值為5 nm；而采用粒徑為50 μm的B4C磨料獲得了較高的材料去除率，達到1.1 μm/min[68]。

4.4 雙平面方式超精研拋

姚蔚峰等[72-74]提出了圓柱外圓的雙平面方式超精研拋加工方法，并開展了理論和實驗研究，其加工原理和實驗裝置分別見圖9a和圖9b。通過偏心輪和齒圈帶動環(huán)形夾具既公轉(zhuǎn)又自轉(zhuǎn)，使圓柱滾子外圓表面的加工軌跡復(fù)雜化和均勻化，同時利用上下高度平整和平行的2個研磨盤再搭配研拋磨料液，對一批圓柱滾子圓柱面進行微量材料去除，最終實現(xiàn)一批圓柱滾子圓柱面的高形狀精度、高表面質(zhì)量以及它們的高一致性。該加工方法中，實現(xiàn)高精度圓柱滾子圓柱面成形的必要條件主要包括如下2點：①保證工件圓柱面加工軌跡的均勻分布，可通過選取合理的轉(zhuǎn)速比優(yōu)化工件加工軌跡分布來實現(xiàn)，加工軌跡仿真結(jié)果見圖9c；

(a)加工原理

(b)加工裝置圖8 磁流體研磨滾子外圓的加工原理和裝置[68]Fig.8 Schematic diagram and device photographof magnetic fluid lapping for rollers

(a)加工原理

(b)加工裝置

(c)圓柱面加工軌跡仿真結(jié)果二維展開圖圖9 圓柱外圓的雙平面方式超精研拋加工原理、加工裝置和加工軌跡仿真結(jié)果[72-73]Fig.9 Schematic diagram and device photograph ofboth-sides cylindrical ultra-precision lapping andpolishing, and its simulation result of processing trajectory

②保證上下兩塊研磨盤工作面的高度平行和平整，可通過改進機械結(jié)構(gòu)和控制技術(shù)，以及選取合理的轉(zhuǎn)速比優(yōu)化研磨盤磨損軌跡分布來實現(xiàn)。此外，雙平面方式超精研拋還具有尺寸選擇性和誤差勻化的特點，即加工過程中一批工件的高點去除率高，低點去除率低，因此特別適用于小型圓柱零件的中小批量加工，從而使得批量工件具有較高的尺寸精度、形狀精度、表面質(zhì)量及其一致性。

微細游離磨料研磨、固著磨料高效研磨、化學(xué)機械拋光[75-76]等先進研拋工藝均可與該加工方法結(jié)合應(yīng)用。姚蔚峰等[72-73,75]在自制試驗平臺上對軸承鋼GCr15圓柱滾子圓柱面進行了超精研拋，經(jīng)過微細游離磨料研磨和化學(xué)機械拋光工藝流程，一批工件外圓的圓度平均值為0.36 μm、偏差為0.13 μm、最小值為0.295 μm，表面粗糙度Ra?的平均值為9 nm、偏差為4 nm、最小值為8 nm，使表面質(zhì)量達到了鏡面效果。

5 分析和討論

本文從工件的形狀精度、表面質(zhì)量、精度一致性、材料去除率、送料方式等方面，對所述圓柱滾子外圓精密加工方法目前具備的性能優(yōu)劣進行比較和討論，評價結(jié)果見表1。

表1 各加工方法的性能對比

工件形狀精度既受到設(shè)備結(jié)構(gòu)和運動精度的影響，也受到工藝原理和技術(shù)的影響。無心磨削、無心超精研、定心往復(fù)超精研、電化學(xué)機械光整的工件形狀精度均嚴重依賴于設(shè)備結(jié)構(gòu)和運動精度。在優(yōu)化設(shè)備結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，相比采用砂輪加工工件的無心磨削加工方法，采用油石加工工件的無心超精研加工方法可獲得更高的工件形狀精度和表面質(zhì)量；而電化學(xué)機械光整加工方法由于可實現(xiàn)更小的工件材料去除深度，因此可獲得比無心磨削和無心超精研加工方法更高的工件形狀精度和表面質(zhì)量。對于定心往復(fù)超精研加工方法，若結(jié)合主軸和進給系統(tǒng)精度補償控制技術(shù)，也可獲得較高的工件形狀精度。磁流體研磨加工方法由于其加工裝置的特點，圓柱滾子工件的約束過于柔性而缺乏剛性，因此難以實現(xiàn)很高的形狀精度，但用于粗毛坯的快速修形時，其加工效率較高。與其他加工方法不同，雙平面方式超精研拋加工方法對設(shè)備精度的依賴度較低，結(jié)合加工軌跡優(yōu)化、研磨盤修整等技術(shù)手段，可使工件獲得高形狀精度、高表面質(zhì)量。由此可知，微細磨粒和微小的材料去除深度、良好的磨粒自銳性、磨?？沙掷m(xù)更替、化學(xué)作用、復(fù)雜不重合的加工軌跡均有助于顯著改善工件的表面質(zhì)量。

加工方法的精度一致性除了與設(shè)備精度和加工工藝有關(guān)，與工件送料方式也有一定相關(guān)性。當批量工件同時被加工時，由于加工條件一致，且批量工件的成形精度會相互影響，從而會產(chǎn)生誤差勻化效果，因此批量間歇方式可獲得更高的精度一致性。逐個間歇方式因工件每次裝夾精度不一致，故精度一致性最難保證。逐個連續(xù)方式可獲得較高的生產(chǎn)效率。

工件的材料去除率與加工原理、磨粒粒徑的大小、加載壓力、工件和砂輪等加工工具之間的相對線速度等因素相關(guān)。但工件的材料去除率并不等于生產(chǎn)效率，生產(chǎn)效率還要考慮加工方法與自動化生產(chǎn)的融合。

6 展望

對圓柱滾子外圓精密加工技術(shù)的發(fā)展趨勢提出如下幾點展望。

(1)超精密工件和設(shè)備。根據(jù)市場需求發(fā)展，未來圓柱滾子的圓度、圓柱度、批直徑變動量、表面粗糙度等精度指標都將達到0.1 μm以內(nèi)[14]。未來，超高剛度和超精密的主軸機械結(jié)構(gòu)、復(fù)合導(dǎo)軌定位系統(tǒng)、液體靜壓軸承、高性能材料(超低熱膨脹鑄鐵、陶瓷混凝土、花崗巖等)的床身、線性電機及其控制技術(shù)、高精度高效修整技術(shù)等先進的結(jié)構(gòu)、材料或技術(shù)將更多的集成應(yīng)用于機床設(shè)計。例如采用雙支撐無懸臂的砂輪主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計可使其靜態(tài)剛度達到0.71 kN/mm[77]；綜合應(yīng)用V-V型復(fù)合定位導(dǎo)軌、液體靜壓軸承、加載補償系統(tǒng)、安裝0.01 μm分辨率(有效辨別的最小位置變化差值為0.01 μm)激光尺的位置反饋系統(tǒng)，可實現(xiàn)在300 mm尺寸范圍內(nèi)的運動誤差小于0.05 μm，剛度大于1.0 kN/μm，定位精度達到50 nm。目前，國際先進的無心磨床可實現(xiàn)0.1～0.3 μm的圓度、250～350件/min的生產(chǎn)效率、-0.3～0.3 μm范圍內(nèi)的外圓尺寸誤差控制、小于0.1 μm的砂輪形狀修整精度等技術(shù)指標之一或多個，例如日本Nissin Machine Works公司的無心超精密磨床和日本Micron Machinery公司的貫穿式無心磨床[14]。

(2)高效自動化生產(chǎn)。加工方法需要與自動化進行有效融合才能在實際批量生產(chǎn)中充分發(fā)揮作用，進而打開應(yīng)用市場。相較于傳統(tǒng)的無心磨削和無心超精研加工方法，其他非傳統(tǒng)加工方法普遍存在生產(chǎn)自動化效率低的問題，然而隨著工業(yè)機器人的技術(shù)發(fā)展和推廣應(yīng)用，這些非傳統(tǒng)加工方法和裝備將有可能更好地融合至自動化生產(chǎn)線中，從而得到更多的推廣應(yīng)用。提升生產(chǎn)效率、延長可持續(xù)加工時間、提升精度穩(wěn)定性仍將是生產(chǎn)高效化關(guān)注的主要目標，可從加工方式、裝備可靠性及磨具耐用度等方面著手改進。例如，工件的外圓、端面或內(nèi)孔同時加工時，可大幅縮減加工工序，提高生產(chǎn)效率，并增大軸線和端面的垂直度或內(nèi)外軸線的同軸度，特別適用于薄壁環(huán)狀零件；機床長期工作必然發(fā)熱，因此減小機床整體長度，提高機床剛度，降低熱膨脹的影響，是保證長期持續(xù)加工時機床精度的有效手段；在貫穿式磨削過程中，增大砂輪寬度可同時磨削加工更多的工件，有效提高了生產(chǎn)效率，新型整體無縫寬砂輪[14]相比傳統(tǒng)拼裝寬砂輪，可實現(xiàn)更高的加工精度；超硬磨料砂輪的應(yīng)用可有效延長砂輪壽命，從而保證長期持續(xù)加工精度的穩(wěn)定性。

(3)高柔性生產(chǎn)。隨著世界范圍個性定制市場的不斷擴大，要求機床具備更高的生產(chǎn)柔性，以適應(yīng)形狀、尺寸、精度等不同規(guī)格工件的高效加工。不同加工方法的生產(chǎn)柔性及其開發(fā)潛能也不盡相同。未來，無心磨削新舊工件和加工模式的快速更換時間將可能從目前的28 min縮短至15 min以內(nèi)[14]。采用雙砂輪協(xié)同加工方式、傾角切入進給方式、交叉導(dǎo)軌、運動可編程控制、多點柔性修整器等技術(shù)有助于提高無心磨削的生產(chǎn)柔性。針對無心超精研的生產(chǎn)柔性較低問題，還需要等待新的技術(shù)發(fā)明加以改善。雙平面方式超精研拋加工方法在工件尺寸、形狀和精度方面具有一定的生產(chǎn)柔性，將來也可能用于超精加工外圓母線帶有凸度的圓柱滾子。

(4)微小型零件。隨著生物醫(yī)療器械、精密檢測儀器、微型軸承等高端領(lǐng)域市場的發(fā)展，要求圓柱滾子尺寸更小(如直徑為3 mm)、更微型[14]。在線電解砂輪修整磨削[31]、化學(xué)機械磨削[78]、化學(xué)機械拋光[75-76]、磁流變研磨[79]、剪切增稠拋光[80-83]等先進磨削和研磨技術(shù)將可能應(yīng)用于小尺寸或微型圓柱滾子的超精密加工。

(5)復(fù)合工藝。隨著光、磁、聲、電、化學(xué)等基礎(chǔ)研究以及先進磨削、研磨和拋光工藝技術(shù)的發(fā)展，光、磁、聲、電、化學(xué)與傳統(tǒng)機械加工的復(fù)合應(yīng)用將長期成為研究熱點。磁流體、磁流變、超聲輔助、激光輔助、化學(xué)機械、電化學(xué)機械、在線電解砂輪修整等加工工藝將可能更深程度地相互融合，以相互彌足各自的技術(shù)缺陷，發(fā)揮更大的技術(shù)優(yōu)勢。

(6)智能裝備。制造技術(shù)與智能的結(jié)合已成為世界范圍的研究熱點和產(chǎn)業(yè)必然發(fā)展趨勢。裝備智能化是機械、檢測、控制、軟件處理等技術(shù)的綜合應(yīng)用。未來的無心磨削等圓柱滾子外圓精密加工設(shè)備將具備工藝參數(shù)優(yōu)化、磨削過程仿真、加工精度在線檢測、工藝參數(shù)監(jiān)測和智能調(diào)節(jié)、數(shù)據(jù)同步反饋和共享等功能。直徑、圓度、表面粗糙度等精度指標的在線快速精確檢測技術(shù)將是加工裝備實現(xiàn)智能化的重要突破口。綜合各種加工工藝參數(shù)的智能專家知識庫、主軸或?qū)к壍木妊a償智能控制技術(shù)也將是研究熱點。

7 結(jié)語

圓柱滾子外圓精密加工技術(shù)對保證圓柱滾子外圓的形狀精度、尺寸精度、表面質(zhì)量及其一致性至關(guān)重要。目前，其加工方法主要包括無心磨削和無心超精研這樣的主流傳統(tǒng)加工方法，以及定心往復(fù)超精研、電化學(xué)機械光整、磁流體研磨、雙平面方式超精研拋等非傳統(tǒng)加工方法。不同加工方法在加工精度、表面質(zhì)量、材料去除率、生產(chǎn)柔性等方面各有優(yōu)缺點。未來，圓柱滾子外圓精密加工技術(shù)將可能向超精密工件和設(shè)備、高效自動化生產(chǎn)、高柔性生產(chǎn)、微小型零件、復(fù)合工藝、智能裝備等方向發(fā)展。