航空三瓣波圓柱滾子軸承非圓滾道加工研究

張政，鄧四二，巨恒偉，張艷麗，曲紅利

(1.河南科技大學(xué) 機電工程學(xué)院，河南 洛陽 471003；2.洛陽LYC軸承有限公司，河南 洛陽 471039；3.遼寧重大裝備制造協(xié)同創(chuàng)新中心，遼寧 大連 116024)

高速輕載條件下，圓柱滾子軸承保持架組件的公轉(zhuǎn)滑動和滾子本身的自旋滑動非常嚴(yán)重[1]。滾子在大離心力作用下有脫離內(nèi)圈滾道接觸的趨勢，且軸承徑向載荷小，滾子與滾道間的摩擦力過小，造成滾子出現(xiàn)公轉(zhuǎn)滑動，即高速輕載打滑現(xiàn)象，使?jié)L子與內(nèi)滾道表面產(chǎn)生相互蹭傷，導(dǎo)致軸承過早失效[2]。采用非圓滾道對滾子施加預(yù)載荷可有效抑制圓柱滾子軸承滾子打滑[3-4]。

航空發(fā)動機三瓣波滾子軸承的非圓滾道形狀和表面質(zhì)量要求很高，滾道面越接近理論設(shè)計的輪廓函數(shù)，軸承的性能越好。傳統(tǒng)的加工方法為數(shù)控磨床的插補運動，該方法加工的滾道呈階梯狀，表面質(zhì)量達不到工藝要求。國內(nèi)航空軸承行業(yè)有個別廠家利用金屬的彈性變形，使用特定的工裝夾具對軸承套圈在圓周方向上施加3點載荷強制軸承預(yù)變形后進行圓磨加工，去掉夾緊力后套圈自由回彈獲得三瓣波型面，但存在調(diào)整工裝困難，實際輪廓與理論輪廓函數(shù)有差別，重復(fù)性較差，模具易磨損的問題。因此，上述三瓣波滾道加工方法很難工程化推廣，有必要研究新型可靠的加工方法以獲得接近理想的三瓣波滾道型面。

1 三瓣波圓柱滾子軸承結(jié)構(gòu)

以某型號三瓣波圓柱滾子軸承為研究對象，軸承材料為Cr4Mo4V，淬火后的硬度約為63 HRC。為抑制滾子打滑，滾道設(shè)計成三瓣波形，滾子在主軸旋轉(zhuǎn)1周內(nèi)的受力發(fā)生3次變化，各項精度要求與C級軸承精度相同，即形狀誤差不大于6 μm，滾道同心度不大于6 μm，滾道垂直度不大于1.5 μm，表面粗糙度Ra值不大于0.063 μm。軸承外圈結(jié)構(gòu)如圖1所示，A面為定位基準(zhǔn)，非基準(zhǔn)面帶有定位凸臺，帶有凸臺的平面對基準(zhǔn)A面的平行差要求不大于3 μm。

圖1 三瓣波圓柱滾子軸承外圈結(jié)構(gòu)示意圖

與常規(guī)圓柱滾子的直滾道不同，三瓣波滾子軸承的滾道形狀為非圓滾道，外圈滾道為等徑三瓣波形結(jié)構(gòu)，如圖2所示，屬于薄壁軸承，常規(guī)方法裝卡容易使套圈發(fā)生變形，加工后滾道精度無法保證。其中0°，120°，240°為三瓣波沿基圓向外凸出的最高點，60°，180°，300°為三瓣波沿基圓向內(nèi)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 外圈滾道輪廓放大圖

2 三瓣波圓柱滾子軸承外圈加工方法分析

三瓣波滾子軸承外圈端面帶有凸臺，滾道為非圓設(shè)計，結(jié)構(gòu)和形狀復(fù)雜且硬度高，加工過程中砂輪磨削性能下降很快，對機床的回轉(zhuǎn)和進給精度要求非常高，對相位角也有一定的要求。

2.1 磨削機床的選擇

根據(jù)三瓣波滾子軸承外圈滾道的工藝參數(shù)，確定選用內(nèi)圓磨床。

2.1.1 磨削機床功能的選擇

由于三瓣波滾道素線為非圓設(shè)計，如圖3所示，磨削非圓滾道需要工件C軸、z軸、x軸聯(lián)動才能完成。C軸在旋轉(zhuǎn)的同時，砂輪軸向的x軸進給磨削非圓滾道的凹凸區(qū)域，同時z軸作一定頻率的軸向進給，從而實現(xiàn)非圓滾道磨削(圖4)。

圖3 滾道磨削運動示意圖

圖4 機床結(jié)構(gòu)示意圖

2.1.2 磨削機床轉(zhuǎn)速的選擇

根據(jù)三瓣波滾道的參數(shù)設(shè)定，內(nèi)圓磨削首先優(yōu)選高性能磨削設(shè)備，且具有多軸聯(lián)動特性，是完成非圓滾道磨削的第1個條件。

磨削加工中，根據(jù)砂輪線速度V分為普通磨削(V=30～45 m/s)、高速磨削(V=45～150 m/s)、超高速磨削(V≥150 m/s)。按照普通磨削計算磨床的轉(zhuǎn)速，設(shè)砂輪線速度V=38 m/s，砂輪外徑D=60 mm，砂輪軸轉(zhuǎn)速n=60 000V/(πD)=12 102 r/min。

如果要獲得與理論三瓣波相近的曲線，就必須確定曲線的起始點。滾道的常規(guī)加工方法是圓周方向任意點起始加工，此種方法不適用于三瓣波滾子軸承。新設(shè)計工裝應(yīng)具備作為加工起始點基準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)對工件一次裝夾找正，二次裝夾后磨削起始點與第1次裝夾磨削起始點重合，避免三瓣波曲線交錯加工現(xiàn)象和薄壁軸承變形問題。

2.2 三瓣波圓柱滾子軸承輔助裝置設(shè)計

三瓣波滾道形狀是在一種復(fù)合運動狀態(tài)下形成的，傳統(tǒng)的無心電磁卡具無法滿足三瓣波滾道的加工，所以針對三瓣波滾道的特點設(shè)計了一種輔助裝置。該輔助裝置由2種不同的子卡緊系統(tǒng)組成，即圖5中的卡盤和定位套筒。

1—機床連接裝置；2—六爪卡盤；3—定位套筒；4—定位蓋板；5—定位螺栓；6—墊片；7—待加工薄壁滾子軸承

2.2.1 定位套筒

若沒有固定磨削初始位置，磨削的初始位置每次裝卡都會發(fā)生變化，當(dāng)?shù)?次磨削不到位而需第2次裝夾重新磨削時,無法保證2次裝卡位置完全相同，會導(dǎo)致加工后的滾道發(fā)生輪廓交錯的現(xiàn)象，無法得到理想的曲線輪廓和輪廓精度，且無法保證滾道與軸承端面凸臺位置的精度要求。

盲孔Ⅱ(圖6)的設(shè)計是利用三瓣波圓柱滾子軸承端面凸臺的結(jié)構(gòu)，使凸臺能夠放入盲孔Ⅱ凹槽，通過盲孔對凸臺的定位限制繞x，y軸的不定度[5]，使軸承無法進行圓周運動；定位套筒的內(nèi)徑限制工件沿x，y軸的不定度。當(dāng)把機床初始磨削加工點設(shè)置好后，軸承每次裝卡都會固定在同一位置，保證了軸承端面凸臺與滾道的位置關(guān)系，解決了軸承多次裝卡磨削起始點不重合的問題。

1—盲孔Ⅱ;2—通孔；3—盲孔Ⅰ

定位套筒內(nèi)徑與套圈外徑屬于間隙配合,保證三瓣波圓柱滾子軸承外圈不受徑向夾持力，解決了薄壁軸承在夾持過程中容易變形的問題。

圖5中的定位蓋板通過定位螺栓卡緊力垂直于軸承端面，因此限制了沿z軸的不定度，卡緊力W和工件端面與蓋板間的摩擦因數(shù)μ的乘積能夠限制工件繞z軸轉(zhuǎn)動的不定度，因此6個不定度都被限制，實現(xiàn)完全定位，在磨削過程中保持徑向、軸向穩(wěn)定且不滑動[6]。

上述定位套筒無法直接與磨床連接，需用卡爪將定位套筒與機床連接起來，使卡爪在滿足夾緊定位套筒不產(chǎn)生徑向滑動的情況下，盡量減小對定位套筒的夾持力，以此減小定位套筒的變形，同時要保證磨削時定位套筒的旋轉(zhuǎn)精度。

2.2.2 卡爪對定位套筒變形的影響

傳統(tǒng)加工利用三爪夾緊，影響三瓣波滾道的形狀，且滾道的精度較差。

三爪卡盤的受力分析如圖7所示，設(shè)整個定位套筒所受的總夾緊力為F，3個受力點的每個卡爪對工件的夾緊力為F/3。當(dāng)F大小調(diào)整在能卡緊工件的條件下，被加工軸承外徑面的圓度、圓柱度均超差，若減小F，可使被加工軸承外徑面變形有所減小，并提高圓度、圓柱度的精度，但工件有可能夾不緊，會被甩出去發(fā)生事故，因此減小F的辦法不可取[5]。

圖7 三爪卡盤受力示意圖

六爪卡盤的受力分析如圖8所示，在卡爪能夠夾緊工件的條件下，采用增加受力點的數(shù)量減小每個點對工件表面的壓力，不改變F的前提下，減小工件的受力變形，并提高加工精度[6]。從圖8可以看出，該卡盤采用六爪均勻分布方式，將三爪卡盤的3點受力改為6點受力，使原來每個點的受力由F/3減至F/6，減小了對工件外圓受力點的夾持力。因此，在相同夾持力的情況下六爪卡盤對定位套筒產(chǎn)生的形變更小。

圖8 六爪卡盤受力示意圖

2.2.3 卡爪對定位套筒旋轉(zhuǎn)精度的影響

在安裝定位套筒后，卡爪有6個點可以調(diào)整向心的位移，更容易通過手動方式使定位套筒在旋轉(zhuǎn)精度上達到更高的標(biāo)準(zhǔn)。通過試驗對比，對六爪卡盤進行微調(diào)，可以保證定位套筒旋轉(zhuǎn)精度在1 μm以內(nèi)，而三爪卡盤通過調(diào)整只能達到1.2 μm的旋轉(zhuǎn)精度[7-9]。

2.2.4 輔助裝置的工作原理

整個輔助裝置(圖5)安裝在高速磨削機床上，采用可調(diào)整六爪卡盤夾緊薄壁軸承專用工裝，調(diào)整六爪卡盤使專用工裝A面與外徑面跳動精度達到1 μm，將三瓣波套圈凸臺端面與A面配合，將套圈凸臺順時針或者逆時針旋轉(zhuǎn)靠近工裝凹槽一面(可保證2次加工初始位置一致性，否則輪廓就會產(chǎn)生3N半波)。再通過專用工裝擋圈利用定位螺栓限制工件軸向自由度，實現(xiàn)夾緊。

三瓣波輪廓的形成除了使用高速磨床和輔助裝置外，還需針對這種相位角有規(guī)律變化的工件設(shè)計專用滾道磨削程序，通過控制x,y,C軸聯(lián)動實現(xiàn)非圓滾道的磨削成形。

2.3 三瓣波軸承磨削策略

工件隨專用夾具順時針勻速旋轉(zhuǎn)并沿軌跡方程運動，同時砂輪主軸按一定的速度順時針方向旋轉(zhuǎn)，且沿x方向按曲線運動軌跡進給。Tz振蕩量頻率控制與砂輪沿x軸運動的速度有關(guān)。工件軸的旋轉(zhuǎn)方向與砂輪的旋轉(zhuǎn)方向完全相同，最終在夾具和軌跡方程的控制下實現(xiàn)非圓滾道的磨削。在磨削坐標(biāo)系內(nèi)，三瓣波滾子軸承外圈在定位套筒內(nèi)，砂輪磨削滾道的過程,如圖9所示。

1—砂輪回轉(zhuǎn)中心；2—磨頭軸；3—定位蓋板；4—砂輪；5—工件回轉(zhuǎn)中心；6—異形工件；7—專用夾具

三瓣波滾道的磨削成形需要磨床的x軸與C軸共同聯(lián)動實現(xiàn)。工件圓周的運動軌跡和砂輪進給軌跡相互配合形成三瓣波滾道曲線軌跡[10]。

通過三瓣波素線軌跡方程在CAD軟件擬合出三瓣波軌跡圖形，然后將三瓣波素線軌跡方程分解。

工件圓周方向上的軌跡方程為

θ=3t-α,

(1)

式中：θ為工件周轉(zhuǎn)角度；t為時間；α為工件相對磨削起始點的偏移角度。

砂輪進給方程為

fx=a+bcosθ,

(2)

式中：a為常數(shù)，R≥a≥r,R為三瓣波圖形的外切圓直徑，r為三瓣波圖形的內(nèi)切圓直徑;b為常數(shù)，b=R-r。

將(1)式賦予工件旋轉(zhuǎn)主軸，將(2)式賦予砂輪主軸，通過現(xiàn)場調(diào)試磨削參數(shù)，完成三瓣波滾子軸承非圓滾道的磨削[11]。

結(jié)合圖3和圖9，工件繞C軸轉(zhuǎn)動的同時，砂輪在x軸和工件在z軸方向也在運動，計算的關(guān)鍵是要在工件轉(zhuǎn)到某一角度的同時，確定此時砂輪的位置，也就是(1)式?jīng)Q定著工件旋轉(zhuǎn)主軸的運動,(2)式控制著x軸的運動軌跡。工件的轉(zhuǎn)動角度要與砂輪的位置在時間上嚴(yán)格對應(yīng)，這樣才能保證不發(fā)生干涉和空切。根據(jù)要求，零件在軸向任何位置的截面形狀都是相同的非圓曲面，所以在對應(yīng)某一轉(zhuǎn)角時，z軸的進給就是一條直線，只要在加工中確定好Tz振蕩量的數(shù)值即可，通過試驗確定工件軸沿z軸方向的振蕩頻率不超過230 mm/min。

2.3.2 磨削參數(shù)的研究

Cr4Mo4耐熱鋼主要用于航空發(fā)動機軸承上，熱處理后具有較高的強度、硬度、耐磨性和高溫接觸疲憊性，但由于材料黏性較大，磨削時會使砂輪失去磨削性能，容易產(chǎn)生磨削燒傷。

通過磨削工藝試驗研究Cr4Mo4耐熱鋼三瓣波滾道在磨削加工中不產(chǎn)生表面磨削燒傷的工藝參數(shù)。由于工件轉(zhuǎn)速與砂輪x軸的線速度有一定函數(shù)關(guān)系，所以試驗中確定工件的轉(zhuǎn)速為18 r/min。砂輪轉(zhuǎn)速對滾道表面質(zhì)量的影響見表1，由表可知，在金屬磨除率一定的條件下，砂輪線速度與工件線速度比值在一定范圍內(nèi)可以獲得較好的表面粗糙度Ra，且不容易造成磨削燒傷。

表1 不同砂輪轉(zhuǎn)速對工件滾道表面質(zhì)量的影響

工件轉(zhuǎn)速與磨削深度直接決定了加工效率，所以，實際加工生產(chǎn)中為了提高加工效率，適當(dāng)增加金屬磨除率，可將磨削力控制在理想的范圍內(nèi)來獲得高質(zhì)、高效的加工結(jié)果。根據(jù)試驗確定砂輪轉(zhuǎn)速為12 000 r/min，工件轉(zhuǎn)速為18 r/min，研究磨削深度ap對滾道表面質(zhì)量的影響，結(jié)果見表2。

表2 不同磨削深度對滾道表面質(zhì)量的影響

由表2可知，在工件轉(zhuǎn)速和砂輪轉(zhuǎn)速一定時，隨著磨削深度的增加，磨屑增多，導(dǎo)致砂輪表面磨粒之間的縫隙堵塞，進而導(dǎo)致砂輪表面磨粒的磨削性能大大降低，使砂輪對工件表面的擠壓作用明顯增大，最后導(dǎo)致滾道的磨削燒傷。為了最大程度提高生產(chǎn)效率，通過試驗，確定磨削深度ap為30 μm。

3 三瓣波滾道加工方法對比

利用預(yù)變形加工技術(shù)加工的產(chǎn)品，其金屬材料會隨時間發(fā)生應(yīng)力釋放現(xiàn)象，產(chǎn)品放置5個月后，三瓣波滾道的形狀輪廓與理論輪廓的誤差比剛加工后的誤差大。通過CAD軟件用系統(tǒng)程序計算外切圓、內(nèi)切圓、角度、外輪廓度、內(nèi)輪廓度，外切圓和內(nèi)切圓對外徑的同心度。通過三坐標(biāo)對非圓滾道的測量數(shù)據(jù)對比分析。用預(yù)變形加工技術(shù)和新方法磨削套圈5個月后的輪廓圖樣如圖10所示。預(yù)變形方法和新方法的實測參數(shù)對比見表3,由表可知，新方法的各項參數(shù)更接近工藝?yán)碚搮?shù)。

圖10 三瓣波外圈滾道輪廓測量圖

表3 三瓣波滾道工藝參數(shù)新舊方法對比

4 結(jié)論

1)通過分析三瓣波薄壁套圈易變形的結(jié)構(gòu)特點，選擇并分析高精度具有自調(diào)整特性的六爪卡盤的優(yōu)勢，設(shè)計了定位套筒的輔助裝卡裝置，解決了三瓣波軸承套圈外滾道曲線輪廓加工及薄壁軸承套圈夾持變形問題。

2)通過設(shè)計一種專用工裝和2套曲線方程輪廓加工程序，在基于Fanuc系統(tǒng)，高速磨削平臺設(shè)備的基礎(chǔ)上，利用機床的多軸聯(lián)動特性，可以實現(xiàn)對工件一次裝夾找正，二次磨削起始點和第1次裝夾磨削起始點重合，通過調(diào)整工件的平面度和減少套圈在定位套筒內(nèi)的定位周向位移量，避免了曲線交錯加工和薄壁軸承變形問題。

3)在輪廓成形方面，研究三瓣波曲線方程，繪制曲線方程圖形，在加工過程中可以通過高速非圓磨削平臺程序保證理論輪廓曲線和實際輪廓曲線的吻合度及精度參數(shù)。

4)通過調(diào)整異形卡盤對專用夾具進行定位，保證工件旋轉(zhuǎn)精度，三瓣波軌跡方程控制工件運動和砂輪磨頭的運動軌跡，二者相結(jié)合實現(xiàn)內(nèi)表面非圓滾道素線的磨削。