圓柱滾子倒角精加工工藝改進(jìn)

王曄，王玉紅，韓亭鶴，王濤

(中國(guó)航發(fā)哈爾濱軸承有限公司，哈爾濱 150025)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸的圓柱滾子軸承工況復(fù)雜，潤(rùn)滑條件差，轉(zhuǎn)速高。軸承在dn值高于2.0×106mm·r·min-1條件下工作時(shí)，其滾子處于高速公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)狀態(tài)，若滾子動(dòng)不平衡量較大，在高速運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中可能導(dǎo)致滾子回轉(zhuǎn)失穩(wěn)，使?jié)L子偏斜和端面異常磨損，造成故障。XX10發(fā)動(dòng)機(jī)軸承No.4支點(diǎn)軸承曾多次出現(xiàn)滾子端面磨損故障。滾子形心和質(zhì)心不一致是造成滾子運(yùn)轉(zhuǎn)不平衡的根本原因。滾子形狀簡(jiǎn)單且端面和外徑面的加工精度要求極高，不會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題；但倒角加工精度不高，倒角軸向坐標(biāo)與徑向坐標(biāo)尺寸不一致，同一組滾子倒角輪廓存在形狀誤差。因此，滾子倒角尺寸及輪廓形狀的差異是導(dǎo)致滾子形心和質(zhì)心不一致，滾子運(yùn)轉(zhuǎn)不平衡的首要原因。另外，如果滾子倒角與素線的過(guò)渡不圓滑，工作時(shí)滾子倒角與素線交界處會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，造成滾子倒角邊緣和套圈滾道邊緣早期剝落，導(dǎo)致軸承失效,制約著軸承工作可靠性和使用壽命的提高。目前,國(guó)內(nèi)圓柱滾子倒角精度和形狀與國(guó)外相比仍存在一定的差距，文中從滾子倒角加工精度和輪廓精度兩方面進(jìn)行分析，對(duì)滾子倒角加工工藝進(jìn)行改進(jìn)。

1 圓柱滾子倒角傳統(tǒng)加工方式

1.1 倒角加工

滾子傳統(tǒng)加工工藝為：切斷(或沖壓成形)→軟磨外徑面→軟磨端面→車兩端倒角→熱處理→硬串倒角→粗磨外徑面→粗磨端面→酸洗→除氫→細(xì)磨外徑面→精研端面→精磨外徑面→探傷→終磨外徑面→精研外徑面→超精外徑面。

倒角對(duì)外徑面素線的跳動(dòng)值為40 μm以上，倒角對(duì)稱度為0.3～0.6 mm。國(guó)外樣件倒角對(duì)外徑面素線的跳動(dòng)值小于5 μm，倒角對(duì)稱度為0.1～0.2 mm，存在很大差距。

從倒角工藝流程和加工精度可以看出，倒角加工在熱處理工序之前，由于車削加工設(shè)備精度低，后續(xù)還有外徑面、端面的多次循環(huán)磨削加工，倒角尺寸偏差、倒角跳動(dòng)、倒角對(duì)稱性得不到有效控制。

1.2 倒角輪廓形狀

國(guó)外滾子倒角形狀如圖1a所示，倒角與外徑面素線呈圓滑過(guò)渡。國(guó)內(nèi)某公司加工的圓柱滾子倒角形狀如圖1b所示，軸承承載時(shí)，滾子倒角與外徑面素線交界處的尖點(diǎn)與滾道接觸，產(chǎn)生應(yīng)力集中，存在軸承滾道疲勞剝落的風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 圓柱滾子倒角形狀

2 倒角精加工方法

2.1 硬車倒角

為改善倒角形狀和加工精度，采取了硬車倒角的工藝方法，在原細(xì)磨外徑面工序后增加1遍硬車倒角工序和串光倒角工藝，倒角對(duì)稱度可以控制在0.2～0.3 mm，倒角對(duì)外徑面素線的跳動(dòng)只能控制在20 μm以內(nèi)。

2.2 磨削倒角

硬車倒角的加工精度有一定提高，但仍與國(guó)外差距較大，為進(jìn)一步提高加工精度，采用熱處理之前車倒角，精磨外徑面后磨削倒角的工藝方法，由于國(guó)內(nèi)沒(méi)有滾子倒角磨削加工的專業(yè)設(shè)備，故對(duì)現(xiàn)有擺頭磨床進(jìn)行改造，用于倒角磨削加工。

在精磨外徑面后增加了磨削倒角工序，倒角對(duì)稱度可控制在0.1～0.2 mm，倒角對(duì)外徑面素線的跳動(dòng)為6～8 μm，加工精度較原工藝有很大提高。

由于設(shè)備精度的原因，倒角對(duì)外徑面素線的跳動(dòng)不能穩(wěn)定控制，需對(duì)倒角跳動(dòng)進(jìn)行100%的測(cè)量，以保證加工精度。由于受到砂輪擺動(dòng)磨削原理的限制，倒角圓弧半徑較大，無(wú)法實(shí)現(xiàn)倒角與滾子外徑面素線的圓滑過(guò)渡，滾子倒角與滾子外徑面素線交界處仍存在尖點(diǎn)。

3 改進(jìn)后倒角精加工方法

為解決擺頭磨削方式倒角圓弧半徑不穩(wěn)定，倒角與外徑面素線不能圓滑過(guò)渡以及不能進(jìn)一步提高加工精度的問(wèn)題，與機(jī)床廠聯(lián)合研制了切入式倒角磨床。采用金剛石滾輪對(duì)砂輪進(jìn)行成形修整，金剛石滾輪的設(shè)計(jì)要考慮滾子倒角半徑、倒角圓弧與外徑面素線相切形狀以及倒角坐標(biāo)尺寸等因素。修整后的砂輪界面輪廓以及磨削倒角的示意圖如圖2所示，其中R為倒角圓弧半徑。

圖2 切入式倒角磨削示意圖

3.1 金剛石滾輪設(shè)計(jì)原理

由于滾子在磨削倒角時(shí)外徑面有0.05 mm的留量，且對(duì)倒角進(jìn)行切入式磨削時(shí)，砂輪不能將滾子外徑面和端面磨傷。因此，砂輪必須修整成邊緣為一定斜面，與砂輪中部圓弧相切的狀態(tài)。

金剛石滾輪修整部分設(shè)計(jì)原理如圖3所示。倒角坐標(biāo)值固定的情況下，切線角度越小，加工后滾子倒角圓滑過(guò)渡越好，但切線角度過(guò)小，砂輪在磨削倒角時(shí)會(huì)影響端面和外徑面的加工質(zhì)量。因此，將金剛滾輪修磨部分的切線角度設(shè)計(jì)為15°。

1—切線角度22°30′；2—切線角度15°；3—切線角度10°；4—切線角度5°

3.2 倒角磨削加工試驗(yàn)

選φ7 mm×7 mm，φ20 mm×20 mm的滾子，采用切入式倒角磨削加工設(shè)備進(jìn)行倒角磨削加工試驗(yàn)。

3.2.1φ7 mm×7 mm滾子

φ7 mm×7 mm滾子磨削參數(shù)見(jiàn)表1，工藝要求倒角坐標(biāo)尺寸為(0.5±0.1)mm，倒角跳動(dòng)為5 μm，倒角圓弧半徑設(shè)計(jì)為(0.71±0.10) mm，從加工的200粒滾子中任意取10粒進(jìn)行倒角坐標(biāo)和倒角跳動(dòng)檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表2。由表可知，切入式磨削加工滾子倒角的加工精度符合工藝要求。

表1 φ7 mm×7 mm滾子倒角磨削參數(shù)

表2 φ7 mm×7 mm滾子磨削倒角精度

分別對(duì)φ7 mm×7 mm滾子進(jìn)行擺頭式和切入式磨削，并用投影檢測(cè)其倒角輪廓形狀(圖4)，其輪廓圓弧半徑分別為1.25和0.62 mm。

圖4 φ7 mm×7 mm滾子倒角輪廓

從檢測(cè)的倒角輪廓形狀(圖4)和倒角圓弧半徑尺寸可以看出，切入式磨削滾子倒角的輪廓形狀更符合設(shè)計(jì)要求，倒角與外徑面、端面的過(guò)渡狀態(tài)明顯優(yōu)于擺頭式磨削。

3.2.2φ20 mm×20 mm滾子

φ20 mm×20 mm滾子磨削參數(shù)見(jiàn)表3。工藝要求倒角坐標(biāo)尺寸為(1.2±0.2) mm，倒角跳動(dòng)為8 μm,倒角圓弧半徑設(shè)計(jì)為(1.7±0.1) mm，從加工的200粒滾子中任意取10粒進(jìn)行倒角坐標(biāo)和倒角跳動(dòng)檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表4。

表3 φ20 mm×20 mm滾子倒角磨削參數(shù)

由于φ20 mm×20 mm滾子直徑較大，不能進(jìn)行擺頭式磨削，將切入式磨削的滾子進(jìn)行投影檢測(cè)其輪廓形狀(圖5)，其輪廓圓弧半徑為1.73 mm。

3.2.3 小結(jié)

采用金剛石滾輪修整的砂輪進(jìn)行滾子倒角磨削加工，能夠確保滾子倒角輪廓的一致性。從2種滾子檢測(cè)結(jié)果可知，滾子倒角對(duì)稱度小于0.1 mm，倒角跳動(dòng)值不大于2 μm，倒角輪廓形狀比原加工方式更趨近于圓滑過(guò)渡狀態(tài)。但倒角與滾子外徑面和端面的交界處仍存在尖點(diǎn)，未能形成圓滑過(guò)渡。為使?jié)L子倒角與滾子外徑面交界處形成圓滑過(guò)渡，在上述磨削加工的基礎(chǔ)上進(jìn)行光飾加工。

3.3 倒角光飾加工

3.3.1 試驗(yàn)參數(shù)

φ7 mm×7 mm滾子磨削倒角后未進(jìn)行超精研加工，外徑面素線為直線，采用旋流光飾機(jī)光飾；φ20 mm×20 mm滾子磨削倒角加工后進(jìn)行超精研加工，外徑面素線有凸度，分別采用振動(dòng)光飾機(jī)和旋流光飾機(jī)光飾。光飾料以及加工參數(shù)見(jiàn)表5。

表5 光飾料和光飾參數(shù)

3.3.2 精度檢測(cè)

對(duì)比光飾前后滾子精度、表面粗糙度(表6)，光飾后倒角形狀(圖6)以及光飾對(duì)滾子外徑面素線形狀(圖7)的影響。

表6 滾子精度對(duì)比

圖6 滾子倒角形狀

圖7 滾子光飾前后外徑面素線形狀對(duì)比

從上述檢測(cè)結(jié)果可以看出：旋流光飾對(duì)倒角圓滑過(guò)渡的效果優(yōu)于振動(dòng)光飾，已達(dá)到國(guó)外樣件的狀態(tài)；旋流光飾后表面粗糙度較振動(dòng)光飾差；振動(dòng)光飾、旋流光飾對(duì)超精后的滾子外徑面素線形狀基本無(wú)影響，對(duì)磨倒角后滾子外徑面為精磨狀態(tài)的影響較大，滾子的外徑面素線由直線狀態(tài)變?yōu)橹虚g凹的狀態(tài)；振動(dòng)光飾和旋流光飾后,滾子端面的表面粗糙度都有所提高；超精研后的滾子經(jīng)過(guò)旋流光飾，外徑面的表面粗糙度以及外觀質(zhì)量有所下降。

4 滾子加工工藝過(guò)程改進(jìn)

根據(jù)倒角磨削加工試驗(yàn)以及光飾加工試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)滾子加工工藝進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后工藝流程為:切斷→軟磨外徑面→軟磨端面→車兩端倒角→熱處理→硬串倒角→粗磨外徑面→粗磨端面→酸洗→除氫→細(xì)磨外徑面→精研端面→精磨外徑面→磨倒角→探傷→終磨外徑面→精光飾→精研外徑面→超精外徑面。

在精磨外徑面后增加磨削倒角工序，在終磨外徑面后增加精光飾工序，實(shí)現(xiàn)了倒角圓滑過(guò)渡，提高了倒角的加工精度，倒角跳動(dòng)值能夠達(dá)到國(guó)外樣件水平。通過(guò)精研、超精研工序?qū)ν鈴矫嫠鼐€的加工，既可以改善光飾對(duì)外徑面素線形狀的影響，又不會(huì)影響倒角圓滑過(guò)渡的狀態(tài)。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)倒角精加工方法的研究，提高了圓柱滾子的加工工藝水平，滾子的加工精度已經(jīng)達(dá)到甚至超過(guò)國(guó)外水平。該工藝方法已經(jīng)應(yīng)用在航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承和燃機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)軸承科研產(chǎn)品上，取得了很好的效果。