特大型球面滾動(dòng)體素線對(duì)數(shù)修形工藝研究

楊哲 林國福 劉許 王典仁

摘 要：通常情況下，特大型球面滾動(dòng)體的素線為圓弧。由于軸承的使用工況和邊緣應(yīng)力要求，特大型球面滾動(dòng)體素線采取對(duì)數(shù)修形設(shè)計(jì)。目前，沒有加工特大型球面滾動(dòng)體素線對(duì)數(shù)修形的工藝。基于此，本文對(duì)特大型球面滾動(dòng)體素線對(duì)數(shù)修形工藝進(jìn)行研究，使用多段圓弧模擬對(duì)數(shù)曲線進(jìn)行修形，并在球面滾動(dòng)體外徑磨床（3MZ40100CNC）采用多段圓弧修形砂輪切入磨加工方式，最后利用Taylor Hobson輪廓儀檢測對(duì)修形結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，測量的輪廓與理論的對(duì)數(shù)曲線修形基本一致。

關(guān)鍵詞：特大型;球面滾動(dòng)體;對(duì)數(shù)修形

中圖分類號(hào)：TH133.332文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）16-0059-04

Abstract： In general， the prime line of the extra-large size spherical roller is an arc. Due to the service conditions and edge stress requirements of bearings， The design of logarithmic curve for the prime line of the extra-large size spherical roller. At present， there is no processing technology for the logarithmic curve of the prime line of the extra-large size spherical roller. Based on this， this paper studied the logarithmic modification technology of the super large spherical rolling element's prime line， used the multi-section circular arc to simulate the logarithmic curve for the modification， and used the multi-section circular arc modification grinding wheel to cut into the grinding mode in the spherical rolling external diameter grinder （3MZ40100CNC）， and finally used the Taylor Hobson profilometer to test the modification results. The results show that the measured contour is basically consistent with the theoretical logarithmic curve modification.

Keywords： extra-large size;spherical roller;logarithmic curve

1 研究背景

特大型調(diào)心滾子軸承（見圖1）外圈是一條共用的球面滾道，裝著球面滾動(dòng)體。內(nèi)圈有兩條與軸承軸線傾斜一定角度的滾道，當(dāng)軸受力產(chǎn)生彎曲時(shí)或者由于傾斜而使內(nèi)圈和外圈中心線產(chǎn)生相對(duì)傾斜角度不大于0.5°～2°時(shí)，軸承仍然能夠正常工作，具有良好的調(diào)心性能[1]。球面滾動(dòng)體結(jié)構(gòu)在承受軸向力和徑向力時(shí)，接觸的是非封閉的橢圓或者是近似的矩形，消除或者降低了邊緣應(yīng)力集中，同時(shí)也具有較好的抗沖擊能力、抗震動(dòng)能力，并且可以補(bǔ)償因?yàn)榘惭b與軸的變形所引起的同心度誤差。

當(dāng)調(diào)心滾子軸承處于軸向工作載荷大于徑向工作載荷的[e]倍時(shí)[2]，軸承會(huì)產(chǎn)生軸向偏移，導(dǎo)致軸承滾動(dòng)體倒角邊緣發(fā)生磨損、點(diǎn)蝕、疲勞剝落。如圖2所示，在軸承長時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，倒角邊緣疲勞剝落的滾動(dòng)體影響主機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性[3]。而且滾動(dòng)體倒角邊緣失效會(huì)導(dǎo)致軸承面出現(xiàn)表層硬化現(xiàn)象，這種表層硬化現(xiàn)象嚴(yán)重影響軸承運(yùn)行速度。而軸承故障會(huì)導(dǎo)致軸承運(yùn)行狀況惡劣、增大摩擦阻力、提升設(shè)備的溫度、出現(xiàn)振動(dòng)信號(hào)異常等，并且降低旋轉(zhuǎn)精度。

2 球面滾動(dòng)體素線對(duì)數(shù)修形設(shè)計(jì)

為防止?jié)L動(dòng)體倒角邊緣與滾道接觸的端部產(chǎn)生應(yīng)力集中，對(duì)其滾動(dòng)面端部直徑略經(jīng)修正，一般將這樣的滾動(dòng)體定義為凸度滾動(dòng)體和修形滾動(dòng)體。該方法已在圓柱滾子軸承和圓錐滾子軸承中大量應(yīng)用，可以提高產(chǎn)品的使用壽命。調(diào)心滾子軸承的對(duì)數(shù)修形在國外已經(jīng)開始應(yīng)用，由于滾動(dòng)體凸度的復(fù)雜性，國內(nèi)在制造及檢測方面仍然存在許多問題。

球面滾動(dòng)體素線原為整段圓弧，需要在兩端進(jìn)行對(duì)數(shù)修形設(shè)計(jì)，滾動(dòng)體素線修形段為除圓弧段[LR]外，建立坐標(biāo)系如圖3所示。

3 球面滾動(dòng)體素線對(duì)數(shù)修形工藝

目前，圓柱或圓錐滾動(dòng)體素線為直線，滾動(dòng)體素線對(duì)數(shù)曲線修形一般是通過超精機(jī)調(diào)整導(dǎo)輥角度后超精實(shí)現(xiàn);但是，球面滾動(dòng)體素線對(duì)數(shù)曲線修形無法超精實(shí)現(xiàn)，所以只能采用切入法磨削成型后，通過超精提高表面質(zhì)量。

某型號(hào)調(diào)心滾子軸承球面滾動(dòng)體的直徑[Dw]為78 mm，長度[LW]為138 mm，素線曲率[RW]為541.531 mm，屬于對(duì)稱滾動(dòng)體。根據(jù)對(duì)數(shù)曲線修形方程確定修形系數(shù)[k]為0.131 06，素線設(shè)計(jì)圓弧長度[LR]為86.91 mm。為實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)曲線修形，采用多段圓弧圓滑過渡連接，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，圓弧選用5段最佳，如圖4所示。各段圓弧相切交點(diǎn)為對(duì)數(shù)曲線上的[fx，x]坐標(biāo)點(diǎn)。

模擬球面滾動(dòng)體素線的對(duì)數(shù)曲線設(shè)定第一段圓弧的長度為11.361 mm;第二段圓弧的長度為5.049 mm;第三段圓弧的長度為5.049 mm;第四段圓弧的長度為6.311 mm;第五段圓弧的長度為2.100 mm。計(jì)算得出[fx]和圓弧曲率。其對(duì)數(shù)曲線和模擬多段圓弧的模擬對(duì)比圖如圖5所示。坐標(biāo)原點(diǎn)如圖3所示位于滾動(dòng)體中心，通過Excel圖形生成輪廓曲線，在[X]?。?，66.9）時(shí)，對(duì)數(shù)曲線和模擬多段圓弧是基本一致的，因此模擬多段圓弧可以實(shí)現(xiàn)球面滾動(dòng)體素線對(duì)數(shù)修形。素線對(duì)數(shù)曲線和圓弧多段模擬對(duì)比圖如圖5所示。

4 素線對(duì)數(shù)修形加工設(shè)備及程序

由于球面滾動(dòng)體的結(jié)構(gòu)具有特殊性，磨加工時(shí)采用切入磨加工。加工精度受砂輪材質(zhì)、機(jī)床主軸進(jìn)給精度影響較大。目前，國內(nèi)球面滾動(dòng)體外徑磨床（3MZ40100CNC）的磨削原理為滾動(dòng)體外徑面有多點(diǎn)浮動(dòng)支撐，滾動(dòng)體端面貼緊機(jī)床導(dǎo)輪，加工時(shí)，滾動(dòng)體由導(dǎo)輪帶動(dòng)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，軸向由砂輪形狀固定不做運(yùn)動(dòng)。因此，滾動(dòng)體基面和滾動(dòng)面同時(shí)作為加工基準(zhǔn)，在對(duì)滾動(dòng)體修形時(shí)，確保滾動(dòng)體高度尺寸一致，否則，切入磨加工后，滾動(dòng)體兩端對(duì)稱性達(dá)不到技術(shù)要求。

根據(jù)對(duì)數(shù)修形公式輸入不同位置[X]值，計(jì)算出輪廓的[fx]值，得出機(jī)床坐標(biāo)[X，Y]，并建立坐標(biāo)系，如圖6所示。由于滾動(dòng)體高度尺寸的不確定性，為保證整個(gè)滾動(dòng)體滾動(dòng)面全部修形，在修整砂輪時(shí)，需要每端增加4 mm砂輪修形寬度。

以上述某型號(hào)滾動(dòng)體為例，通過計(jì)算得到坐標(biāo)參數(shù)，使用操作系統(tǒng)SINUMERIK 802D sl，其具體修整砂輪程序代碼如下：

G00 G55 G94 G90 Z0.0

G01 X-1 F500

G01 G55 X0 F500

G01 G55 Z0 F=R58

G01 X=0 Z=0 F=R58

G02 X=1.4636 Z=7.4380 CR=112.6423 F=R58

G02 X=1.8025 Z=10.114 CR=242.4036 F=R58

G02 X=2.2674 Z=14.128 CR=405.1089 F=R58

G02 X=3.0750 Z=22.000 CR=500.6236 F=R58

G02 X=3.7177 Z=29.515 CR=538.2368 F=R58

G02 X=3.7177 Z=116.485 CR=541.5310 F=R58

G02 X=3.0590 Z=124.000 CR=538.2368 F=R58

G02 X=2.2514 Z=131.872 CR=500.6236 F=R58

G02 X=1.7865 Z=135.886 CR=405.1089 F=R58

G02 X=1.4476 Z=138.562 CR=242.4036 F=R58

G02 X=0 Z=147.000 CR=112.6423 F=R58

5 修形后結(jié)果驗(yàn)證

對(duì)于修形后的對(duì)稱滾動(dòng)體素線對(duì)稱度的檢測，可采用D913軸承外徑測量儀測量，按儀器使用說明書調(diào)整儀器，在滾動(dòng)體素線非修形段末端和修形段末端分別測量滾動(dòng)體直徑，將滾動(dòng)體水平旋轉(zhuǎn)180°后測量滾動(dòng)體另一端直徑，兩端直徑差≤0.004 mm。

輪廓度誤差是形狀誤差中的一種，其測量方法與通常的曲率測量方法類似。對(duì)于曲率測量，一般有兩種方法：一種是樣板比對(duì)測量，另一種是用輪廓儀測量。而對(duì)數(shù)曲線輪廓的每一區(qū)間段的形狀都不相同，用樣板測量很難保證測量位置正確，而且其是一種定性的測量方法，人為因素影響較大，因此一般不采用樣板對(duì)比測量，而是利用輪廓儀直接定量測量分析出滾動(dòng)體素線的對(duì)數(shù)曲線輪廓度。

輪廓度檢測用Taylor Hobson輪廓儀對(duì)滾動(dòng)體素線進(jìn)行測量取點(diǎn)生成測量輪廓，然后按輪廓儀的格式將滾動(dòng)體素線的對(duì)數(shù)曲線公式進(jìn)行編輯并輸入輪廓儀，同時(shí)要確定對(duì)數(shù)曲線的起始點(diǎn)和終止點(diǎn)[4]。在確定對(duì)數(shù)曲線的起始點(diǎn)和終止點(diǎn)時(shí)，務(wù)必要保證準(zhǔn)確，因?yàn)閷?duì)數(shù)曲線的每一區(qū)間段輪廓都不相同，起始點(diǎn)或終止點(diǎn)錯(cuò)誤會(huì)導(dǎo)致對(duì)數(shù)曲線的區(qū)間段發(fā)生偏移，從而導(dǎo)致測量結(jié)果不準(zhǔn)確。儀器根據(jù)輸入的公式生成一條理論曲線，最后將測量輪廓與理論曲線進(jìn)行對(duì)比，其測量的輪廓與理論的對(duì)數(shù)曲線修形基本一致，如圖7所示。

6 結(jié)語

通過對(duì)特大型球面滾動(dòng)體素線對(duì)數(shù)修形工藝進(jìn)行研究，使用多段圓弧模擬對(duì)數(shù)曲線進(jìn)行修形，并在球面滾動(dòng)體外徑磨床（3MZ40100CNC）采用多段圓弧修形砂輪切入磨加工方式，經(jīng)Taylor Hobson輪廓儀檢測，其測量的輪廓與理論的對(duì)數(shù)曲線修形基本一致。而滾動(dòng)體高度是保證加工滾動(dòng)體對(duì)稱性的基本條件，機(jī)床精度是保證滾動(dòng)體修形輪廓的必要條件，在實(shí)際生產(chǎn)中可通過控制滾動(dòng)體滾動(dòng)面修形前磨削余量和保持砂輪形狀恒定即減少砂輪修整次數(shù)來提高加工效率。本文為實(shí)現(xiàn)修形球面滾動(dòng)體素線提供了理論工藝研究和加工及檢測經(jīng)驗(yàn)。

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