微型三點(diǎn)接觸球軸承雙半內(nèi)圈溝道加工工藝改進(jìn)

杜曉宇，鄧四二，張旭，崔靜偉

(1.河南科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河南 洛陽 471003；2.洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039；3.高性能軸承數(shù)字化設(shè)計國家國際科技合作基地，河南 洛陽 471039；4.河南省高性能軸承技術(shù)重點(diǎn)實驗室，河南 洛陽 471039)

雙半內(nèi)圈三點(diǎn)接觸球軸承可承受雙向軸向載荷，也可承受一定的徑向載荷，且適用于高速工況，需求量日益增加。針對P5及以上精度的微型雙半內(nèi)圈三點(diǎn)接觸球軸承，采用“內(nèi)圈按一個整體加工后再進(jìn)行剖切”的工藝路線，無法保證雙半內(nèi)圈溝道加工精度。經(jīng)工藝驗證,多采用“整體加工→剖切→粘接加工”的工藝路線進(jìn)行加工，以提高內(nèi)圈加工精度[1]。

1 三點(diǎn)接觸球軸承雙半內(nèi)圈溝道加工難點(diǎn)

三點(diǎn)接觸球軸承雙半內(nèi)圈的加工工藝(圖1)可分為3類：

1)整體加工。在未剖切前以整體內(nèi)圈進(jìn)行車削、熱處理、磨削等。

2)剖切。利用線切割將整體內(nèi)圈剖切為2個半內(nèi)圈,這2個半內(nèi)圈寬度略有差異。

3)粘接加工。將2個半內(nèi)圈粘接在一起加工,包括磨削、超精、選配、徑向游隙測量、接觸角測量等，在磨削、超精溝道時按整體單溝曲率溝道加工即可。加工完成后分離雙半內(nèi)圈，去除粘膠，修整2個半內(nèi)圈寬度至一致，從而使雙半內(nèi)圈溝道呈桃形。

圖1 三點(diǎn)接觸球軸承雙半內(nèi)圈加工工藝路線

利用3MB143D溝道磨床通過電磁無心夾具采用切入法對粘接后的雙半內(nèi)圈溝道進(jìn)行粗磨、精磨，粘接后的雙半內(nèi)圈存在微小錯位時，會出現(xiàn)不同心現(xiàn)象(圖2)，造成受力不均，脫膠開裂。用SQ2棍棒式超精機(jī)對粘接后的雙半內(nèi)圈溝道超精時，油石垂直于溝道旋轉(zhuǎn)方向并按一定規(guī)律做高頻往復(fù)振蕩運(yùn)動，油石磨粒切削方向不斷變化，使雙半內(nèi)圈溝道不斷受軸向力沖擊，也易導(dǎo)致雙半內(nèi)圈脫膠開裂。

圖2 雙半內(nèi)圈粘接錯位示意圖

為解決雙半內(nèi)圈溝道在粗磨、精磨、超精過程中因粘接強(qiáng)度不足而出現(xiàn)開裂的問題，嘗試采用了不同類型的粘接劑，但開裂問題仍不能有效解決。為提高該類軸承溝道加工精度和合格率，有必要設(shè)計輔助工裝，并對工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

2 工藝改進(jìn)

2.1 輔助工裝設(shè)計及雙半內(nèi)圈固定

溝道磨削的輔助工裝如圖3所示，其作用主要是使雙半內(nèi)圈軸向和徑向定位。芯軸與套圈為間隙配合，芯軸材料選擇常用鋼。芯軸也可做成空心，以減輕質(zhì)量。

1—粘接劑；2—雙半內(nèi)圈；3—墊片；4—緊固螺釘；5—芯軸

超精加工的輔助工裝如圖4所示，超精加工時應(yīng)盡可能保證雙半內(nèi)圈質(zhì)心與幾何中心重合，否則易出現(xiàn)內(nèi)圈不穩(wěn)，影響溝形。因此，要求所采用的工裝結(jié)構(gòu)對稱，且質(zhì)量較輕，可采用膠木芯軸。此外，可借助頂棒使膠木芯軸易置入及取出，如圖5所示。

1—粘接劑；2—雙半內(nèi)圈；3—膠木芯軸

1—頂棒；2—膠木芯軸；3—粘接劑；4—雙半內(nèi)圈；5—底座

雙半內(nèi)圈固定時，先在剖面上涂一層粘接劑，再通過輔助工裝固定芯軸，待粘接劑固化后進(jìn)行溝道磨削及超精加工。

2.2 磨削工藝參數(shù)優(yōu)化

為降低雙半內(nèi)圈相對移動及脫膠開裂的幾率，除改進(jìn)雙半內(nèi)圈固定方法外，應(yīng)在保證磨削效率的前提下盡可能減小磨削力。為簡化分析過程，僅以單顆磨粒的磨削力進(jìn)行分析。單顆磨粒的磨削力為[2]

F=dfπHdghcu，

(1)

式中：df為經(jīng)驗系數(shù)；H為工件布氏硬度；dg為磨粒尺寸；hcu為磨粒切入深度。

假設(shè)砂輪表面磨粒為球形且大小相等，則hcu的最大值為[3-5]

(2)

式中：C為砂輪表面單位面積內(nèi)的磨粒數(shù)量；r為未變形切屑寬度與厚度的比值；vw為工件線速度；vs為砂輪線速度；ae為平面磨削時的磨削深度；de為砂輪當(dāng)量直徑。

(2)式中的ae針對的是平面磨削。對于溝道磨削，ae指的是套圈每旋轉(zhuǎn)一周時砂輪的進(jìn)給量，即

(3)

式中：dw可近似認(rèn)為是軸承溝底直徑；vf為砂輪進(jìn)給速度。

對于給定的工件和砂輪，(1)—(3)式中df，H，dg，C，r，de為定值，各單顆磨粒中的最大磨削力Fmax與vw，vs，vf的關(guān)系為

(4)

結(jié)合(4)式可知，為降低雙半內(nèi)圈脫膠開裂的幾率，將粗磨分2次進(jìn)行，減小單次磨削時的vf。此外，可適當(dāng)降低工件軸轉(zhuǎn)速。

關(guān)于砂輪軸轉(zhuǎn)速的調(diào)整，從(4)式看，vs的指數(shù)大于vw和vf，增大vs的效果比較明顯。但過高的砂輪軸轉(zhuǎn)速會增大砂輪軸振動，從而增大溝形誤差。綜合考慮砂輪軸轉(zhuǎn)速保持不變。

3 實際加工效果

以某型雙半內(nèi)圈三點(diǎn)接觸球軸承為例，其外形尺寸如圖6所示，砂輪型號為35×5×5 GC240K，溝道磨削機(jī)床為3MB143D。通過工藝試驗，最終確定的磨削參數(shù)見表1。利用SQ2棍棒式超精機(jī)超精時，為降低開裂率，要求工件轉(zhuǎn)速及超精CBN油石的擺動頻率不能太高，比正常超精加工要降低10%左右；同時要減少超精時間，粗超要求在15 s內(nèi)，精超要求在8 s內(nèi)。

圖6 某型雙半內(nèi)圈三點(diǎn)接觸球軸承外形尺寸

表1 某型雙半內(nèi)圈溝道磨削加工參數(shù)優(yōu)化

工藝優(yōu)化后,三點(diǎn)接觸球軸承內(nèi)圈溝道磨削時的開裂率由30%降至5%以內(nèi)，大大提高了生產(chǎn)效率，降低了廢品率。

此外，測量了工藝改進(jìn)前后8套軸承兩溝曲率中心偏差，見表2，工藝優(yōu)化后兩溝曲率中心偏差合格率達(dá)到了100%，且數(shù)值較為集中，說明溝道加工質(zhì)量明顯提升。

表2 工藝改進(jìn)前后兩溝曲率中心偏差

4 結(jié)束語

通過實際生產(chǎn)情況的驗證，說明改進(jìn)工藝所加工微型雙半內(nèi)圈三點(diǎn)接觸球軸承的內(nèi)圈溝道具有合格率高，溝形一致性好等優(yōu)點(diǎn)。所設(shè)計的輔助工裝需針對不同型號軸承的特定尺寸進(jìn)行定制，盡管制造工裝耗時費(fèi)力，但對于批量生產(chǎn)高附加值、重要用途的軸承，加工合格率和效率提升的意義更大。