外圓無(wú)心磨削工藝對(duì)軸承套圈成型質(zhì)量的影響

邵熠羽 彭文飛 陳少?gòu)?qiáng)

（1 寧波大學(xué)機(jī)械工程與力學(xué)學(xué)院，寧波 315211）

（2 寧波大學(xué)浙江省零件軋制成形技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寧波 315211）

0 引言

深溝球軸承是一種常見(jiàn)的滾動(dòng)軸承，是制造業(yè)中重要的基礎(chǔ)部件［1-3］，在汽車(chē)、航空航天、軌道交通等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛［4-5］。其中，軸承套圈是軸承的重要組成部件之一。軸承套圈在經(jīng)過(guò)熱處理之后，套圈表面的硬度因淬火而大大提高，無(wú)法再用車(chē)削加工去除套圈表面余量，需要使用磨削工藝對(duì)軸承套圈的外圓進(jìn)行加工，使其內(nèi)外圓表面的形狀誤差和尺寸精度達(dá)到相應(yīng)的技術(shù)要求［6-8］。如何合理規(guī)劃磨削加工流程，優(yōu)化磨削加工工藝參數(shù)，減小磨削加工中圓度誤差，使軸承套圈磨削加工高精度、高效率、低成本，是軸承實(shí)際生產(chǎn)中需要考慮的主要問(wèn)題［9］。在套圈磨削加工中，對(duì)套圈外圓圓度影響最大的工序?yàn)橥鈭A無(wú)心磨削工藝［10］。最早期的無(wú)心磨床由Henry 于1867 年首創(chuàng)，經(jīng)過(guò)一個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，無(wú)心磨削技術(shù)在軸承行業(yè)套圈磨削中的應(yīng)用已經(jīng)十分成熟［11］。

在套圈無(wú)心磨削加工中，如果磨削參數(shù)選擇不當(dāng)，會(huì)使套圈外圓磨削表面產(chǎn)生嚴(yán)重的圓度誤差。因此，許多學(xué)者對(duì)無(wú)心磨削進(jìn)行了研究，STEVEN［12］提出了無(wú)心磨削循環(huán)長(zhǎng)度優(yōu)化方法以減小磨削后工件的圓度誤差。KRAJNIK［13］開(kāi)發(fā)了工件成形機(jī)制與工件動(dòng)力學(xué)相結(jié)合的無(wú)心磨削模型，用于預(yù)測(cè)工件圓度。CERNAIANU［14］通過(guò)控制橫向進(jìn)給力并采用無(wú)心磨床自適應(yīng)控制方法保證了中心位移的準(zhǔn)確性。CHANG［15］采用無(wú)心磨削工藝對(duì)軸承套圈溝道表面完整性進(jìn)行了研究，確定砂輪速度、工件速度和磨削深度對(duì)表面完整性的影響。國(guó)內(nèi)學(xué)者也對(duì)軸承無(wú)心磨削進(jìn)行了研究，崔奇［16］分析了軸承套圈在時(shí)域內(nèi)的外圓無(wú)心磨削的成圓過(guò)程，張志恒［17］研究了套圈無(wú)心磨削時(shí)的運(yùn)動(dòng)、接觸受力與套圈變形的關(guān)系，劉露冬漫［18］通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了無(wú)心夾具自身的形狀誤差會(huì)影響軸承套圈溝道磨削后的圓度，但以上研究并未結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)工藝對(duì)軸承套圈最終尺寸精度進(jìn)行分析。

目前，為了使軸套外圓滿(mǎn)足精度要求，軸承行業(yè)普遍的做法是在套圈外圈完成終磨后，再增加一道外圓修磨工序，即在套圈完成溝道磨削之后，再對(duì)套圈外圓進(jìn)行修磨，使套圈外圓表面質(zhì)量和外圓直徑達(dá)到要求。但該工藝不僅增加了生產(chǎn)成本和周期，還可能會(huì)造成作為溝道磨削基準(zhǔn)面和安裝基準(zhǔn)面的套圈外圓與溝道的壁厚差精度降低［19］。因此，本文提出一種深溝球軸承6202套圈外圈取消外圓修磨的無(wú)心磨削工藝，通過(guò)6202軸承套圈的外圓無(wú)心磨削試驗(yàn)，分析新外圓無(wú)心磨削工藝對(duì)套圈圓度、直徑的影響，探究諧波控制原理在軸承套圈外圈圓度控制中的應(yīng)用。

1 試驗(yàn)

1.1 試樣制備

所用軸承為寧波達(dá)爾機(jī)械科技有限公司生產(chǎn)的6202深溝球軸承。試驗(yàn)6902軸承套圈材料為GCr15軸承鋼。經(jīng)機(jī)加工得到6902軸承套圈后（圖1），對(duì)試樣進(jìn)行熱處理：淬火使用網(wǎng)帶式熱處理爐進(jìn)行，淬火溫度830 °C，保溫時(shí)間為40 min后油淬；冷處理使用DJIL-SLX11910型超低溫深冷箱，冷處理溫度為-80 °C，保溫時(shí)間為1.5 h；高溫回火溫度為180 °C，保溫時(shí)間為4 h。

圖1 6902軸承套圈Fig.1 Bearing ring 6902

經(jīng)熱處理后，6202軸承套圈外圈的外圓無(wú)心磨削在MW10200型無(wú)心磨床上進(jìn)行，將磨削工藝分為2組。

（1）原磨削工藝為：兩端面磨削→外圓無(wú)心磨削（5 遍）→外圓超精→外圈溝道磨削→外圈溝道超精→外圓修磨→裝配。

每次外圓無(wú)心磨削的外圓直徑尺寸要求和圓度要求為：第一次外圓無(wú)心磨削外徑尺寸為mm，圓度誤差不作要求；第二次外圓無(wú)心磨削外徑尺寸為mm，圓度誤差要求控制在1.5 μm 以下；第三次外圓無(wú)心磨削外徑尺寸為Φ35.mm，圓度誤差要求控制在1.2 μm 以下；第四次外圓無(wú)心磨削外徑尺寸為Φ35.mm，圓度誤差要求控制在0.9 μm 以下；第五次外圓無(wú)心磨削外圓修磨工序的余量，最終尺寸為，圓度誤差要求控制在0.7 μm以下。

（2）取消修磨后工藝為：兩端面磨削→外圓無(wú)心磨削（3 遍）→外圓超精→最后1 遍無(wú)心磨→外圈溝道磨削→外圈溝道超精→裝配。

新工藝將原五次外圓無(wú)心磨削改為四次外圓無(wú)心磨削。新工藝中，除了套圈在機(jī)加工時(shí)所留的余量減小和最后一次無(wú)心磨削直接磨到終磨尺寸外，第三次外圓無(wú)心磨削的尺寸和圓度要達(dá)到原磨削工藝的第四次外圓無(wú)心磨削的要求，第一次和第二次外圓無(wú)心磨的尺寸和圓度要求與原工藝一致。

1.2 試驗(yàn)方法

從6202 軸承套圈外圓無(wú)心磨削生產(chǎn)線(xiàn)抽取樣品，分別在軸承外圈的四次外圓無(wú)心磨削和超精工序前后抽取20 組樣品。采用Y9025C 圓度儀及最小二乘法檢測(cè)套圈圓度。由于本文主要研究軸承套圈外圈在磨削加工中圓度誤差的控制方法，需排除波紋度和粗糙度這兩種表面形狀誤差的干擾，因此圓度儀采用2～15濾波擋位以檢測(cè)套圈圓度誤差。采用外徑表測(cè)量軸承套圈外徑，測(cè)量套圈外徑時(shí)必須將套圈表面清洗，并以順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)測(cè)量，所取6202軸承套圈外圓直徑的終磨尺寸為，圓度誤差要求控制在0.7 μm以下。

2 結(jié)果與討論

2.1 新工藝套圈的外觀

從原外圓無(wú)心磨削工藝和取消外圓修磨后的外圓無(wú)心磨削工藝對(duì)比可以看出，優(yōu)化后的磨削工藝不僅取消了修磨工序，減少了外圓無(wú)心磨削的次數(shù)，并且調(diào)整了套圈的外圓超精加工工序在整個(gè)外圓無(wú)心磨削工藝中的順序。調(diào)整超精加工順序的主要原因是為了降低套圈外圓磨削表面的圓度和波紋度誤差，同時(shí)保證軸承套圈外圓表面的外觀質(zhì)量要求達(dá)到技術(shù)要求標(biāo)準(zhǔn)。

取消修磨后的外觀要求如圖2 所示。從圖2（a）和（b）可以得出，取消外圓修磨工藝后，軸承套圈外圓磨削表面允許由電磁無(wú)心夾具造成的輕微劃傷和擦傷，但不允許套圈外圓表面出現(xiàn)印痕、機(jī)械手打傷以及碾傷，也不允許出現(xiàn)嚴(yán)重的劃傷和擦傷。

圖2 軸承套圈外圓外觀合格要求Fig.2 Qualification requirements for outer circle appearance of bearing rings

在取消修磨工藝的情況下，為了保證軸承套圈外圓在最后一次外圓無(wú)心磨削后的外觀和表面質(zhì)量符合技術(shù)要求標(biāo)準(zhǔn)，需要控制每一次外圓無(wú)心磨削時(shí)的余量、外圓直徑和圓度誤差。磨削余量、外圓直徑和圓度工藝標(biāo)準(zhǔn)已于1.1節(jié)取消修磨后工藝中確定。

2.2 新磨削工藝對(duì)軸承套圈的影響

20組軸承套圈毛料平均外圓尺寸及改進(jìn)工藝后軸承套圈每次無(wú)心磨削及外圓超精加工后的平均外圓直徑和圓度如表1所示。

表1 軸承套圈尺寸及圓度平均值Tab.1 Dimensions and roundness of bearing ring

由于毛料套圈的外圓還未經(jīng)過(guò)加工，圓度誤差均較大且沒(méi)有規(guī)律，因此毛料套圈的外圓圓度無(wú)須測(cè)量，只需測(cè)量外圓直徑尺寸。

2.2.1 外圓無(wú)心磨削對(duì)外圓直徑和圓度的影響

從表1 可看出，6202 軸承套圈外圈每經(jīng)過(guò)一次外圓無(wú)心磨削，其外徑平均值均可滿(mǎn)足技術(shù)要求標(biāo)準(zhǔn)值。雖然20組樣品中有個(gè)別套圈的外圓圓度存在超差問(wèn)題，但平均值達(dá)到了每次無(wú)心磨削后的圓度技術(shù)要求標(biāo)準(zhǔn)。

圖3為每次外圓無(wú)心磨削后20組套圈樣品的外圓直徑平均值變化。由圖3可以看出，6202軸承套圈外圓在進(jìn)行無(wú)心磨削時(shí)，每次磨削的磨削用量先大后小。其中，橫坐標(biāo)“4”表示套圈外圓超精加工，第三次無(wú)心磨削后的外圓直徑平均值和超精加工后的外圓直徑平均值分別為35.016 mm和35.014 mm，外圓超精加工基本不改變軸承套圈的外圓直徑。第一次無(wú)心磨削的磨削用量最大為49 μm；第二次無(wú)心磨削的磨削用量為44 μm；第三次無(wú)心磨削的磨削用量為24 μm；第四次無(wú)心磨削的磨削用量最小為10.2 μm。

6202 軸承套圈外圓無(wú)心磨削新工藝每次磨削后的外圓圓度標(biāo)準(zhǔn)為：第一次無(wú)要求；第二次圓度要求為1.5 μm 以下；第三次圓度要求為1.2 μm 以下；第四次圓度要求為0.7 μm 以下。圖4為套圈外圓在經(jīng)過(guò)不同磨削次數(shù)后的圓度平均值變化。由圖4 可以看出，除了第三次無(wú)心磨削外，6202軸承套圈外圓經(jīng)過(guò)三次外圓無(wú)心磨削和一次外圓超精加工后，其圓度平均值總體呈下降趨勢(shì)：第一次無(wú)心磨削使外圓圓度達(dá)到1.27 μm；第二次無(wú)心磨削使外圓圓度直接降低到0.61 μm，符合新工藝要求的1.5 μm 以下；第三次無(wú)心磨削使套圈外圓圓度有所上升，平均值達(dá)到1.03 μm，但仍然符合新工藝的要求；經(jīng)過(guò)外圓超精加工后，外圓圓度由第三次無(wú)心磨削的1.03 μm降低到0.66 μm；第四次無(wú)心磨削后，套圈外圓圓度為0.53 μm，滿(mǎn)足新工藝要求。

圖4 不同磨削次數(shù)的平均圓度變化Fig.4 Roundness of different grinding time

2.2.2 超精加工對(duì)套圈外圓表面的影響

表2 為每次磨削加工后套圈圓度諧波及幅值。從表2 第一次外圓無(wú)心磨削后套圈表面的諧波可以看出，主要影響套圈外圓表面的波為2次、3次和6次諧波，均為6次以下低次諧波。軸承套圈表面低次諧波主要是由套圈的車(chē)削加工和熱處理加工產(chǎn)生，而外圓無(wú)心磨削可降低低次諧波的幅值。

表2 軸承套圈外圓諧波及幅值Tab.2 Harmonic and amplitude of bearing ring outer circle諧波次數(shù)/次-幅值/μm

第二次無(wú)心磨削后，主要影響軸承套圈外表面的波除了2 次、3 次、6 次外，1 號(hào)套圈樣品為21 次諧波且幅值最大，10 號(hào)套圈樣品為12 次諧波且幅值最大。第三次無(wú)心磨削時(shí)，更多的6次以上高次諧波開(kāi)始影響套圈外表面。因此，在套圈外圓無(wú)心磨削中，雖然低次諧波幅值可以通過(guò)無(wú)心磨削得到控制，但仍然存在6次以上高次諧波無(wú)法控制。

外圓超精加工后，第三次外圓無(wú)心磨削產(chǎn)生的6次以上高次諧波得到消除，此時(shí)對(duì)套圈外圓表面主要影響的諧波均為6次以下低次諧波，并且諧波幅值相對(duì)于前三次無(wú)心磨削后的諧波幅值小。第四次外圓無(wú)心磨削后，高于6 次的高次諧波不再出現(xiàn)，仍然保持較低幅值的低次諧波。從套圈的外圓圓度來(lái)看，套圈外圓圓度也由第三次無(wú)心磨削后的1.03 μm下降到外圓超精加工后的0.66 μm。

2.3 軸承套圈圓度的諧波控制

在精密軸承套圈的磨削加工中，可以利用圓度諧波分析技術(shù)來(lái)分析套圈的圓度誤差及表面質(zhì)量，常見(jiàn)的軸承套圈圓度誤差如圖5所示，圖5（a）為套圈表面的偶次諧波為橢圓度，圖5（b）為奇次諧波為棱圓度［20］。軸承套圈經(jīng)過(guò)車(chē)削加工以及熱處理之后，套圈的外圓表面形狀幾乎都是以橢圓為主，即2次諧波誤差最大［21］。這種2次諧波誤差，需要在套圈的外圓無(wú)心磨削中得到控制，否則在外圓無(wú)心磨削之后，套圈表面仍然會(huì)有較大的圓度誤差，外圓的圓度誤差會(huì)在溝道磨削時(shí)作為定位基準(zhǔn)傳遞到溝道的磨削表面，導(dǎo)致套圈溝道的圓度也不能達(dá)到技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

圖5 圓度誤差Fig.5 Roundness error

除了2次諧波誤差之外，從2.2節(jié)中6202軸承套圈外圓圓度可以看出，6次以上諧波誤差所占比重較高。產(chǎn)生6次以上諧波誤差主要原因是由于車(chē)削加工中支承套圈的外表面受到卡盤(pán)的夾持力作用而產(chǎn)生變形［22］，并且軸承套圈表面的6次以上諧波誤差在后續(xù)熱處理加工中無(wú)法消除，因此需要外圓超精加工。

根據(jù)靜態(tài)成圓理論，單次外圓無(wú)心磨削穩(wěn)定性差，不能滿(mǎn)足所有階次諧波的消除。因此，需要通過(guò)外圓無(wú)心磨削和外圓超精加工兩種磨削方法相結(jié)合的工藝來(lái)控制套圈磨削表面的諧波和幅值大小，實(shí)現(xiàn)對(duì)套圈圓度誤差的控制，即減小或消除圓度誤差。

2.3.1 無(wú)心外圓磨削對(duì)諧波誤差的控制

圖6 為20 組套圈樣品在四次外圓無(wú)心磨削和外圓超精加工后外圓磨削表面最高幅值諧波的幅值。從圖6 中可以看出，隨著磨削次數(shù)的增加，套圈外圓表面的2 次諧波、3 次諧波和6 次諧波的幅值總體呈下降趨勢(shì)，在套圈外圓無(wú)心磨削中，由車(chē)削加工和熱處理產(chǎn)生的低次諧波幅值明顯地減小，圓度得到有效控制。但第三次無(wú)心磨削后，超過(guò)6次的高次諧波所占比重明顯增加，證明外圓無(wú)心磨削雖然可以降低低次諧波的幅值，但無(wú)法消除高次諧波誤差，仍然存在6次以上的高次諧波無(wú)法控制。因此，針對(duì)存在的高次諧波誤差還需要進(jìn)行外圓超精加工。

圖6 外圓無(wú)心磨削對(duì)表面諧波幅值的影響Fig.6 Influence of external centerless grinding on the amplitude of surface harmonics

2.3.2 外圓超精加工對(duì)諧波誤差的控制

圖7為第三次無(wú)心磨削和外圓超精加工后軸承套圈表面諧波變化。

圖7 軸承套圈表面諧波變化Fig.7 Changes in harmonics on the surface of the bearing ring

從圖7可以看出，第三次外圓無(wú)心磨削后存在大量6次以上的高次諧波。但在經(jīng)過(guò)外圓超精加工后，高次諧波得到消除，此時(shí)對(duì)套圈外圓表面主要影響為6次以下的低次諧波，并且諧波幅值均小于前三次無(wú)心磨削后的諧波幅值。從套圈的外圓圓度來(lái)看，套圈外圓圓度也由第三次無(wú)心磨削后的1.03 μm，下降到外圓超精加工后的0.66 μm。超精加工不僅可以去除套圈表面的高次諧波，還能夠有效的減小軸 承套圈外表面的波紋度，改善圓度誤差。

3 結(jié)論

（1）采用4 次無(wú)心磨削和1 次超精加工的新工藝可以滿(mǎn)足6062 軸承套圈的尺寸精度要求，4 次外圓無(wú)心磨削加工余量由第1 次49 μm 逐次減小至第4次10.2 μm，并且每次外圓無(wú)心磨削后套圈圓度均低于技術(shù)要求。因此合理選擇每次無(wú)心磨削的余量，不僅有助于改善軸承套圈的外圓圓度和外圓直徑，還能縮短工藝流程，減少生產(chǎn)時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。

（2）無(wú)心磨削工藝可以降低軸承套圈表面低次諧波的幅值，改善套圈表面的圓度誤差；經(jīng)外圓超精加工后套圈外圓圓度由1.03 μm 下降到0.66 μm，并且有效降低套圈表面在磨削時(shí)6次以上的高次諧波，從而達(dá)到控制圓度的目的。