滚子轴承凸度加工技术的研究进展

2011-04-01高作斌马伟邓效忠

轴承 2011年10期

高作斌，马伟，邓效忠

(1.西北工业大学机电学院，西安 710072；2.河南科技大学机电工程学院，河南洛阳 471003)

在早期的圆柱和圆锥滚子轴承中，滚子与内、外滚道都设计并加工成直素线的圆柱或圆锥面，其之间处于直线接触状态，期望得到均匀的接触应力分布，但这些轴承常常在滚子端部或滚道两侧过早地出现疲劳损坏。理论分析和试验研究均表明，这种接触状态在滚子端部存在边缘效应，造成应力集中，显著影响轴承寿命。为了消除边缘应力集中，提出了对滚子和滚道的直素线进行修形的概念。由于修形后直素线变成中凸的曲线，因此称为凸度曲线，并由此形成了滚子轴承的凸度技术。

凸度技术的产生和发展对滚子轴承性能的提高产生了重大影响，已成为滚子轴承的重要技术。尽管如此，由于凸度问题的复杂性，仍然存在许多难题没有解决。凸度技术主要包括凸度设计、加工和检测技术3个方面。下文阐述滚子轴承凸度加工技术的研究现状，并对今后的研究方向进行展望。

1 凸度加工技术的研究现状

1.1 滚道凸度加工技术

滚道凸度的磨削采用切入式加工，形成凸度的方法是成形法，因此凸度形状精度和凸度量的大小主要取决于砂轮廓形的修整精度。砂轮修整系统的曲线运动精度控制是关键[1-2]，主要涉及精密导轨和精密数控技术。外圈滚道凸度也可以用直廓形的砂轮加工，但凸度形式只能是双曲线型；这种加工方式要求砂轮和套圈的回转轴线不在同一平面，而且两轴线交错角的大小直接影响外滚道凸度的大小。

滚道凸度的超精研加工方式有贯穿式和切入式，形成凸度的基本原理均为使滚道两端积累的超精量大于中部。贯穿式采用比较窄的油石，在高频小幅振荡的同时，沿滚道宽度作全宽度范围的往复运动。油石的往复运动是变速运动，其运动规律决定了油石在滚道宽度各位置超精时间的不同，因而积累的超精量也不同。有时油石小幅振荡的频率也随着油石的加工位置不同而按一定规律变化[3]，使滚道两端的超精量大于中部。因此，凸度形状精度和凸度量的大小主要取决于往复运动规律和振荡频率的变化规律。遗憾的是，并没有公开文献对这一变化规律与凸度之间的定量关系进行报道。切入式采用比滚道宽度略大的异形宽油石。异形油石厚度从两端向中部逐渐变小，所以滚道两端超精量比中部大。异形油石厚度变化规律与凸度之间的定量关系也未见报道。

1.2 滚子凸度加工技术

1.2.1 滚子凸度磨削技术

滚子凸度的磨削一般采用无心贯穿的加工方式，也可以采用切入式加工。无心贯穿的加工方式具有加工效率高的优点，形成凸度曲线的方法是范成法，凸度形状和凸度量取决于滚子的姿态、贯穿轨迹以及砂轮工作面轮廓形状。磨削中，滚子凸度形面一方面与砂轮工作面构成1对共轭曲面，另一方面又与导轮工作面构成1对共轭曲面。按照共轭曲面原理，当滚子的凸度确定以后，在滚子的贯穿轨迹有包络的条件下，确定1种轨迹曲线，就可以确定对应的砂轮工作面轮廓和导轮工作面轮廓。有包络的轨迹曲线不是唯一的，合理选择滚子的贯穿轨迹曲线对凸度的磨削有重要意义，选择时一方面应使共轭的导轮和砂轮工作面尽可能简单，另一方面又有利于滚子贯穿运动的稳定。文献[4]报道了圆弧形凸度磨削中轨迹曲线和对应砂轮及导轮轮廓曲线的设计，而其他凸度曲线的相关内容则未见报道。

无心贯穿磨削后滚子的凸度形状精度和凸度量与磨削和砂轮工作面轮廓形状的修整精度有关，也与滚子贯穿运动的稳定性有关。圆柱滚子凸度磨削砂轮和导轮工作面轮廓均由机床自带修整器修整，难度相对较小，容易实现；而圆锥滚子凸度磨削导轮工作面是复杂的螺旋轮廓，需要专用磨床进行修磨，形状精度控制难度较大，成本较高。

切入式加工形成凸度曲线的方法是成形法，其凸度主要取决于砂轮廓形。这种加工方式效率低但精度高，适合大型精密滚子。

1.2.2 滚子凸度超精研技术

滚子凸度的超精研采用无心贯穿的加工方式，由多种类型的1排油石压在1排滚子上方高频振荡进行研磨，属于多工位加工，有时高达10个工位。滚子在1对旋转导辊的支撑和驱动下，在导辊辊形的引导下，以一定的轨迹和姿态，一边旋转一边从油石下方贯穿通过。从油石进入第1工位到脱离最后一个工位的时间段内，完成1个滚子的超精研过程。

凸度超精研的加工方式虽然与磨削类似，但滚子凸度曲线的成形机理却比磨削复杂得多，这是因为虽然可以把滚子凸度形面和导辊形面看做1对共轭曲面，但考虑到以下因素，很难把滚子凸度形面和油石的工作面看做1对共轭曲面。

(1)油石以一定压力压在滚子上，各工位油石可以相对滚子独立地整体弹性退让或自动补进，不像磨削中砂轮相对滚子有确定的位置。

(2)油石工作面是与滚子形面形状吻合度相当高的凹面，其与滚子的接触可能是分散的多点接触；而磨削中砂轮与滚子的接触是点或线接触。

(3)滚子凸度形成过程伴随着油石工作面的显著磨损变形。对多数滚子超精研加工来说，油石的磨耗率和工件材料的切除率相比，大致在1个数量级，视油石性能和工件材料的不同，油石的磨耗率有时还会大于工件材料的切除率，因此油石工作面磨损变形的速度几乎和滚子凸度成形速度一样快，不可忽视；而在贯穿磨削中，单个滚子从进入磨削到结束磨削的时间段内，砂轮的磨损可以忽略不计。

(4)油石工作面变形过程可能和滚子凸度成形过程有直接的相互影响，这种作用机制是范成法磨削加工中所没有的。由于滚子和油石磨损率接近，滚子凸度在数值上又比较小，一般为2～15 μm，在研磨过程中，滚子和油石之间总体上是凸面对凹面的接触，贴合程度相当高，但凸面与凹面形状始终不会完全吻合，因此滚子凸度形状和油石工作面形状的改变都可能显著影响接触状态；反之，接触状态的改变又会引起滚子和油石表面形状的改变。

文献[5-7]报道了基于经验的超精研工艺参数对凸度的影响，但综合考虑上述复杂因素，还未见到深入研究滚子超精研凸度曲线形成机理的报道。正是由于滚子超精研凸度曲线的形成机理尚未研究清楚，因此，滚子的贯穿运动轨迹的正确选择十分困难，按照共轭曲面原理，这直接影响到超精研导辊辊形的设计(滚子贯穿过程中，滚子形面与导辊形面构成1对共轭曲面)。现有关于导辊辊形设计的研究[8-9]对滚子超精研凸度曲线的形成机理认识不足，因此，工程实际中进行导辊辊形设计时，特别是进行非圆弧凸度滚子超精研导辊的设计时，对经验的依赖性较强。

圆柱滚子凸度超精研导辊是复杂的凸曲面，圆锥滚子凸度超精研导辊是复杂的螺旋曲面，导辊尺寸大，且为高硬度耐磨材料，因此加工难度大。圆锥滚子凸度超精研导辊加工需要专用机床。

2 凸度加工技术的研究展望

综上所述，凸度磨削加工的成形方法和机理都已基本清楚，提高凸度磨削精度的关键主要在于从机床运动精度控制方面提高砂轮和导轮工作面轮廓的修整精度。此外，滚子非圆弧全凸形凸度磨削中，凸度的形成会导致滚子与导轮工作面及刀板之间的接触变成理论上的点接触，降低滚子的支撑稳定性。在磨削力的作用下，滚子贯穿和自转运动的稳定性将下降，从而影响滚子磨削后的凸度形状精度和圆度，因此有必要深入研究凸度磨削中滚子运动的稳定性。

凸度超精研加工的凸度成形机理和规律尚不完全清楚。滚道超精研凸度成形问题相对简单，因为只有1块油石，滚道宽度也十分有限；而滚子超精研凸度成形机理和规律，不但涉及油石与滚子之间细微而复杂的接触状态变化，而且涉及很大的贯穿长度、多工位油石组合和复杂的螺旋或非螺旋曲面，因此有必要进一步深入研究，以实现超精研导辊辊形设计方法的改进和工艺参数的优化。此外，圆柱滚子凸度超精研中，滚子与凸曲面导辊之间始终是点接触，导辊对滚子的支撑稳定性差，在油石压力和振荡研磨摩擦力的作用下，滚子贯穿和自转运动的稳定性下降，从而影响滚子超精研后的凸度形状精度和圆度，因此也有必要进行研究。