双沟一次磨削在风电变桨轴承加工中的应用

2013-07-21阚旭东张宏伟

轴承 2013年10期

阚旭东,张宏伟

(大连冶金轴承股份有限公司,大连 116202)

兆瓦级风力发电机组变桨轴承目前多采用双排四点接触球转盘轴承，为了在有限的轴向空间内增大轴承的承载能力，保证双排四点接触球轴承两沟道的均匀承载是核心。影响变桨轴承两沟道均匀承载的加工因素有：(1)装配时轴承两沟道钢球与沟道过盈量的差值；(2)相互配对的内、外圈沟道回转中心距尺寸公差。过盈量的差值和回转中心距的尺寸公差越小，越能保证变桨轴承两沟道均匀承载。

在高精度数控立式磨床上采用两沟道一次磨削(简称双沟一次磨)的加工方法成功实现了兆瓦级风电机组变桨轴承内、外圈沟道回转中心距在装配时的相互一致。其采用同一金刚石滚轮修整2片砂轮，对内、外圈双沟道进行磨削加工，既保证了内、外圈沟道回转中心距的一致性，也保证了磨削表面的粗糙度要求。但是采用双沟一次磨加工工艺仍存在加工效率低；沟道易出现烧伤；成品装配时为使两沟道摩擦力矩接近一致调整钢球规值次数多等问题。因此，需要对加工中的留量、基准、砂轮选择等工艺参数和加工方法进行合理安排和调整。

1 影响双沟一次磨加工的因素

由于沟道磨削加工表面大，加之在成品装配时，钢球与沟道间为预过盈配合，沟道在加工时出现的微小差异，都会在装配过程中以摩擦力矩的形式反映出来。

1.1 金刚石滚轮

金刚石滚轮对沟形误差、两沟道直径相互差、两沟道回转中心连线垂直度(即一沟道对另一沟道的跳动，因金刚石滚轮无法测量故采用此数据进行间接测量)和金刚石滚轮安装垂直度会产生影响。金刚石滚轮在制造过程中，不可避免地会出现两沟道直径不一致，两沟道回转中心连线存在垂直度误差；四点接触球轴承沟道是由两个相互独立的圆弧沟道构成的桃形沟道，在加工金刚石滚轮两沟道的4个相关圆弧沟道时，圆弧沟道相对位置也不可避免地会出现差异，这些因素会通过修整砂轮影响到加工的轴承沟道。

1.2 套圈的变形

变桨轴承套圈直径尺寸大，但宽度相对较小，需要进行多次热处理，非常容易产生弯曲变形。当进行最后的精加工沟道工序时，由于高精度立式磨床的电磁吸盘平面度非常好，在夹紧吸力的作用下，套圈通过弹性变形将自身弯曲变形暂时消除，当加工完成后，随着夹紧吸力的消失，套圈又恢复自身的弯曲变形，使套圈沟道的压力角与基准端面的角度发生变化，装配时影响启动摩擦力矩。

1.3 工艺基准

加工过程中保证加工基准、测量基准和安装基准的一致性，才能避免轴承的轴向、径向跳动超差。但风电变桨轴承对轴、径向跳动这2个旋转精度指标要求并不高，对测量两沟道过盈量的启动摩擦力矩要求很高，如果仍按照传统习惯安排工艺基准，两个对应装配的沟道由于不是同一个金刚石滚轮沟道修整的砂轮加工出来，在装配时总有一个沟道的游隙不符合要求，使轴承在装配时需反复调整钢球规值以达到两沟道摩擦力矩接近一致。

1.4 沟道位置精度和留量

沟道位置精度指标主要是指两沟间中心距和沟道与加工基准端面的距离。套圈两沟道中心距与金刚石滚轮两沟道中心距的尺寸差越大，所需的磨削留量就越大，则砂轮与沟道瞬间线接触更易引起烧伤。为减少磨削烧伤，采用等沟形留量(车、磨沟形相同，而磨削留量为径向尺寸增加量)进行磨削，此留量方式存在磨削偏差，工艺上常常为避免沟道边缘出现“黑皮”而加大径向留量，使磨加工效率降低。

2 工艺改进措施

为消除影响沟道磨削质量和效率的因素，工艺上可采取多种改进措施。

2.1 提高沟道位置精度并确定合适的留量

磨削沟道时不以产品图纸的两沟道中心距公差为加工尺寸，而以金刚石滚轮两沟道实际中心距为加工尺寸，利用数控立车的加工精度，将两沟道中心距公差严格控制在±0.01 mm范围内。精车沟道后还应精车套圈的加工基准，以消除套圈弯曲变形的影响，提高套圈加工基准平面度；提高沟道距加工基准的位置精度，将沟道位置公差严格控制在±0.01 mm范围内。这样就能够保证套圈沟道单边理想留量为0.15～0.2 mm，即直径方向为0.3～0.4 mm时加工出理想沟道。其测量方法如图1所示[1]。

图1 套圈单沟道位置测量示意图

2.2 机床及金刚石滚轮的调整

正确调整机床以及金刚石滚轮与电磁吸盘支承平面的角度，使金刚石滚轮修整砂轮的两沟道沟心位置在同一条垂直于电磁吸盘支承平面的垂线上，从而保证修整出的两砂轮沟道沟心位置在同一条垂直于加工基准的垂线上，保证套圈两沟道相互差较小。

2.3 合理选择加工基准

由于变桨轴承是负游隙装配，存在预过盈，为使装配中两沟道的差异尽可能小，要求相互对应的内、外圈沟道由同一片在相同修整位置的砂轮加工出来，则内、外圈加工时会出现有一个套圈的加工基准与产品基准不一致的情况。因此，应按照加工位置状态与实际使用位置状态一致的原则编制加工工艺，即外圈加工基准与产品基准一致而内圈加工基准与产品基准不一致，或者内圈加工基准与产品基准一致而外圈加工基准与产品基准不一致。

2.4 合理选择砂轮

由于双沟一次磨的磨削面积大，砂轮的选择直接影响磨削效率。采用普通棕刚玉、白刚玉砂轮进行双沟一次磨不能很好地均衡协调加工效率与磨削烧伤的问题。改进采用混合微晶刚玉磨料的中软系列砂轮(粒度为60#)可以提高加工效率和沟道轮廓度，且消除了磨削烧伤问题，但砂轮成本较高。

2.5 确定合理的成品套圈沟道尺寸公差

变桨轴承采用调整钢球规值来选配轴承的负游隙，由于钢球的加工精度控制很严，不容易提供较大公差带的钢球，需要专门定制。如果轴承沟道的装配公差带过大，势必造成为保证装配合套的钢球组数增加，也就增加了钢球的库存量，加大了生产成本。变桨轴承的装配负游隙为-0.01～-0.035 mm较为合适，因此，确定内圈成品沟道的尺寸公差为+0.01～+0.04 mm，外圈成品沟道的尺寸公差为-0.01～-0.04 mm，合套后在假定钢球为零位公差时能保持产品的过盈量为-0.02 mm。即在不考虑测量精度的前提下，使装配合套的钢球组数量降为-5 μm、-10 μm和-15 μm 3组规值。

2.6 提高测量精度

提高量具的测量精度能有效降低合套的钢球组数，量具精度每提高0.01 mm就会减少4组合套的钢球组数。为消除操作者加工习惯引起的沟形、位置误差；测量时不恰当的测量方法的影响；以及环境和人为因素的影响，避免合套时出现较大误差，同一批合套的内、外圈应由同一个操作者在相同条件下加工并测量。虽然增加了一次换工件的时间，但可以取得较高的合套率，生产效率提高。