滚动轴承套圈及滚子滚道超精研发展现状

张宏友，吴鸣宇

(大连海洋大学 应用技术学院，辽宁 大连 116300)

滚动轴承套圈及滚子滚道超精研发展现状

张宏友，吴鸣宇

(大连海洋大学 应用技术学院，辽宁 大连 116300)

滚动轴承超精研加工是滚动轴承加工的最后一道工序，其加工方法和加工设备直接决定了滚动轴承的加工成本及品质。从滚动轴承超精研对轴承寿命的影响出发，对油石加工的原理方法及特点进行综述，以期推动滚动轴承超精研加工技术的发展。

滚动轴承；套圈；滚子；超精研

0 引言

滚动轴承广泛应用于工业、农业、交通运输、国防、航空航天等各个领域，而高性能滚动轴承是重大装备及精密装备的核心部件。但是目前我国在高精度轴承的研究方面自主研发能力落后，已经成为严重制约我国装备制造业发展的瓶颈，而高性能滚动轴承的研发离不开超精研。目前超精研加工的方法有电化学机械光整、油石超精研、砂轮超精研等，但技术比较成熟的是油石超精研加工方法，本文主要围绕滚动轴承的超精研加工的工艺及方法进行论述。

1 轴承超精研对轴承性能的影响

超精研加工主要是提高和改善被加工工件表面的微观质量，包括粗糙度、沟形、圆度和金属条纹的走向。表面形貌是表征表面质量的一个重要指标，从目前材料冶炼和机械加工所能达到的水平看，表面经加工后的实际形貌和理想形貌有很大差异。超精研加工是用油石，以低压、快而短促的往复摆动作用于旋转的工件上，在良好的润滑条件下所进行的提高光度、波纹度和几何精度的加工。超精研时，随着轴承表面逐渐被磨平，油石的磨粒也逐渐被磨钝，与轴承的表面接触面积增大，单位压力面积不断降低，润滑油膜逐渐形成，且降低轴承表面的粗糙度。油膜的形成和粗糙度的降低对轴承寿命的增长有着不可或缺的作用。圆柱滚子轴承套圈滚道、滚子工作表面的粗糙度对轴承的寿命影响如表1所示[1]。为提高轴承的性能(包括寿命、可靠性)，除对轴承的材料、设计、制造技术等进行严格的筛选、监控、优化、组合外，在等同工况下，油石超精研加工有着决定性的作用。

超精研加工会改善滚道表面的物理机械性能，由于滚道表面在磨削加工时受到高达750 ℃～1 200 ℃的磨削热影响，使表面层的金属结晶组织被破坏，容易产生拉应力。因此超精研的任务之一就是去除此缺陷层，提高表面的接触疲劳强度，延长使用寿命。

表1 圆柱滚子轴承套圈滚道、滚子工作表面的粗糙度对轴承寿命的影响

2 轴承套圈和滚子油石超精研加工

2.1 国内外超精研发展状况

20世纪90年代以来，轴承的超精研工艺日益成熟，变频技术、PLC等技术的应用更是提高了超精研设备的技术性能[2]。目前在超精研设备方面，主要是对轴承套圈滚道及圆锥滚子的超精机以及磨超自动线方面的研究[3]。国外的轴承工业在20世纪60年代就形成了稳定的套圈磨削和超精研加工工艺流程，即“双端面磨削-无心外圆磨削-滚道切入式磨削-滚道超精研加工”[4]。现代设备主要是向高效率、易调整、数控化和自动化方向发展，这方面的设备主要有日本的数控超精机(SUPERFINA、大阪精机公司)、日本NTN公司及瑞典SKF公司的削磨加工生产线，以及世界第一位的德国索菲娜(sofina)轴承超精机。

国内主要的超精机包括：无锡海博生产的套圈滚道超精机，其最大抛光外径为Φ400 mm；无锡海博的调心滚子超精机，最大滚子外径为Φ70 mm，并可同时抛光多个滚子；河北石家庄亚星生产的滚道超精机，最大抛光尺寸外径为Φ600 mm；还有北京金龙腾飞生产的立式超精机，抛光外径尺寸为Φ100 mm～Φ200 mm。以上这些超精研机床价格都在20多万左右，此类以油石为主的超精研机床主要用于加工超精滚子及套圈滚道， 其效率约为20 min 1件，每天可加工20套～30套。但是对比国外超精研设备，目前国内设备不能实现大尺寸的超精加工，对于外径尺寸Φ600以上的零件，国内主要是通过精磨后装配出厂， 特别是对Φ1 m以上的轴承超精加工，目前国内刚刚起步，还鲜有应用。

对于超精加工后的表面质量，用国内设备超精加工后可达到Ra0.1 μm左右，但用国外设备超精加工可达到Ra0.04 μm，甚至更低，可以看出我国和国外超精研设备和技术均还存在一定的差距。

2.2 油石超精研加工设备及原理

传统的超精研设备是切入式磨床，采用机械压紧式心轴夹具装夹工件，装夹时以工件内径及一端面定位，轴承内圈的内径是轴承安装配合面之一，为满足与主轴轴颈一定的配合要求，内径的各项几何精度要求较高。超精研加工时，工件加工表面受到较大的油石压力，因此在工件内表面往往会产生内径划伤和划痕。

超精研技术中的油石超精研加工工艺是指在良好的润滑条件下，被加工轴承以较低的速度旋转，油石以较低的压力弹性地压在工件滚道研磨表面，并在垂直于工件旋转方向按一定规律作往复振荡运动的一种加工方法，其加工轨迹是正弦曲线，有利于消除油石的形状误差。超精研加工的运动有3种，包括工件的旋转运动、油石的纵向往复进给运动以及油石的振荡运动。油石的振荡频率、振动幅度和工件的速度都会影响其整个加工过程。根据超精研加工的原理，超精研加工过程是从切削作用转化为光整作用的过程，因此在初始阶段需要尽快地切除工件的加工余量，这就需要较强的切削作用；而在光整阶段，主要是降低工件表面的粗糙度，这是需要有较弱的切削作用。超精研加工切削作用的强弱通常用切削角θ来表示，θ角是瞬时切削速度与工件圆周速度的夹角[5]，可以表示为：

(1)

其中：a为油石往复运动范围，mm；f为油石的振荡频率，min-1；D为工件直径，mm;n为工件转速，r/min。

从式(1)中可以看出，油石的振荡频率越高、振荡幅度越大，则切削角越大，因此切削作用增大，效率提高，表面粗糙度值提高。工件的圆周速度越大，切削角越小，切削作用减弱，效率下降，表面粗糙度值降低。因此，要得到好的超精研加工效果，需要在加工的初级阶段尽可能采用较大的油石振幅和振频，较低的工件速度；在光整阶段尽可能采用较小的油石振幅和振频，较高的工件速度来达到最好的超精研加工效果。

2.3 油石及冷却液的影响

在超精研过程中，油石和冷却液起着最主要的作用，一般采用细粒度为W2.8～W28磨料进行超精加工，而且加工到一定阶段需要更换油石，以保证轴承套圈滚道及滚子的修形功能，特别是加工具有指数曲线的滚子时，其油石的磨粒粒度及性能更加重要。图1、图2、图3分别为无锡海博加工Φ400 mm外径的半自动化油石超精机、可同时抛光多个最大外径为Φ70 mm的滚子超精机以及加工尺寸在Φ100 mm～Φ200 mm之间的北京金龙立式超精研机。

图1 无锡海博套圈滚道超精机图2 可同时抛光多个滚子的无锡海博超精机图3 北京金龙立式滚道超精机

油石抛光过程中，需要不断添加抛光液，而理想的冷却液应具有小的表面张力和强的吸附性能，但对于这种旋转加工的方式又是矛盾的，黏性小的冷却液表面张力小，吸附性差，形成的油膜容易挤破；相反黏性大的冷却液表面张力大，吸附性强，但油膜不易形成。所以在主要以煤油和机油为主的冷却液中添加活性物质，如油酸，这些活性物质能增大冷却液的吸附强度，这对改变工件表面的粗糙度是很有利的，而冷却液应选择可以回收、对人体危害小、具有防锈功能以及适当的黏度。

3 结论与展望

由上述可以看出，超精研加工是降低工件表面粗糙度的主要方法，通过超精研加工工艺可以更好地形成润滑油膜，大大提高滚动轴承寿命，特别是可对滚子及套圈滚道圆度进行修形，进而减小滚动轴承套圈滚道的形位公差，是高品质轴承必不可少的最后一道精加工工序，其加工工艺及设备直接影响着轴承工业的最高水平。对于大尺寸滚动轴承套圈滚道的超精研加工及指数曲线滚子的修形加工，我国还与瑞典、德国等发达国家存在着巨大的差距，因此我国应在原有油石加工的基础上，进一步探索其他新的滚动轴承套圈及滚子的超精研加工工艺和设备，使之尽快适应我国高端装备制造业的需求。

[1] 卜炎.实用轴承技术手册[M].北京：机械工业出版社,2004.

[2] 谢守振，裴翠红，段富宜.轴承磨超工艺技术的发展与应用[J].工艺与装备，2005(6)：74-77.

[3] 万鹏.我国超精加工技术进入新阶段[J].机械工程，1989(8)：31-32.

[4] 刘桥方，严枫.我国轴承制造技术的现状及其发展趋势[J].轴承，2005(6)：42-45.

[5] 李悦凤.滚动轴承套圈滚道超精研工艺研究[D].大连：大连理工大学,2007：1-25.

(英文摘要Development of Super-precision Finishing Technique for Ring and Roller of Roll Bearing

ZHANG Hong-you, WU Ming-yu

(College of Applied and Technology, Dalian Ocean University, Dalian 116300, China)

The super-precision finishing is the last step in rolling bearing processing, its processing method and processing equipment has deeply influence on the cost and quality of rolling bearings. This article has reviewed the the principle and characteristics of super-precision finishing, and analyzed the influence of the process parameters and the methods on the bearing life, in order to give a positive role on the super-precision finishing of rolling bearings.

roll bearing; rings; roller; super-presision finishing

1672- 6413(2015)06- 0220- 02

2015- 04- 27；

2015- 09- 22

张宏友(1961-)，男，安徽蒙城人，教授，硕士。

TH133.33

A

辽宁省科学研究一般项目(L2015085)；辽宁省教育科学“十二五”规划2013年重点课题(JG13EA006)；大连市职业技术教育科学研究院2014年重点课题(DZKY2014002)