特大型圆柱、圆锥滚子凸度磨加工工艺分析

林国福，石永，徐占华，朱战旗

(洛阳LYC轴承有限公司 特大型轴承事业部，河南 洛阳 471039)

1 概述

滚子滚动面素线凸度设计可以减小滚子的边缘效应，提高轴承使用寿命和承载能力[1]。传统的圆柱、圆锥滚子滚动面凸度多采用超精加工[2]，需使用形状一致、带凹度的超精滚轮。对于直径40 mm以上的特大型圆柱、圆锥滚子，由于滚子尺寸种类多、批量小，需定制带凹度的专用超精滚轮，费用较高。

目前加工的特大型圆柱、圆锥滚子多为中间直素线+两端斜坡修形，如图1所示(Lw为滚子长度；Le为滚子两端斜坡长度；he为滚子两端斜坡深度),主要分2道工序加工：先加工中间直素线部分，再进行两端斜坡的修形。由于斜坡直线与中间直素线无法圆滑过渡而出现尖棱，易导致滚子滚动面直素线和斜坡相交处出现剥落(图2)，造成轴承早期失效。

图1 滚子直素线轮廓

图2 滚子边缘效应失效图

2 特大型圆柱、圆锥滚子凸度形状

圆柱、圆锥滚子根据素线的形状可以分为直线型、圆弧修缘型和对数曲线型，其接触疲劳寿命比约为1︰1.6︰2。直素线滚子轮廓为一条直线；圆弧修缘型滚子的素线为圆弧型；对数曲线滚子的素线由中部向两侧均为对称的对数曲线，即中部微微凸起，向两侧缓慢减小，两端与两倒角圆弧光滑过渡。

对数曲线滚子加工较为困难，根据产品设计要求，将滚子直素线和两端斜坡拟合成三段圆弧相切，滚子轮廓类似于对数型滚子，如图3所示。图中，滚子中间圆弧凸度量Δh为滚子的直线度(Lw(+))要求的最大值，当已知滚子长度Lw、滚子两端斜坡长度Le、滚子中间圆弧凸度量Δh和滚子两端斜坡深度he，可以计算出滚子素线圆弧半径Rw和滚子两端圆弧半径Re。

图3 三段圆弧素线滚子

三段圆弧相切的滚子形状，两端圆弧斜边与中间圆弧相切，其交界处圆滑过渡，接触应力分布均匀。

3 砂轮修整

3.1 修整程序

为实现三段圆弧凸度滚子的加工，需将磨削砂轮修整为相应凹度，采用切入磨方式进行磨削，因此选用了数控磨床3MZ40100CNC。该机床磨削滚子直径范围为40～100 mm；具有自动上下料装置，使用磁极和支承装卡滚子，砂轮轴可进行自动控制；控制系统采用高精度全数字交流伺服SINUMERIK 802Dsl系统[3]，允许用户自主编程。根据砂轮圆弧修整的要求，修整砂轮的程序为

G00 G55 G94 G90 Z0.0

G01 Z-1.0 F500

G1 G55 F500

程序初始化

G1 G55 X=R250 Z=R251 F=R90*3

修整起点

G02 X=R252 Z=R253 CR=R57 F=R90

一段圆弧Re的修整

G02 X=R254 Z=R255 CR=R58 F=R90

中间段圆弧Rw的修整

G02 X=R256 Z=R257 CR=R57 F=R90

另一段圆弧Re的修整

G1 G55 Z=R258 F=R90*3

程序结束

砂轮对应的参数坐标如图4所示，其中，(R250，R251)为第1段圆弧的起点坐标，(R252，R253)为第1段圆弧的终点坐标，也是第2段圆弧的起点坐标，R57为第1段圆弧的半径；(R254，R255)为第2段圆弧的终点坐标，也是第3段圆弧的起点坐标，R58为第2段圆弧的半径；(R256，R257)为第3段圆弧的起点坐标，R57为第3段圆弧的半径。

图4 砂轮的参数坐标

3.2 修整坐标参数和圆弧半径

根据三段圆弧凸度滚子的曲线形状，将图3中的曲线放至如图5所示的xOz坐标系中，相切点在坐标中是固定的点，各参数对应相切点坐标为：R250=-Lw/2，R251=-(Δh+he)，R252=-(Lw/2-Le)，R253=-Δh，R57=Re，R254=(Lw/2-Le)，R255=-Δh，R58=Rw，R256=Lw/2，R257=-(Δh+he)。

图5 砂轮修整坐标参数

待加工特大型圆柱、圆锥滚子的素线圆弧半径Rw和两端圆弧半径Re计算公式为

(1)

。(2)

4 工艺验证

以特大型圆锥滚子进行验证，滚子直径Dw=70 mm,长度Lw=69.5 mm，斜边圆弧长度Le=7 mm，斜边圆弧深度he=0.06 mm，滚动面直线度Lw(+)要求为0.002 mm，即滚子中间圆弧的凸度Δh=0.002 mm，如图6所示。

图6 圆锥滚子产品图

由圆锥滚子长度选择砂轮宽度为100 mm，根据已知和选定参数建立如图5所示的坐标系，以坐标系中O点为砂轮对刀零点。计算各坐标参数和圆弧半径，输入3MZ40100CNC磨床修整砂轮程序中，调整机床，修整砂轮；然后使用修整好的砂轮磨削特大型圆锥滚子；采用专用轮廓仪检测，得到滚子轮廓曲线如图7所示。图中，x轴放大倍数为2.4，y轴放大倍数为500，在测量长度为66.686 mm的检测长度内，滚子的凸度值为51.719 μm，检测的轮廓曲线为三段圆弧相切连接，达到了凸度滚子的设计要求。

图7 滚子素线轮廓曲线

5 结束语

使用数控全自动磨床3MZ40100CNC修整三段圆弧相切的曲面砂轮，然后磨加工直径40 mm以上特大型圆柱、圆锥滚子，经过实际加工证明，此加工方法能够将滚子的圆弧滚动面和圆弧斜边一次加工完成，能够实现滚动面素线凸度的定量控制，实现了特大型圆柱、圆锥滚子圆弧滚动面与圆弧斜边的相切圆滑过渡，提升了产品质量。