滾子球基面加工工藝參數(shù)及檢測方法淺析
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摘要：針對滾子球基面加工工藝中磨削參數(shù)、工裝及檢測要點(diǎn)，文章通過理論分析和多維度對比實(shí)踐驗(yàn)證，提出一些改進(jìn)措施和關(guān)鍵點(diǎn)，有效提高效率、穩(wěn)定保證產(chǎn)品質(zhì)量，達(dá)到Ⅰ級滾子要求。
關(guān)鍵詞：滾子；球基面；參數(shù)；Ⅰ級；實(shí)踐
圓柱滾子兩端面、圓錐滾子大端面是基準(zhǔn)端面，其端面微觀形狀一般有直線、對稱斜線、對稱球形三種。三種在不同應(yīng)用工況下均各有優(yōu)勢，但在高端軸承設(shè)計中，越來越多采用滾子球基面和斜擋邊的配合，以減少滑動摩擦、改善潤滑，而滾子球基面的形狀精度（形狀、SR）和位置精度（SDW）決定滾子與套圈斜擋邊的接觸狀態(tài)、自轉(zhuǎn)和繞軸承軸線公轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性[1-2]，球基面曲率半徑、滾子長度的加工數(shù)值一致性，較小的粗糙度值、端跳值，球基面外觀等指標(biāo)是高精度滾子的技術(shù)要求，也直接影響滾子在軸承運(yùn)轉(zhuǎn)中的狀態(tài)，因此，滾子球基面的加工和檢測作為行業(yè)公認(rèn)的難點(diǎn)和痛點(diǎn)，需要進(jìn)一步改進(jìn)和提高，以滿足應(yīng)用。目前，滾子球基面的磨削方法有兩種：筒形砂輪往復(fù)式（范成法）、成形砂輪通過式（成形-軌跡法）。通過式磨削有很大優(yōu)勢，在滾子行業(yè)中應(yīng)用較為普遍，生產(chǎn)效率特別高，缺點(diǎn)是需要針對不同規(guī)格的滾子制造專用隔離盤，定位穩(wěn)定性一般，更適合大批量、普通精度的產(chǎn)品；而往復(fù)式磨削設(shè)備工裝簡單、易于調(diào)整、技術(shù)準(zhǔn)備周期短，具有較強(qiáng)的工藝性能和加工能力，適合高精度（Ⅰ級）、高穩(wěn)定性要求的中小批量滾子。
1往復(fù)式磨削特點(diǎn)及結(jié)構(gòu)分析
部門新引進(jìn)3MZ4250球基面磨床，加工過程中經(jīng)常出現(xiàn)調(diào)整費(fèi)時、基面形狀和數(shù)值不達(dá)標(biāo)、端面跳動不穩(wěn)定（時大時?。┑葐栴}，通過分析機(jī)床結(jié)構(gòu)、加工原理及相關(guān)附件工裝，提出一些改進(jìn)措施。基本工作原理如圖1所示，該機(jī)床采用磁盤驅(qū)動、筒形砂輪范成法磨削基面的方法[3]，特點(diǎn)如下：（1）全自動上下料裝置，屬于強(qiáng)制上料形式，結(jié)構(gòu)緊湊簡單、上料速度快且運(yùn)動可靠。（2）采用步進(jìn)電機(jī)-滾珠絲杠的進(jìn)給傳動鏈，無間隙、精度高；無心裝夾，頂尖對小端面軸向定位，下支承及磁盤對外徑徑向定位，提高定位精度。（3）機(jī)床配有單點(diǎn)主動測量裝置實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，測量接近滾子邊緣某點(diǎn)的高度來控制滾子凸度，可嚴(yán)格控制球基面磨削量和批次滾子長度尺寸分散。（4）筒形砂輪不必專門修整，工件與砂輪磨削進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)之后，在相對磨削中自行修整，正常階段，砂輪損摘要：針對滾子球基面加工工藝中磨削參數(shù)、工裝及檢測要點(diǎn)，文章通過理論分析和多維度對比實(shí)踐驗(yàn)證，提出一些改耗會降低高度，并不改變形狀。（5）磨球基面前先進(jìn)行磨平雙端面，保證端面對外徑的跳動，可減少端面加工余量，提高球基面加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率。滾子軸心與砂輪回轉(zhuǎn)中心在同一平面相交，并各自圍繞自己的軸心線旋轉(zhuǎn)，砂輪進(jìn)給產(chǎn)生磨削后，滾子的基面就獲得了一個球形基面，砂輪軸心線與滾子軸心線的交角α=arcsin（r/R），其中r是筒形砂輪平均半徑，R是滾子球基面所需半徑。工作時，轉(zhuǎn)動砂輪座，按計算出的α角，使砂輪軸線與滾子軸心成一角度，然后，橫向移動砂輪座，將砂輪的平均半徑對準(zhǔn)滾子的回轉(zhuǎn)中心。此時，兩中心線的交點(diǎn)就是球形中心。加工時，雙端面上工序精度（平行差、端跳、批次高度一致性）及端面留量對球基面磨削有很大影響，磨削液、料套和支承等工裝調(diào)整起到關(guān)鍵作用，后續(xù)樣板、測量儀器檢測和分析來進(jìn)行反饋微調(diào)。
2工藝參數(shù)的驗(yàn)證分析及改進(jìn)
2.1磨削液、砂輪驗(yàn)證分析與選擇
隨著軸承專用機(jī)床的改進(jìn)發(fā)展和現(xiàn)代化車間建設(shè)，軸承磨加工基本上采用水基磨削液加集中供液自動循環(huán)系統(tǒng)，而對于球基面機(jī)床，在終驗(yàn)收過程中發(fā)現(xiàn)采用此磨削液達(dá)不到很好的效果。實(shí)踐過程中，針對磨削液、砂輪粒度及厚度進(jìn)行反復(fù)組合試驗(yàn)，結(jié)果見表1。對于Ⅰ級滾子而言，球基面粗糙度數(shù)值要求為Ra0.08以下，數(shù)值越小越好。結(jié)合表1，采用厚度不同的砂輪（單邊5mm、10mm）實(shí)踐驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)：10mm厚度砂輪在磨削過程中不脫落，存在明顯的燒傷問題；5mm厚度砂輪在磨削過程中脫落良好，進(jìn)刀0.08mm，大致可以脫落0.010～0.015mm。最終確定機(jī)床磨削條件：筒形砂輪N90×80×32，WA320K（240J）35，獨(dú)立循環(huán)NaNO2磨削液。
2.2下支承塊結(jié)構(gòu)改進(jìn)
機(jī)床前后下支承塊對滾子外徑無心定位，加工過程中上料筒配合磁盤、支承對滾子位置定位，引導(dǎo)滾子和防止?jié)L子在磨削時跳動，影響外徑與磁盤接觸狀態(tài)及磨削過程中的穩(wěn)定一致性，機(jī)床自帶支承塊結(jié)構(gòu)如圖2。支承塊合金端面為平面時，滾子外徑只依靠磁力吸附在磁盤上進(jìn)行轉(zhuǎn)動，磨加工時，有時會出現(xiàn)接觸不完全，加工出來的端跳值偏大，借鑒貫穿式無心磨托板傾斜角與導(dǎo)輪的配合，對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，見圖3。改進(jìn)結(jié)構(gòu)是將端面在磁盤方向傾斜一定角度β，β值越大，滾子與磁盤之間的作用力增大，磁盤驅(qū)動滾子均勻旋轉(zhuǎn)，減小滾子前進(jìn)時阻力并增加滾子運(yùn)動的平穩(wěn)性。β值過大時，滾子中心高度會低于下支承端面，不利于調(diào)整，依據(jù)滾子直徑和高度，一般取值30°～45°。
2.3端跳、曲率半徑的調(diào)整要點(diǎn)分析
根據(jù)前面的加工原理分析可得，影響滾子加工后的端面跳動和曲率半徑的主要因素是滾子自身的中心線、砂輪中心線、砂輪軸旋轉(zhuǎn)的中心線的相對位置和夾角，主要存在以下幾種情形：（1）滾子中心線與砂輪中心線不在水平面上相交，而在其他平面相交；（2）滾子中心線與砂輪中心線不在水平面上相交，也不在其他平面相交；（3）砂輪中心線與砂輪軸中心線不同心。其中（1）磨削后的滾子端面是球面，（2）磨削后的滾子端面不是球面，（3）磨削后的滾子無法形成穩(wěn)定的曲率半徑。此外，滾子球基面加工工序前滾子的圓度、直線度和兩端面平行差，會影響其與磁盤、支承塊、后支撐的接觸狀態(tài)，從而影響加工后滾子的尺寸和形位公差一致性。因此，在調(diào)整過程中，首先保證滾子進(jìn)入該工序前的精度要達(dá)到一定要求，其次，保證磁盤、支承塊與滾子接觸充分且相對穩(wěn)定，滾子球基面磨床的砂輪進(jìn)給中心線必須和砂輪中心線保持一致，若不一致，由于砂輪中心線在磨削過程中和砂輪磨損后補(bǔ)償時軸線的軌跡是一組平行線，磨削狀態(tài)不能相對穩(wěn)定，滾子表面外觀會發(fā)生變化。最后，在各工裝調(diào)整到位、砂輪修整完畢后，磁盤上磁但不旋轉(zhuǎn)，滾子放置到工作位置，砂輪軸向前進(jìn)給，使旋轉(zhuǎn)的砂輪與靜止的工件少許接觸，然后立即退刀，觀看滾子端面相對中心的兩邊磨痕狀態(tài)，如果是雙邊對稱磨削，則表明調(diào)整狀態(tài)是合適的，如果是單邊磨削，需要進(jìn)一步調(diào)整。
3檢測問題分析及改進(jìn)
球基面加工工序存在的相關(guān)檢測問題主要有以下幾點(diǎn)：（1）球基面形狀、曲率半徑SR數(shù)值準(zhǔn)確性；（2）高度尺寸檢測的準(zhǔn)確一致性；（3）球基面圓周方向存在不可避免的劃痕；（4）端跳測量時對外徑及球基面外觀的破壞。
3.1檢測準(zhǔn)確性、一致性
球基面形狀、曲率半徑SR數(shù)值通常使用曲率樣板光隙法，用標(biāo)準(zhǔn)曲率樣板（圖紙要求的上下半徑公差）貼合在過滾子軸心線的端面位置上，以透光法來觀察磨削后的球基面與樣板的吻合程度，當(dāng)使用曲率樣板對磨削以后的滾子基面進(jìn)行嚴(yán)格透光檢查時，有時會發(fā)現(xiàn)某臺磨床磨出來的滾子不合格，產(chǎn)生所謂“三點(diǎn)”或“四點(diǎn)”，調(diào)整砂輪軸線時應(yīng)仔細(xì)觀察球基面的表面加工紋路，兩軸心線相交時應(yīng)為交叉網(wǎng)狀紋路，出現(xiàn)放射狀紋路說明兩軸心線沒有相交。該測量方法適合于SR數(shù)值范圍較寬時，不過受人為經(jīng)驗(yàn)影響較大。對于高精度滾子，SR數(shù)值范圍較小，必須采用精密測量儀器，利用專用工裝進(jìn)行中心定位和專用球基面分析模塊（如圖4所示），分析可得準(zhǔn)確數(shù)值及形狀[4]。由于球基面的存在，測量高度時兩端面不同心，定位誤差較大且會導(dǎo)致測量過程不穩(wěn)定。對于圓錐滾子，長度公差帶一般較寬，可以小端面定位，在G903等高度儀器上進(jìn)行常規(guī)測量，對于高度數(shù)值范圍要求較小時，小端面平面度/平行差等精度較低會導(dǎo)致此方法不可行；對于圓柱滾子，兩端面均為球基面且高度公差較小，常規(guī)方法不可行。解決方法：可利用端跳儀器進(jìn)行測量，調(diào)整表尖測量點(diǎn)與定位支撐點(diǎn)在同一圓周上，以計量合格的高度標(biāo)準(zhǔn)件對表，進(jìn)行比較測量，如圖5所示，由于兩端測量點(diǎn)在同一直線上，且與滾子軸線在同一平面內(nèi)或平行于滾子軸心線，測量精度較高。
3.2外觀問題
球基面加工過程中由于后支撐點(diǎn)定位的方式，不可避免的會在端面圓周上出現(xiàn)劃痕。圓錐滾子存在于小端面，不影響實(shí)際應(yīng)用，一般是可以接受的，而對于圓柱滾子，兩端面均為工作面，一面在加工完成后必然會存在劃痕現(xiàn)象，結(jié)合加工工藝和設(shè)計上的實(shí)際應(yīng)用，解決方法：（1）設(shè)計上依據(jù)滾子與擋邊理論接觸關(guān)系的計算來確定應(yīng)用直徑范圍，工藝上調(diào)整后確定支撐點(diǎn)位置，保證加工精度的前提下將劃痕避開應(yīng)用區(qū)域，盡可能的靠近倒角或者凹穴邊緣；（2）調(diào)整支撐部位的硬質(zhì)合金為陶瓷等材料，避免鋼與鋼的相對磨損；（3）對于外觀要求特別嚴(yán)格的圓錐/圓柱滾子，可以增加光飾工序，可有效消除劃痕并改善球基面粗糙度及應(yīng)用狀態(tài)。端跳測量過程中產(chǎn)生的劃傷，主要是端面后定位接觸球基面和V形塊反復(fù)接觸外徑面造成的，雖然球基面為端面的終磨工序，外徑后工序還有精磨和超精，但在后期終檢分組也需要按比例抽檢端跳，問題同樣存在。解決方法為：后定位的合金點(diǎn)支撐改為陶瓷塊平面支撐，V形塊表面粘貼厚度均勻的橡膠皮墊，表尖由傳統(tǒng)的硬質(zhì)合金改為紅寶石，三者疊加使用并經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證非常有效。
4改進(jìn)前后數(shù)據(jù)對比
隨機(jī)抽取10粒滾子，同一臺機(jī)床上同一操作者分別使用常規(guī)方式和遵循改進(jìn)注意要點(diǎn)的方式對滾子球基面進(jìn)行加工，使用同樣的儀器、標(biāo)準(zhǔn)件對前后的產(chǎn)品進(jìn)行檢測，數(shù)據(jù)見表2。通過表中數(shù)據(jù)可以看出，使用常規(guī)方法加工的產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，部分?jǐn)?shù)據(jù)不滿足技術(shù)要求，外觀不合格；注意改進(jìn)要點(diǎn)而加工的產(chǎn)品尺寸、端跳、曲率半徑、粗糙度和外觀均滿足產(chǎn)品要求，且一致性較好。
5結(jié)束語
滾子形狀雖然簡單，但要控制的檢測項目繁多，其中滾動面形狀及數(shù)值、球基面及非工作表面質(zhì)量是技術(shù)難點(diǎn)。尤其是滾子加工絕大多數(shù)是批量化生產(chǎn)，想要穩(wěn)定制造出高質(zhì)量、高精度的滾子，除了目前具備的一些先進(jìn)加工設(shè)備和檢測儀器外，各種外觀問題層出不窮，本文僅以球基面為例說明，其他工序的很多細(xì)節(jié)也需要注意，特別是支撐點(diǎn)、測量接觸點(diǎn)/面、轉(zhuǎn)運(yùn)/存儲等需要重點(diǎn)關(guān)注，才能保證產(chǎn)品的整體質(zhì)量。
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作者:劉旗 郭培銳 高武正 單位:洛陽軸承研究所有限公司