薄壁深溝球軸承套圈端面和外徑磨削的難點(diǎn)與改進(jìn)措施

劉兢，杜志國，李江斌，張中元

(1.洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039； 2.河南省高性能軸承技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽471039；3.滾動軸承產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，河南 洛陽 471039)

薄壁軸承外徑與內(nèi)徑尺寸比一般小于1.143，以滿足結(jié)構(gòu)要求，適應(yīng)緊湊化設(shè)計(jì)[1-2]。近年來，高精度薄壁軸承需求量越來越大，應(yīng)用越來越廣泛。根據(jù)不同主機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可采用不同系列的標(biāo)準(zhǔn)或非標(biāo)尺寸薄壁軸承，如Kaydon公司已將其薄壁類軸承系列化，且全部為英制尺寸，軸承橫截面大部分為等截面。薄壁軸承由于套圈壁厚較小，各加工工序中都易造成套圈的變形，特別是套圈端面、外徑面的磨削精度難以保證，因此，以薄壁深溝球軸承為例，分析磨削難點(diǎn)，并提出了具體改進(jìn)措施。

1 薄壁軸承加工難點(diǎn)

薄壁軸承直徑大，套圈徑向壁厚、軸向?qū)挾认鄬^小，鍛造、車加工、熱處理和磨加工的整個(gè)加工過程都要嚴(yán)格控制，以防止套圈圓度、平面度超差，出現(xiàn)橢圓、棱圓以及端面翹曲變形等缺陷。

對各工序采取了不同的應(yīng)對措施：1)在鍛造工序，對于大尺寸和長徑比小的薄壁軸承套圈，采用兩件或兩件以上合鍛的方法生產(chǎn)，粗磨工序后再采用線切割的方法將套圈分離，以降低鍛造工序的加工難度，減小套圈變形和端面加工余量，節(jié)省原材料，提高生產(chǎn)效率。2)車加工工序中，為減小由于車加工應(yīng)力過大而產(chǎn)生變形，采用較大包絡(luò)圓接觸面積且未經(jīng)淬火的鋼制軟爪夾持套圈進(jìn)行粗車；粗車后增加一次附加回火，以消除應(yīng)力；而后軟磨端面，再對套圈進(jìn)行精車。3)熱處理過程中，盡量使用壓模淬火控制變形，對沒有條件壓模淬火時(shí)，且淬火后對外徑變形過大超過工藝要求的套圈，采用全面整形后再進(jìn)行回火的方法加以校正，使其控制在工藝要求范圍內(nèi)。4)選擇合適的磨削設(shè)備、加工方法和磨削工藝參數(shù)，保證套圈的磨削質(zhì)量滿足工藝圖紙要求。

2 實(shí)例分析

以某型薄壁深溝球軸承外圈為例，對套圈端面和外徑面磨削加工出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析。外圈外形尺寸為：φ239 mm×φ232.7 mm×8 mm，外徑與內(nèi)徑比為1.029 1，外圈溝底有效壁厚2.39 mm。套圈材料為G95Cr18，成品軸承公差等級為P4，要求外圈平面度不大于0.020 mm，外徑圓度不大于0.006 mm。為達(dá)到以上要求，粗加工后工藝要求外圈平面度不大于0.020 mm，外徑圓度不大于0.015 mm。

薄壁套圈磨加工采用多次循環(huán)完成，工藝過程中以套圈的端面、外徑面作為加工定位基準(zhǔn)，套圈端面、外徑面加工精度是保證后續(xù)溝道及內(nèi)徑面等表面加工精度的關(guān)鍵。外圈外徑面加工中，粗磨作為熱處理后的首次工序，由于熱處理變形無規(guī)律，需要糾正變形的程度最大，因此是多次循環(huán)過程中加工難度最大的。外圈采用兩件合鍛工藝，熱處理后端面平面度原始值為0.2～0.4 mm，外徑圓度為0.2～0.9 mm。對于淬火后外徑變形過大的套圈，人工整形后要求外徑圓度不大于0.4 mm。如此大的端面翹曲和外徑橢圓其加工難度較大。

2.1 端面平面度的糾正

外圈端面的磨削可以采用多種加工設(shè)備，通常采用M7475B立軸平面磨床和MG7340臥軸高精度平面磨床，即先用M7475B磨床去除60%～70%的留量，再采用MG7340磨床對套圈的兩端面進(jìn)行反復(fù)磨削，但端面平面度控制不太理想，散差大，產(chǎn)品合格率和生產(chǎn)效率較低。

為了解決此問題，改進(jìn)采用多工位往復(fù)式高精度專用無磁雙端面數(shù)控磨床MKD7675。此數(shù)控雙端面磨床可以對套圈兩端面同時(shí)進(jìn)行無磁磨削，套圈在無磁的情況下定位、定心，套圈的翹曲處于自然狀態(tài)，兩片砂輪不斷的磨削糾正套圈端面的翹曲，避免了原機(jī)床使薄壁套圈在反復(fù)充磁、退磁情況下磨削。

MKD7675的磨削主要特點(diǎn)為：

1)砂輪的進(jìn)給、補(bǔ)償采用交流伺服電動機(jī)驅(qū)動滾珠絲杠實(shí)現(xiàn)，進(jìn)給、補(bǔ)償準(zhǔn)確，磨削精度高；

2)砂輪主軸采用恒力重載荷預(yù)緊，主軸軸向剛性好；

3)2個(gè)砂輪主軸部件采用雙“V”形導(dǎo)軌副，支承剛性好，進(jìn)給運(yùn)動靈活，響應(yīng)靈敏度高；

4)砂輪磨損后采用擺臂雙點(diǎn)一次修整的形式，修整擺臂無級調(diào)速，使用和操作方便；

5)砂輪驅(qū)動采用變頻調(diào)速的電動機(jī)，可實(shí)現(xiàn)差速磨削。

但由于外圈寬度僅8 mm，已超出了機(jī)床的加工范圍，因此，對數(shù)控雙端面磨床的進(jìn)料支撐及定位機(jī)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)。進(jìn)料機(jī)構(gòu)在確保機(jī)床剛性的情況下將進(jìn)料支承板厚度減至6 mm，同時(shí)，將磨削中套圈的定位方式由滾動滑輪改由滾動軸承支承定位，降低磨削中套圈的摩擦阻力，使套圈在磨削運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)動平穩(wěn)，避免套圈卡滯引起磨削精度降低。

使用MKD7675磨床的磨削參數(shù)為：砂輪主軸轉(zhuǎn)速768 r/min, 快趨速度3 mm/min,粗磨速度0.06 mm/min,精磨速度0.03 mm/min,光磨時(shí)間1～2 s，粗磨2次、精磨1次。

機(jī)床改進(jìn)前后隨機(jī)抽檢各20件外圈進(jìn)行平面度檢測，結(jié)果見表1。由表可知，多工位數(shù)控雙端面磨床磨削加工套圈端面的平面度可以控制在相應(yīng)的工藝要求范圍內(nèi)，平行差和平面度除個(gè)別零件外均不超過0.02 mm。

表1 機(jī)床改進(jìn)前、后套圈端面平面度檢測結(jié)果

2.2 外徑圓度的糾正

套圈外徑面磨削加工使用3M2125機(jī)床。套圈外徑面磨削時(shí)的磁力大小、零件偏心位置、偏心量及支承角等對套圈外徑的加工精度產(chǎn)生重要影響，是機(jī)床加工調(diào)整中的關(guān)鍵。

2.2.1 電磁無心夾具磁力調(diào)整

磁力的大小依據(jù)經(jīng)驗(yàn)應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)：薄壁軸承套圈零件轉(zhuǎn)動過程中用手輕輕施加阻力，零件停轉(zhuǎn)，手放松后，零件在電磁力的作用下可以平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)。

2.2.2 偏心量調(diào)整

套圈壁薄而外徑加工余量大(理論設(shè)計(jì)余量達(dá)1.2 mm)，加工方式為“支外徑磨外徑”，磨削過程中隨著外徑尺寸不斷減小，偏心量增大，零件與支承面的摩擦增大，容易導(dǎo)致零件表面與支承面間產(chǎn)生劇烈摩擦，引起支承面磨損；同時(shí)偏心發(fā)生位移，嚴(yán)重影響零件加工精度。因此，外圈外徑面磨削必須進(jìn)行二次或多次調(diào)整，減小偏心量，并使其位于第四象限，以保證加工精度。

2.2.3 支點(diǎn)位置調(diào)整

后支承采用浮動支點(diǎn)，以更有利于套圈外徑精度的保證。薄壁套圈外徑面磨削應(yīng)先改善平均外徑變動量VDmp(棱面度)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，改善外徑面棱面度所消耗的加工余量大約是改善外徑面其他精度所消耗加工余量的2～3倍。外徑棱面度越小，加工溝道時(shí)定位誤差越小，復(fù)映到溝道的誤差越小，溝道的圓度值越小，同時(shí)溝道相對外徑的厚度變動量越小。在加工余量為0.2～0.3 mm時(shí)，必須進(jìn)行二次調(diào)整，調(diào)整套圈的偏心量及兩支承的角度，以改善橢圓確保加工精度。

外徑面磨削過程中偏心方位變化如圖1所示，圖中O為磁極中心；O′為零件原始外徑中心；O″為磨削過程中減小的外徑中心；α為工件水平中心線與后支承之間的夾角；β為前、后兩支承之間的夾角；γ為工件旋轉(zhuǎn)方向上磁極和零件中心線與前支承之間的夾角，γ角決定了零件承受徑向支承力的方向。加工中支承角α、兩支承間夾角β對加工精度的影響較大，當(dāng)支承角α≈32°，β≈116°時(shí)，改善棱面度最為明顯；當(dāng)α≈15°，β≈90°時(shí)，改善橢圓最為明顯[3]。

圖1 偏心方位變化示意圖

2.2.4 其他方法

薄壁套圈外徑面磨削受多種因素的影響，實(shí)踐證明，增加外徑面磨削次數(shù)、抬高零件中心高、增大單個(gè)支承的包角、增加浮動支承的柔性、增加進(jìn)給光磨循環(huán)程序等都有助于提高外徑加工精度，需要結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐尋找最優(yōu)組合。

需要特別指出的是，磨削應(yīng)力的存在極易使薄壁套圈發(fā)生橢圓變形，為此在薄壁套圈加工磨削過程中要穿插安排至少3～4次附加回火，以消除磨削應(yīng)力。粗磨時(shí)磨削量較大，產(chǎn)生的磨削應(yīng)力大，粗磨過程中需進(jìn)行一次附加回火；粗磨后再安排一次附加回火；細(xì)磨循環(huán)后增加一次附加回火后進(jìn)行精磨循環(huán)；細(xì)磨循環(huán)中依變形情況決定是否再增加一次附加回火。

2.2.5 加工效果

設(shè)定外圈在3M2125機(jī)床上的磨削參數(shù)為：砂輪主軸轉(zhuǎn)速1 116 r/min, 工件轉(zhuǎn)速80 r/min,粗磨進(jìn)給量0.010～0.015 mm/次，精磨進(jìn)給量0.006～0.010 mm/次,光磨時(shí)間2～3 s，砂輪粗磨每磨2件修1次，精磨每磨5件修1次。經(jīng)過上述對機(jī)床的調(diào)整和2次磨削后，隨機(jī)抽檢20件套圈，外徑單一平面外徑變動量VDsp(圓度)和平均外徑變動量VDmp(棱面度)檢測結(jié)果見表2。

表2 外徑精度檢測結(jié)果

由表可知，在對機(jī)床的調(diào)整和2次磨削后，除1件套圈外徑單一平面外徑變動量VDsp為0.017 mm,未達(dá)到工藝要求，其余套圈VDsp值均不大于0.015 mm,達(dá)到了工藝要求。

2.3 粗磨工藝控制

如前所述，套圈零件原始端面、外徑面精度差，通過在套圈粗磨階段分2次循環(huán)：第1次循環(huán)中套圈端面平面度應(yīng)控制在0.025 mm以下，粗磨外徑面圓度必須控制在0.04 mm以下，然后穩(wěn)定處理后進(jìn)行第2次循環(huán)，使端面的平面度控制在0.02 mm以下，再將外徑面磨削至工藝尺寸，外徑面圓度控制在0.015 mm以下，使粗磨外徑面的精度達(dá)到工藝要求。經(jīng)過以上方法，最終加工出的軸承套圈合格率達(dá)到95%以上。

3 結(jié)束語

針對薄壁軸承深溝球軸承外圈磨削加工中存在的問題，通過改進(jìn)采用MKD7675多工位數(shù)控雙端面磨床磨削套圈端面，以糾正端面平面度超差問題，改進(jìn)后比采用M7475B和MG7340平面磨床組合加工的方法加工精度明顯要高；磨削外徑面時(shí)，采用多次精細(xì)調(diào)整機(jī)床的方法，有效改善了外徑面的圓度，降低了廢品率，滿足了生產(chǎn)需要。

隨著各種特殊結(jié)構(gòu)高精度薄壁軸承需求量的增大，薄壁軸承的加工中還會出現(xiàn)更多難題，尋找更好的加工設(shè)備和方法以及有效的糾正措施，還需要在生產(chǎn)中不斷的探索和改進(jìn)，以進(jìn)一步提高套圈的加工精度和生產(chǎn)效率。