分步精超角接觸球軸承外圈溝道工藝試驗研究

高新江，趙華東，張 瑞，段玥晨

（1.鄭州大學(xué)機械與動力工程學(xué)院,河南 鄭州 450001；2.河南省智能制造研究院，河南 鄭州 450001 ）

1 引言

在社會快速發(fā)展的過程中，滾動軸承得到了廣泛使用，作為旋轉(zhuǎn)設(shè)備的重要零部件，滾動軸承的質(zhì)量也關(guān)乎整個設(shè)備的運行性能。而軸承溝道表面精度和軸承質(zhì)量存在著直接性的關(guān)聯(lián)，精度越高，軸承的質(zhì)量就越好，使用壽命也更長［1-2］。當前，我國的軸承套圈超精加工精度及效率和國外相比還存在著一定的差距，因此有必要對軸承套圈的超精加工展開更為深入的研究。

軸承套圈超精加工的精度不僅僅取決于機床的穩(wěn)定性和工件的質(zhì)量，還和加工過程中所采用的工藝參數(shù)組合存在著很大的關(guān)聯(lián)。文獻［3］以圓柱滾子為研究對象，探究了幾個關(guān)鍵加工參數(shù)對加工精度的影響，得到了最優(yōu)超精加工方案。文獻［4］以氮化硅陶瓷軸承為研究對象，采用正交試驗法得出了軸承超精加工最優(yōu)方案，通過最優(yōu)加工方案得到的粗糙度值要小于實驗中得到的結(jié)果。文獻［5］采用ELID磨削技術(shù)對軸承表面展開了精磨試驗，通過研究不同導(dǎo)電率對磨削精度的影響而得出較為合理的工藝參數(shù)組合。文獻［6］對超精工藝進行了理論方面的研究。文獻［7］采用田口方法來優(yōu)化各超精加工工藝參數(shù)，通過改變其中一個參數(shù)，其余參數(shù)保持不變來試驗得出各工藝參數(shù)最佳值。縱觀國內(nèi)外研究，基本上都是將軸承套圈的超精加工歸為一個過程來進行研究，很少有單獨針對精超加工部分進行研究的。

軸承套圈溝道在完成了粗超加工工序以后，溝道表面凹凸不平部分基本被去除，精超的主要任務(wù)就是去除精磨工序所遺留下來的表面變質(zhì)層，并對溝道表面進行光磨加工。常規(guī)的一步精超所得到的加工精度不是特別理想，加工效率也有待提升，針對溝道超精加工過程中溝道表面所產(chǎn)生的這種變化，也為了提升軸承精超加工精度及效率，現(xiàn)以角接觸球軸承7006系列外圈為研究對象，將超精加工的精超部分進一步細化成粗精超、精超兩步，采用正交試驗法來優(yōu)化每一步工藝參數(shù)，以期得到更為合理的精超加工方案。

2 試驗條件

2.1 試驗設(shè)備

本試驗采用性能優(yōu)良且加工效率高的3MZ3210A全自動外圈溝道超精機，如圖1所示。擺頭通過振蕩機構(gòu)驅(qū)動，頻率可以根據(jù)生產(chǎn)需要自行調(diào)整，便于加工。該設(shè)備的基本技術(shù)指標，如表1所示。

表1 超精機的基本技術(shù)指標Tab.1 Basic Technical Indicators of Super Precision Machine

圖1 3MZ3210A型超精機及超精機構(gòu)Fig.1 3MZ3210A Super Precision Machineand Super Precision Mechanism

2.2 試驗工件及粗糙度測量儀

本試驗選用7006系列角接觸球軸承，套圈的內(nèi)徑、外徑、端面及溝道均已完成了精磨工序，為了確保試驗的有效性，選取經(jīng)過粗超精加工且溝道表面粗糙度基本接近的軸承外圈進行精超試驗。在完成了軸承溝道的精超加工后，采用三豐S-3000系列粗糙度儀來檢測外圈溝道表面粗糙度，如圖2所示。

圖2 試驗工件與粗糙度儀Fig.2 Test Workpiece and Roughness Meter

該粗糙度檢測儀具備非常優(yōu)良的檢測性能，測量精度高，檢測時間短，很多人為性誤差因素也可以得到有效消除。

3 粗精超加工試驗

3.1 試驗方案設(shè)計

經(jīng)過粗超加工后，外圈溝道表面凸起部分基本被去除，油石和溝道之間的接觸面積也因這些“凸峰”的去除而隨之增大，為了有效提升溝道精超加工精度及效率，選用粒度更高的12000#的CBN 油石來進行精超試驗。

粗精超加工階段，需采用較低的工件轉(zhuǎn)速和較高的油石擺頻來達到快速去除溝道表面變質(zhì)層的目的，此外，油石壓力和超精時間同樣會對軸承超精加工精度產(chǎn)生較大影響［8］，因此在該階段，選取以上四個影響因素作為試驗因子。為了取得理想的試驗效果及提升試驗效率，每一影響因素均選取四個水平并選用正交試驗法，即采用四因素四水平L16（44）正交試驗［9］。角接觸球軸承粗精超正交試驗的因素水平組合，如表2所示。

表2 粗精超試驗因素及水平Tab.2 Factors and Levels of Coarse,Fine and Super Test

3.2 試驗結(jié)果

軸承精超加工主要就是為了降低溝道表面粗糙度，所以考核的試驗結(jié)果也以粗糙度為主，通過試驗得出的結(jié)果，如表3所示。

表正交試驗及試驗結(jié)果Tab.3 Orthogonal Test and Test Results

直觀分析試驗結(jié)果：超精加工主要就是為了降低軸承溝道表面粗糙度，因此粗糙度值越小越好，通過表3中的試驗結(jié)果，可以看到第2組試驗結(jié)果最小，于是直觀最佳試驗方案為A1B2C2D2，即工件轉(zhuǎn)速為3200r/min、油石壓力為0.15MPa、油石擺動頻率為200次/min、超精時間為8s時，得到的粗糙度值最小。

3.3 試驗結(jié)果分析

通過表3 試驗結(jié)果計算粗糙度極差，可得相應(yīng)的極差分析表，如表4所示。

表4 極差分析表Tab.4 Range Analysis Table

基于各因素對試驗結(jié)果影響程度大小，探究可能最優(yōu)加工方案。表4中的K1～K4表示各影響因素在相同水平下的粗精超試驗結(jié)果平均值；R指粗糙度均值的極差，R越大，表明該因素對試驗結(jié)果的影響越大。通過表4可以得知，工件轉(zhuǎn)速的粗糙度極差最大，說明在試驗過程中，工件轉(zhuǎn)速對試驗結(jié)果的影響程度最大，當工件轉(zhuǎn)速取3200r/min時，得到的試驗結(jié)果最小；相比較于工件轉(zhuǎn)速，油石壓力對試驗結(jié)果的影響次之，當油石壓力取0.10MPa時，溝道表面的粗糙度達到最優(yōu)；油石擺動頻率對試驗結(jié)果的影響稍小一些，通過表4中的數(shù)據(jù)可以得知，當油石擺動頻率取300次/min時，得到的試驗結(jié)果最低；對試驗結(jié)果影響最小的因素是超精時間，當超精時間取8s時，試驗結(jié)果最小。各加工參數(shù)取最優(yōu)值，于是可得可能最優(yōu)試驗方案A1B3C4D2。

各加工參數(shù)對粗糙度的影響曲線，如圖3所示。通過圖3可以看到各參數(shù)對溝道表面粗糙度的影響趨勢，取各參數(shù)最優(yōu)值同樣能夠得出可能最優(yōu)試驗方案A1B3C4D2。

圖3 粗精超階段各加工參數(shù)對粗糙度的影響Fig.3 The Influence of Various Processing Parameter on Roughness in the Coarse and Fine Super Stages

3.4 試驗驗證

為了驗證可能最優(yōu)試驗方案的合理性，選取10件經(jīng)過粗超加工且工件表面粗糙度同粗精超試驗前接近的工件，采用可能最優(yōu)方案A1B3C4D2進行粗精超試驗，得到的粗糙度平均值可以達到0.0420μm，小于直觀最佳試驗結(jié)果（0.0432μm），有效驗證了該最優(yōu)加工方案的合理性。

即在粗精超加工階段，采用工件轉(zhuǎn)速3200r/min，油石壓力0.10MPa，油石擺動頻率300次/min，超精時間8s可以得到最佳試驗結(jié)果。

4 精超加工試驗

4.1 試驗方案設(shè)計

軸承在經(jīng)過粗精超加工以后，溝道表面粗糙度得到一定程度的降低，最后一步的精超在降低溝道表面粗糙度的同時，還會通過拋光加工來提升溝道表面的光潔度；不同之處在于，精超加工需要通過較高的工件轉(zhuǎn)動速度及較低的油石擺頻來達到提升溝道表面光潔度的目的［10］。

同粗超精試驗一樣，采用四因素四水平L16（44）正交試驗來對工件展開精超加工試驗，選取16個經(jīng)過最優(yōu)粗精超方案加工且溝道表面粗糙度接近的工件進行精超試驗。正交試驗選取的因素及水平組合，如表5所示。

表5 精超正交試驗因素與水平Tab.5 Factors and Levels of Super Orthogonal Test

4.2 試驗結(jié)果

精超加工雖然以提升溝道表面光潔度為主要目標，但同樣能夠降低溝道表面粗超度，因此從量變角度來看，考核的試驗結(jié)果依然以粗糙度為主；試驗得出的結(jié)果，如表6所示。

表6 精超試驗及結(jié)果Tab.6 Superfine Test and Results

直觀分析試驗結(jié)果：精超加工主要是為了降低溝道表面粗糙度，提升溝道表面光潔度，因此粗糙度值越小越好；根據(jù)表6中的試驗結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)第13組試驗結(jié)果最小，因此直觀最優(yōu)試驗方案為A4B1C4D2，即工件轉(zhuǎn)速為4200r/min、油石壓力為0.08MPa、油石擺動頻率為15次/min、超精時間為5s時，所得出的粗精超加工粗糙度值最小。

4.3 試驗結(jié)果分析

通過表6中的試驗結(jié)果計算極差，可得粗糙度極差，如表7所示。

表7 極差分析表Tab.7 Range Analysis Table

基于各因素影響程度大小，探究可能最優(yōu)加工方案。從表7中的數(shù)據(jù)可以得知，油石壓力的粗糙度極差最大，說明油石壓力對試驗結(jié)果影響最大，當油石壓力取0.08MPa時，試驗結(jié)果最佳；工件轉(zhuǎn)速對軸承溝道粗糙度的影響次之，當工件轉(zhuǎn)速取4000r/min時，溝道表面的粗糙度達到最優(yōu)；油石擺動頻率對試驗結(jié)果的影響稍小一些，當油石擺動頻率取15 次/min 時，試驗結(jié)果達到最佳；超精時間對試驗結(jié)果的影響最小，當超精時間取6s或者是3s時，試驗結(jié)果最小。

根據(jù)上述分析，可以得出可能最優(yōu)精超方案A3B1C4D2或A3B1C4D4。各加工參數(shù)對粗糙度的影響曲線，如圖4所示。通過圖4也可得出可能最優(yōu)方案A3B1C4D2或A3B1C4D4。

圖4 精超階段各加工參數(shù)對粗糙度的影響Fig.4 The Influence of Various Processing Parameters on Roughness in the Fine Super Stage

4.4 精超最優(yōu)試驗方案驗證

為了驗證以上兩種可能最優(yōu)精超試驗方案的合理性，分別選取10件經(jīng)過粗精超加工且工件表面粗糙度同精超試驗前接近的工件進行精超試驗，最后得到的試驗結(jié)果為：采用可能最優(yōu)方案A3B1C4D2得到的粗糙度平均值為0.0306μm，而采用可能最優(yōu)方案A3B1C4D4得到的粗糙度平均值為0.0314μm，雖然采用這兩種可能最優(yōu)試驗方案得到的試驗結(jié)果均小于直觀最佳試驗結(jié)果（0.0318μm）。但無疑采用最優(yōu)試驗方案A3B1C4D2得到的結(jié)果要更加理想一些，因此精超加工最優(yōu)試驗方案為A3B1C4D2。即在精超加工階段，采用工件轉(zhuǎn)速4000r/min，油石壓力0.08MPa，油石擺動頻率15次/min，超精時間5s得到的試驗結(jié)果最佳。

5 分步精超與一步精超對比試驗

常規(guī)的一步精超選用的工件轉(zhuǎn)速為900r/min，油石擺動頻率為650次/min，超精時間為15s，油石壓力為0.08MPa。分別選取十個經(jīng)過粗超精加工且溝道表面粗糙度接近的工件，采用最優(yōu)分步精超加工方案和常規(guī)一步精超加工參數(shù)分別進行加工，基于上面的試驗及檢測設(shè)備進行精超試驗，得出的粗糙度對比結(jié)果，如表8所示。

表8 分步精超和一步精超試驗結(jié)果對比表Tab.8 Comparison of Test Results of Step-by-Step Superfine and One-Step Superfine Super

通過計算可以得知：去除一個不合理結(jié)果0.0557μm，采用分步精超得出的粗糙度平均值為0.0301μm；采用常規(guī)的一步精超試驗得出的粗超度平均值為0.0336μm。

試驗結(jié)果表明，采用分步精超得出的超精加工精度要優(yōu)于常規(guī)的一步精超，而且加工時間要比一步精超少2s，說明分步精超更加高效；試驗結(jié)果充分驗證了該種加工方式的可行性和有效性，是一種更為合理的超精加工方式。

6 結(jié)論

通過采用分步加工的方式對角接觸球軸承外圈溝道表面精超加工部分進行了分步精超，得到以下結(jié)論：

（1）在粗精超加工階段，最優(yōu)試驗方案為工件轉(zhuǎn)速3200r/min，油石壓力0.10MPa，油石擺動頻率300次/min，超精時間8s。（2）在精超加工階段，最優(yōu)試驗方案為工件轉(zhuǎn)速4000r/min，油石壓力0.08MPa，油石擺動頻率15次/min，超精時間5s。（3）采用分步精超加工方式得到的粗糙度平均值0.0301μm，小于常規(guī)一步精超得到的粗糙度平均值0.0336μm，說明分步精超得到的加工精度更高一些；并且分步精超加工時間要少2s，表明分步精超加工效率高于常規(guī)的一步精超。