四点接触球轴承沟道超精研方法研究

1 前言 近年来出现了几次因四点接触球轴承沟道剥落引起轴承失效，导致精密机械出现故障的情况，为此进行了失效原因分析，并针对分析结论开展了加工工艺研究。 2 失效的原因 根据产品结构（见图1），四点接触球轴承的沟道形状是由两段圆弧组成的桃形沟道组成，使用四头精研机、3MZ3220等普通精研设备无法完成内、外圈的沟道精研加工，一直采用抛光法去除磨削痕迹，使用毛毡轮与氧化铬配合加工，此方法很好地改善了沟道表面光洁度。 通过分析四点接触球轴承套圈的精研加工工艺，该抛光方法很难改善产品沟形差、磨削变质层、波纹度等技术指标，而磨削变质层是导致轴承沟道表面剥落的主要原因，因此必须通过调整加工工艺，改善沟形差、去除磨削变质层、降低波纹度值和表面粗糙度值。 图1 四点接触球轴承沟形 3 改进的方法 轴承套圈生产中的沟道超精研加工是决定轴承产品精度的关键环节，直接影响轴承的使用寿命和旋转精度。通常的油石超精研普遍采用油石压力恒定、摆动角度恒定的加工方法。针对桃形沟套圈，使用梯伦豪斯超精机，通过控制系统不断调整油石压力和摆动角度，改变定位方式，选用合适的超精磨料，确保超精加工满足工艺要求。精研位置示意图见图2。 3.1 控制方式 梯伦豪斯超精机在系统控制方面应用Siemens可编程控制器，通过伺服系统实现工件在两个工位各三个精研阶段中以不同的速度旋转，油石实现不同的摆动频率，实现各阶段不同的加工要求，即：第一阶段工件高速旋转、油石高频摆动去除磨削变质层；第二阶段工件中速旋转、油石中频摆动提高轴承套圈几何精度；第三阶段工件中速旋转、油石低频摆动降低套圈沟道表面粗糙度值并形成储油纹路。通过伺服系统控制油石摆动角度，进行不对称控制，使沟底方向油石摆角小，沟顶方向油石摆角大（见图3， α＞β），伴随油石压力调节，实现桃形沟的超精研加工。 图2 精研位置示意图 图4 液压定心示意图 图3 油石摆动角度 3.2 定位方式 轴承内圈在支承定位方式上进行了重大改变，通过液压定心实现径向定位（见图4），辅助以压辊作轴向夹紧。液压定心是指压力油通过心轴上的小孔在心轴和轴承套圈之间形成压力油膜，压力油膜支承轴承套圈。此方法从根本上解决了机械接触式支承存在的问题，例如固定式心轴复映轴承内孔缺陷、旋转式心轴复映旋转体缺陷，而液压定心没有了轴承套圈与心轴之间的机械接触，这样轴承套圈与心轴之间就不会产生机械摩擦，因此0.01mm以下的心轴缺陷不会复映到轴承套圈上，保证轴承内圈精研加工质量不受定位精度影响。 3.3 磨料材料 梯伦豪斯超精研机配置的油石品牌是MICROTOOL，和众多欧美磨料品牌一样，MICROTOOL油石的使用针对性较强，特别适合特殊材料、特殊热处理工艺条件下，具有特殊工作表面纹理要求和预定压力要求的轴承超精研加工。国内轴承企业目前大量使用的还有日本油石，对于通用材料轴承套圈的超精研加工来说，改善效果比较明显。 CBN油石已成为油石超精加工的主要磨料，对于国产磨料还是进口磨料的选择，取决于轴承加工工艺及工艺装备的水平，配合合适才能发挥理想的精研效果。 对于四点接触球轴承的内、外沟道超精加工，梯伦豪斯超精研机将整个超精研过程分为粗超和精超二个工位，分别选用不同性能的CBN油石。粗超阶段选用比较锋利的油石磨料，油石压力相对较高，精研切削能力较强，通过粗超的三个精研阶段去除工件表面砂轮花，初步统一尺寸，为精超加工打好基础；精超阶段选用相对钝化的油石磨料，油石压力相对较低，切削能力减弱，抛光作用加强，改善沟形差，降低波纹度值和表面粗糙度值。 4 超精研加工的优点 通过一系列的实验和批量加工验证，超精加工有以下优点。 （1）超精研加工能够有效改善圆形偏差，降低波纹度值，有效去除磨削变质层，降低表面粗糙度值，通过改善圆形偏差，提高轴承的旋转精度，降低轴承使用时的振动和噪音。 （2）超精加工能够在沟道表面形成对轴承使用有益的残余压应力。 （3）超精研加工能够提高轴承承载能力。套圈沟道表面的实际支撑面积经超精加工后有较大增加，为提高整套轴承的承载能力创造了良好的条件。 （4）超精研加工提高了轴承润滑效果。超精研加工后沟道表面形成纹理均匀细腻的交叉网纹，对润滑非常有利，使沟道表面易于存储润滑油，在轴承工作时套圈与钢球接触表面保持一层油膜，从而避免或减小磨损。 （5）超精加工的综合效果反应为轴承工作时减少发热。 5 结束语 该精研方法已经推广到所有内径在10mm以上的四点接触球轴承、三点接触球轴承、各种接触角（60°、40°、25°、15°）球轴承及深沟球轴承的超精研加工中。经过一年半的推广使用效果良好，沟形差、磨削变质层、波纹度和表面粗糙度等技术指标100%满足工艺要求，圆度、波纹度优于工艺要求60%以上。经过事实验证，各类型特殊沟形球轴承完全可以应用油石超精研方法进行加工。 1 前言 近年来出现了几次因四点接触球轴承沟道剥落引起轴承失效，导致精密机械出现故障的情况，为此进行了失效原因分析，并针对分析结论开展了加工工艺研究。 2 失效的原因 根据产品结构（见图1），四点接触球轴承的沟道形状是由两段圆弧组成的桃形沟道组成，使用四头精研机、3MZ3220等普通精研设备无法完成内、外圈的沟道精研加工，一直采用抛光法去除磨削痕迹，使用毛毡轮与氧化铬配合加工，此方法很好地改善了沟道表面光洁度。 通过分析四点接触球轴承套圈的精研加工工艺，该抛光方法很难改善产品沟形差、磨削变质层、波纹度等技术指标，而磨削变质层是导致轴承沟道表面剥落的主要原因，因此必须通过调整加工工艺，改善沟形差、去除磨削变质层、降低波纹度值和表面粗糙度值。 图1 四点接触球轴承沟形 3 改进的方法 轴承套圈生产中的沟道超精研加工是决定轴承产品精度的关键环节，直接影响轴承的使用寿命和旋转精度。通常的油石超精研普遍采用油石压力恒定、摆动角度恒定的加工方法。针对桃形沟套圈，使用梯伦豪斯超精机，通过控制系统不断调整油石压力和摆动角度，改变定位方式，选用合适的超精磨料，确保超精加工满足工艺要求。精研位置示意图见图2。 3.1 控制方式 梯伦豪斯超精机在系统控制方面应用Siemens可编程控制器，通过伺服系统实现工件在两个工位各三个精研阶段中以不同的速度旋转，油石实现不同的摆动频率，实现各阶段不同的加工要求，即：第一阶段工件高速旋转、油石高频摆动去除磨削变质层；第二阶段工件中速旋转、油石中频摆动提高轴承套圈几何精度；第三阶段工件中速旋转、油石低频摆动降低套圈沟道表面粗糙度值并形成储油纹路。通过伺服系统控制油石摆动角度，进行不对称控制，使沟底方向油石摆角小，沟顶方向油石摆角大（见图3， α＞β），伴随油石压力调节，实现桃形沟的超精研加工。 图2 精研位置示意图 图4 液压定心示意图 图3 油石摆动角度 3.2 定位方式 轴承内圈在支承定位方式上进行了重大改变，通过液压定心实现径向定位（见图4），辅助以压辊作轴向夹紧。液压定心是指压力油通过心轴上的小孔在心轴和轴承套圈之间形成压力油膜，压力油膜支承轴承套圈。此方法从根本上解决了机械接触式支承存在的问题，例如固定式心轴复映轴承内孔缺陷、旋转式心轴复映旋转体缺陷，而液压定心没有了轴承套圈与心轴之间的机械接触，这样轴承套圈与心轴之间就不会产生机械摩擦，因此0.01mm以下的心轴缺陷不会复映到轴承套圈上，保证轴承内圈精研加工质量不受定位精度影响。 3.3 磨料材料 梯伦豪斯超精研机配置的油石品牌是MICROTOOL，和众多欧美磨料品牌一样，MICROTOOL油石的使用针对性较强，特别适合特殊材料、特殊热处理工艺条件下，具有特殊工作表面纹理要求和预定压力要求的轴承超精研加工。国内轴承企业目前大量使用的还有日本油石，对于通用材料轴承套圈的超精研加工来说，改善效果比较明显。 CBN油石已成为油石超精加工的主要磨料，对于国产磨料还是进口磨料的选择，取决于轴承加工工艺及工艺装备的水平，配合合适才能发挥理想的精研效果。 对于四点接触球轴承的内、外沟道超精加工，梯伦豪斯超精研机将整个超精研过程分为粗超和精超二个工位，分别选用不同性能的CBN油石。粗超阶段选用比较锋利的油石磨料，油石压力相对较高，精研切削能力较强，通过粗超的三个精研阶段去除工件表面砂轮花，初步统一尺寸，为精超加工打好基础；精超阶段选用相对钝化的油石磨料，油石压力相对较低，切削能力减弱，抛光作用加强，改善沟形差，降低波纹度值和表面粗糙度值。 4 超精研加工的优点 通过一系列的实验和批量加工验证，超精加工有以下优点。 （1）超精研加工能够有效改善圆形偏差，降低波纹度值，有效去除磨削变质层，降低表面粗糙度值，通过改善圆形偏差，提高轴承的旋转精度，降低轴承使用时的振动和噪音。 （2）超精加工能够在沟道表面形成对轴承使用有益的残余压应力。 （3）超精研加工能够提高轴承承载能力。套圈沟道表面的实际支撑面积经超精加工后有较大增加，为提高整套轴承的承载能力创造了良好的条件。 （4）超精研加工提高了轴承润滑效果。超精研加工后沟道表面形成纹理均匀细腻的交叉网纹，对润滑非常有利，使沟道表面易于存储润滑油，在轴承工作时套圈与钢球接触表面保持一层油膜，从而避免或减小磨损。 （5）超精加工的综合效果反应为轴承工作时减少发热。 5 结束语 该精研方法已经推广到所有内径在10mm以上的四点接触球轴承、三点接触球轴承、各种接触角（60°、40°、25°、15°）球轴承及深沟球轴承的超精研加工中。经过一年半的推广使用效果良好，沟形差、磨削变质层、波纹度和表面粗糙度等技术指标100%满足工艺要求，圆度、波纹度优于工艺要求60%以上。经过事实验证，各类型特殊沟形球轴承完全可以应用油石超精研方法进行加工。

文章来源：《石油石化物资采购》 网址: http://www.syshwzcg.cn/qikandaodu/2021/0504/612.html