NJ系列圆柱滚子轴承双挡边超精工艺改进

高武正，刘旗，奚强

(1.洛阳轴承研究所有限公司，河南 洛阳 471039；2.河南省高性能轴承技术重点实验室，河南 洛阳 471039；3.滚动轴承产业技术创新战略联盟，河南 洛阳 471039)

NJ系列圆柱滚子轴承为内圈单挡边、外圈双挡边结构，主要承受径向载荷和一定的轴向载荷，广泛用作国内高速机车、客车车辆轮对轴承[1]。随着国内轨道交通和高速铁路的发展，带挡边圆柱滚子轴承的轴向承载能力受到重视，对挡边的强度以及滚子端面与套圈挡边的滑动摩擦问题进行了不断优化和改进[2]。其中，轴承挡边的表面质量直接决定挡边的强度以及滚子端面与套圈挡边的滑动摩擦，影响轴承的轴向承载能力，进而影响轴承的高速性能与使用寿命。因此，一般情况下，此类轴承挡边加工中均以超精工艺作为最终工序，以提高挡边的最终表面质量。

1 双挡边超精加工介绍

目前NJ系列圆柱滚子轴承外圈双挡边采用了BS213XL超精机进行加工(图1)。该机床拥有2个挡边超精单元，套圈为立式摆放。2个超精单元拥有共同的通过套圈径向方向的x数控轴和各自独立的平行于套圈轴向的z数控轴，通过x，z数控轴将超精油石送入超精位置；左侧的油石超精下挡边，右侧的油石超精上挡边；气压浮动压在挡边上，通过套圈的旋转以及油石的高频振荡，两者运动叠加实现挡边的超精。可以通过控制超精的时间长短来控制挡边质量，通常此类轴承挡边要求表面粗糙度Ra≤0.1 μm。

图1 NJ系列外圈双挡边超精示意图

2 存在问题及原因分析

2.1 存在问题

实际加工NJ3226X1外圈过程中发现，目测上、下挡边均有靠近滚道侧未超精到或超精程度不够的现象(或称超精不到边)，通过挡边表面粗糙度测试验证，与外观目测一致，内外侧挡边表面粗糙度不同，内侧挡边表面粗糙度值大于外侧，接近磨削状态，表明内侧挡边超精不到边。

2.2 原因分析

根据经验，通常造成挡边内侧出现超精不到边现象的主要原因有：

1)套圈旋转不稳定，导致挡边出现部分超精不到边；

2)油石超精位置设置错误，导致最大振幅处距离滚道的距离大于挡边油沟的尺寸；

3)油石不均匀；

4)油石振荡过程产生的影响。

结合实际情况进一步分析，寻找具体产生问题的原因：

1)目测挡边未超到边现象在圆周上呈均匀分布，因此，排除套圈旋转不稳定因素；

2)通过多次验证，油石最大振幅距滚道距离为0.5 mm，挡边油沟尺寸为R1.5 mm，因此，排除油石超精位置错误的因素；

3)通过多次更换不同批次的油石，均有超精不到边的现象出现，排除油石不均匀的因素。

综上，初步确定超精不到边的原因可能为油石振荡过程产生的影响。

2.3 油石振荡对表面质量的影响

采用图形模拟法(图2、图3)分析挡边与油石的位置，发现不合适的油石形状和振荡幅度是造成挡边未超精到边的主要原因。由于上、下挡边超精单元左右完全对称，仅以一侧挡边为例进行分析，另一侧挡边情况类似。

由于双挡边一起加工，挡边超精单元需要独立上下运动，导致超精时两超精油石分别在水平剖面中心线的两侧，其中下挡边超精时上下限位与挡边位置的水平剖面图以及放大细节图如图2、图3所示。油石在超精过程中叠加的振荡运动沿图示方向幅度为2 mm，油石上限位离滚道为0.5 mm(图3)，由于油石所在的挡边为圆弧形，超精时油石与挡边的接触面积靠近滚道侧小，远离滚道侧大；油石下限位加上振幅距离滚道为2.5 mm，此时油石与挡边大约距离1 mm(未接触)，而且剩余的接触面也是里侧小外侧大，由此可见整个油石振荡过程中，靠近滚道的里侧挡边与油石的接触面积小于外侧的接触面积。在一定的压力下，油石与挡边接触的面积越大所获得的超精表面质量越好，所以，在油石振荡过程中，挡边里外侧与油石的接触面积不同是造成挡边表面里外超精质量不同的主要原因。而且超精时间长短不同，也会使挡边里外侧的超精质量差别更大，在实际生产中也验证了这种情况。

图2 超精中油石与挡边位置示意图

图3 超精中油石上、下极限位与挡边位置示意图

3 解决方案

根据问题产生的原因，通过改变油石的装夹形状以及改变油石的振荡幅度(图4)，使油石振荡过程中油石与挡边的接触面积保持一致，从而保证了挡边里外侧超精质量的一致性。具体做法为：根据加工工件以及油石位于水平剖面中心线的距离，按图示尺寸修整油石装夹后的形状；再根据工件挡边油沟的大小，改变油石的振荡幅值，保证超精过程中油石在上限位、下限位与挡边的接触面积一致。相同的，以此类推，另外一侧挡边位于水平剖面的右侧，根据做图法模拟，修整油石装夹后的形状，保证超精时油石与挡边里外侧的接触一致,从而保证上下两挡边的超精质量。

图4 改进后的油石形状与振幅示意图

4 结束语

经过工艺试验，使用改进后的方案，在圆柱滚子轴承双挡边超精中，没有再出现挡边未超精到边的现象，挡边的超精质量均匀稳定。由于油石需根据图纸手工修磨，未来可设计一套变角度油石夹解决手工修磨问题，以提高效率。