特大凸度量圆柱滚子加工工艺分析

张磊磊，冯振，刘岩，刘友国，李庆

（1.洛阳LYC轴承有限公司，河南 洛阳 471039；2.航空精密轴承国家重点实验室，河南 洛阳 471039）

目前，国内对特大型圆柱滚子加工方法的研究主要包括滚子车加工改进、留量压缩、端面磨削等。文献［1］提出了采用数控机床将外径、倒角及端面一次装夹全部车削完毕的加工方法，同时使用机夹刀片，刀具磨损后只需更换切削刃，大大提高了加工效率；文献［2］为提高某大型圆柱滚子质量，在现有的工艺基础上增加了硬车倒角等工序；文献［3］通过对车制圆柱滚子工艺流程进行深入分析，对工艺留量进行了压缩；文献［4］通过对大型圆柱滚子端面磨削工艺进行改进，有效地提高了滚子基准端面圆跳动的精度。

直素线滚子轴承在运转过程中，滚子两端会出现应力集中，对轴承的承载能力和疲劳寿命产生极不利的影响，为了防止这种现象发生，通常将滚子的直素线修正成有微量凸起的某种特定曲线，即滚子凸度［5］。凸度技术的应用能有效改善滚动接触区的压力分布，减小或消除滚子边缘应力集中，降低温升，有利于形成弹性流体润滑，从而降低轴承的振动和噪声，提高轴承的使用寿命［6］。

1 大凸度圆柱滚子加工难点

圆柱滚子凸度加工多采用超精工艺，目前产品多为小凸度滚子（＜40μm）；针对大凸度（40～80μm）滚子采用多遍超精勉强可以达到产品技术要求，但加工效率低；而对于特大凸度量（＞80 μm）的滚子即使多次超精也很难达到要求。

如某型造船厂配套用特大型轴承的圆柱滚子尺寸为φ56 mm×87 mm，滚子凸度量要求达到100μm（图1）。

图1 滚子产品示意图Fig.1 Diagram of roller product

大凸度滚子的加工难点为：

1）滚子凸度量太大，现有超精设备即使多次超精加工也很难达到产品要求，且加工效率低。

2）滚子精度要求高，如：直径变动量VDwp达到0.0015 mm、直线性LW（＋）达到0.006 mm等。

2 工艺试验

圆柱滚子滚动面传统加工工艺为：软磨滚动面→热处理→粗磨滚动面→细磨滚动面→终磨滚动面→超精滚动面（根据产品精度要求选择是否超精）。对于图1中凸度量要求达到100μm的滚子，采取了3种方案对其进行工艺试验。

2.1 方案1

按传统工艺磨削加工后，进行多次超精。凸度检测结果如图2所示，对滚动面进行多次超精后，凸度量仅能达到72μm，远达不到要求尺寸。

图2 方案1加工后滚子轮廓图Fig.2 Profilogram of roller after processing by scheme 1

2.2 方案2

细磨后采用预磨斜坡→终磨滚动面，但不进行超精。凸度测量结果如图3所示，增加预磨斜坡工序后，凸度能够达到100μm以上，但是滚动面表面粗糙度、直径变动量等指标达不到产品技术要求，且滚动面曲线交界存在尖点，应力集中较严重，不利于滚子的使用寿命。

图3 方案2加工后滚子轮廓图Fig.3 Profilogram of roller after pocessing by scheme 2

2.3 方案3

细磨后预磨斜坡→终磨滚动面→超精滚动面。凸度检测结果如图4所示，凸度可以达到100 μm，而且滚动面表面粗糙度、直径变动量等指标也能达到项目要求，滚动面曲线平滑，交界处应力集中得以改善。

图4 方案3加工后滚子轮廓图Fig.4 Profilogram of roller after pocessing by scheme 3

3 实例验证

方案3中的关键工序是预磨斜坡和超精滚动面。由于传统的磨床无法满足大凸度滚子的磨削加工，故引入高精度数控磨床H3-004（图5）。磨削过程中，采用电磁夹具夹紧滚子，并支承滚子滚动面。利用端面定位，翻转磨削，以保证滚动面两侧弧坡的对称性。然后将砂轮转动至一定角度，利用直线修整器修整完毕后，即可进行磨削。若在加工中测量滚子凸度不合格，可直接微调砂轮角度和进刀量。

图5 预磨斜坡加工示意图Fig.5 Processing diagram of pre-grinding incline

超精时，采用贯穿式超精机3MZ6220（图6），两超精辊同向转动，由于超精辊轴线之间存在一定角度，滚子在自转的同时可轴向移动，进行粗超、半精超和精超加工。

图6 超精滚动面示意图Fig.6 Diagram of superfinishing of rolling surface

加工完成后抽取部分试件进行检测，结果见表1。

表1 试件检测结果Tab.1 Detection result of test piece

由表1可知，采用方案3加工滚子凸度量可以达到100μm以上，同时，直径变动量VDwp达到0.7～1.2μm、圆形偏差ΔCir达到0.8～1μm、滚子端部对轴线的轴向跳动SDw达到4.23～6.0 μm，表面粗糙度等技术指标均能满足产品要求。

4 结束语

通过工艺试验，探索了特大凸度量圆柱滚子加工问题，采用H3-004磨床进行加工，增加预磨斜坡工序，然后进行超精，满足了滚子凸度大于100μm的技术要求，且滚子其他技术指标均能达到技术要求，解决了新产品开发的加工难题。但由于预磨斜坡工序时需进行单件磨削，加工效率不高，还有待进一步改进。