轴承套圈滚道以磨代研磨床的设计开发

关佳亮 张振高 代子鹏 潘艳杰 杜三明 张 镝

(①北京工业大学先进制造技术北京市重点实验室，北京100124;②河南科技大学高端轴承摩擦学技术与应用国家地方联合工程实验室，河南 洛阳 471000;③洛阳铁木肯轴承有限公司，河南 洛阳 471003)

轴承是重要的支承件，对于高精密的机械装备来说，需要轴承具有高的回转运动精度和表面质量以保证设备的正常工作[1]。轴承套圈作为轴承的主要组成部分，套圈滚道的加工表面精度和质量严重影响着轴承的润滑性能和使用寿命。但我国传统工艺装备加工生产的轴承套圈滚道精度和一致性难以满足高端轴承使用要求，且加工效率低，生产成本高[2]。因此，轴承行业急需开发一种解决当前轴承套圈滚道加工精度、效率和一致性的瓶颈难题的数字化专用机床。

1 轴承套圈滚道ELID成型磨削加工的可行性分析

传统轴承套圈加工工艺过程如下图1所示，轴承套圈滚道的加工采用陶瓷结合剂砂轮精密成型磨削和油石超精密磨削两道工序完成。被加工轴承套圈滚道表面存在烧伤现象、压应力值低，且加工过程中磨具损耗大、易堵塞(需金刚石滚轮对砂轮进行离位修整)等问题[3]。此外，工序递进需更换加工装备也降低了加工效率、提升了加工成本。工件离位装夹产生累积误差，轴承套圈滚道精度和品质一致性难以保证。

ELID成型磨削技术又称为金属结合剂砂轮在线电解修锐技术，所用铁基砂轮形状保持性好。在线修锐可使砂轮在磨削过程始终保持锋利的出刃高度，产生的磨削力和磨削热小，能获得高精度和高压应力值的已加工表面，实现以磨代研精密成型磨削加工[4-5]。磨削过程中砂轮磨削表面由于电解修锐和磨损产生轮廓偏差，可通过电火花加工技术对专用铁基砂轮在位精密修形得以消除[6-7]，使砂轮能够在ELID成型磨削过程中长期保持可靠的轮廓精度，提高加工品质一致性。因此，ELID成型磨削技术能满足轴承套圈滚道精密加工对套圈轮廓尺寸精度、表面质量和品质一致性的高要求。

笔者团队基于已开发的轴承套圈滚道ELID成型磨削加工工艺，将ELID成型磨削技术和砂轮电火花修形技术有机集成后，设计开发出了轴承套圈滚道以磨代研磨床，通过一次装夹，在位修形、在线修锐完成对轴承套圈滚道的加工。

2 设计要求

(1)以端面磨后的轴承套圈端面为基准，一次装夹完成轴承套圈滚道的ELID精密成型磨削加工，提高加工效率和一致性。

(2)达到高端轴承套圈滚道批量加工要求(被加工轴承套圈滚道尺寸公差≤±0.002 mm、表面粗糙度Ra≤0.02 μm)。

3 磨床总体方案设计

3.1 机床的动作要求

为实现对轴承套圈滚道的精准递进精密磨削加工过程，机床启动后应当实现以下工艺加工动作：

(1)开启机床，对装夹平面和修形工具电极轮廓进行修整。

(2)砂轮电火花修形系统进给，对ELID精密和超精密成型磨削用铁基砂轮进行精密电火花修形。

(3)工件装夹系统进给至上下料平台处，工件上料。同时ELID精密成形磨削系统进行砂轮预修锐。

(4)工件装夹系统进给先后进行轴承套圈滚道的精密和超精密成型磨削加工

(5)检测加工产品合格后下料，循环往复，直至达到系统设定的加工数量。

3.2 磨床总体方案设计

以轴承套圈滚道ELID磨削加工工艺的动作要求和系统化多主轴数控组合机床的设计理念为指导进行结构设计。机床示意图如图2所示，机床由ELID成型磨削系统、砂轮电火花修形系统、电磁装夹系统和端面修整系统等组成。

具体结构方案为：机床框架采用卧式结构，上下料系统采用yz向机械抓手，安装在机床左侧。工件装夹系统和砂轮电火花修形系统安装在两y向移动平台上，ELID成形磨削系统、端面修整系统、检测系统固定在前侧工作台上，由左到右依次排列，其余系统排布在床身四周。

4 磨床关键系统的设计开发

4.1 ELID成型磨削系统的设计开发

ELID成型磨削系统分为精密和超精密加工两个模块，主要完成对轴承套圈滚道精密和超精密成型磨削加工。结构如图3所示，主要由高速电主轴、铁基金刚石砂轮和修锐电极组成。基于团队完成的轴承套圈滚道ELID磨削工艺试验，精密磨削加工模块选用粒度为240#的砂轮，保证工件的尺寸精度；超精密磨削模块选用粒度为W10的砂轮，保证工件的表面粗糙度。系统中砂轮作阳极，与砂轮磨削表面拟合的修锐电极作阴极，ELID专用电源接通后，在电极与砂轮之间喷洒电解磨削液，使电极、砂轮、磨削液形成导电闭合回路，对砂轮进行连续电解修锐。同时数控系统控制电磁装夹系统微量进给，完成对轴承套圈滚道的ELID精密和超精密磨削加工。

系统通过调整磨削工艺参数和电参数控制砂轮结合剂的电解修锐速度，使砂轮磨粒在磨削过程中始终具有良好的等高性和锋利性。磨削过程中在电极表面产生的钝化膜既能抑制砂轮的过度损耗，又可对工件已加工表面进行镜面研抛加工，提高工件表面光洁度。系统通过检测磨削时砂轮与电极间电解电流的变化控制电极与砂轮表面间的间隙始终保持在0.3～0.6 mm的理想电解间隙，使电解修锐电极与砂轮加工表面之间始终保持最佳的修锐效果。

4.2 砂轮电火花精密修形系统的设计开发

砂轮电火花精密修形系统主要包括修形工具电极和修形电极修整装置组成。电火花修形工具电极选取导电性好且易加工的紫铜材料，形状设计成与ELID磨削金属结合剂砂轮加工表面相吻合的弧形工具电极，如图4所示。工具电极与砂轮轴线保持同一高度，通过磨床数控系统实现工具电极与被修形砂轮间微米级进给，保证工具电极形状能够精准的复制到砂轮轮廓上。

系统中工具电极经电刷与电火花加工电源正极相连，砂轮与电火花加工电源负极相连，当ELID磨削用铁基砂轮表面轮廓精度下降时，电火花修形系统进给至与砂轮加工间隙约为10～100 μm，在两极间喷洒电火花加工介质，电源接通，通过砂轮与修整电极之间的脉冲性火花放电蚀除，完成对ELID磨削砂轮的精密电火花修形。

修形电极修整装置位于电火花系统主轴左侧，主要包括刀架和把持在固定刀架上的金刚石车刀，可通过松紧刀架上螺栓微调金刚石车刀的加工偏角。如图5所示，通过数控系统控制砂轮电火花修形系统进行X、Y轴的合成曲线进给，实现对工具电极轮廓的数控车削加工，使工具电极的轮廓精度达到对金属结合剂砂轮精密电火花修形的轮廓要求(尺寸公差小于2 μm)。

4.3 工件装夹系统及端面修整系统的设计开发

工件装夹系统如图6所示，使用电磁吸盘装夹，用左侧和底端两个定位块锁定工件位置，使被加工件定位基准准确，通过电磁吸盘通电上磁使工件被夹紧。电磁吸盘端面出现毛刺时，采用端面修整系统中的树脂刚玉砂轮对电磁吸盘装夹面进行修整，保证装夹基准面平面度。在电磁吸盘装置一侧装有刚玉砂轮端面修整金刚石笔，对刚玉砂轮进行端面修整，保证端面平面度。

5 磨床基础模块的配套设计

5.1 平台进给系统的搭建

平台进给系统主要包括两个X、Y向进给的移动平台，如下图7所示。平台间采用日本THK滚珠丝杠和低载免润滑导轨，电磁装夹系统、砂轮电火花修形系统固定在两X向进给的移动平台上。X、Y轴上安装0.1 μm的德国高精度光栅，跟踪反馈工作台位移位置和运动速度。

5.2 控制系统

试验机CNC控制系统采用了美国GALIL公司的DMC4080运动控制板，连接3台伺服电机、1台异步主轴伺服电机、二路在线检测单元。DMC-4040运动控制器驱动砂轮主轴变速回转，带动砂轮按照磨削工艺速度实时调整完成磨削；通过DMC-4040中的多路输入输出接口，完成对外围量器件的控制以及自动上下料等信号的读取和控制。

5.3 检测系统和过滤系统

本设计中机床预期检测系统包括工件精度检测装置和修形工具电极轮廓检测装置，将加工过程中产生的精度问题反馈至控制系统进行调节。自主研发的过滤系统包括电磁吸附、物理沉淀、化学沉淀以及浓度调节四级装置，保证磨削液始终保持弱碱性的最佳电解浓度。机床主要参数如表1所示。

表1 机床主要参数

6 轴承套圈滚道磨削加工过程

机床实现的主要加工工艺过程为一次装夹-单工序-多工位的自动化加工，包括工件上下料、ELID精密成型磨削、ELID超精密成型磨削、砂轮电火花修形以及在位检测5个工位。辅助预加工包括电火花修形用工具电极的修整以及工件装夹端面的修整。机床加工流程图如图8所示。

7 磨床性能检验

北京工业大学ELID磨削团队联合河南科技大学、洛阳铁木肯轴承有限公司基于本设计开发了试验机,实现了轴承套圈滚道以磨代研ELID磨削加工工艺过程，如图9所示。

利用试验机对GCr15钢6310-2RZ/02型号轴承套圈内圈外滚道进行了小批量(30件)以磨代研ELID成型磨削加工实验。实验结果如下：轴承内圈外滚道尺寸圆跳动偏差在1.5 μm以内，表面粗糙度Ra12～17 nm，散差在2 μm以内，加工效率约为每件40～50 s,表面压应力值约为750 MPa。

表明，与传统加工工艺(尺寸圆跳动偏差约2 μm，表面粗糙度Ra20 nm左右，效率很低，需两道工序完成加工，喷丸前压应力值约400 MPa)相比，该机床在加工效率、加工精度、品质一致性上都有显著提高。

8 结语

(1)设计了轴承套圈滚道以磨代研磨床，并开发了试验机。可完成铁基砂轮在线电解修锐和在位电火花修形，一次装夹实现轴承套圈滚道以磨代研ELID成型磨削加工，提高了生产效率。

(2)对轴承内圈外滚道进行小批量生产检验，可获得尺寸圆跳动偏差在1.5 μm以内，散差在2 μm以内，加工效率约为单件40～50 s，表面粗糙度Ra12～17 nm，表面压应力值约为750 MPa的加工效果，达到了高端轴承套圈滚道批量生产精度、效率和品质一致性的高要求。

(3)提出了一种基于ELID成型磨削加工工艺设计机床的新方案，依据机床设计理念与工艺方案，机床可进行相应参数调整与优化，推广到多种回转零件的成型磨削加工中。