技術(shù)資料 Bearing Technology

軸承套圈磨超加工新技術(shù)及發(fā)展

　1、前言
　　作為整個(gè)工業(yè)基礎(chǔ)的機(jī)械制造業(yè)，正在朝著高精度、高效率、智能化和柔性化的方向發(fā)展。磨削、超精研加工(簡(jiǎn)稱“磨超加工”)往往是機(jī)械產(chǎn)品的終極加工環(huán)節(jié)，其機(jī)械加工的好壞直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量和性能。作為機(jī)械工業(yè)基礎(chǔ)件之一軸承的生產(chǎn)中，套圈的磨超加工是決定套圈零件乃至整個(gè)軸承精度的主要環(huán)節(jié)，其中滾動(dòng)表面的磨超加工，則又是影響軸承壽命以及軸承減振降噪的主要環(huán)節(jié)。因此，歷來(lái)磨超加工都是軸承制造技術(shù)領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)和核心技術(shù)。
　　國(guó)外軸承工業(yè)，60年代已形成一個(gè)穩(wěn)定的套圈磨超加工工藝流程及基本方法，即：雙端面磨削——無(wú)心外圓磨削——滾道切入無(wú)心磨削——滾道超精研加工。除了結(jié)構(gòu)特殊的軸承，需要附加若干工序外，大量生產(chǎn)的套圈均是按這一流程加工的。幾十年來(lái)，工藝流程未出現(xiàn)根本性的變化，但是這并不意味著軸承制造技術(shù)沒(méi)有發(fā)展。簡(jiǎn)要地說(shuō)，60年代只是建立和發(fā)展“雙端面——無(wú)心外圓——切入磨——超精研”這一工藝流程，并相應(yīng)誕生了成系列的切入無(wú)心磨床和超精研機(jī)床，零件加工精度達(dá)到3～5um，單件加工時(shí)間13～18s(中小型尺寸)。70年代則主要是以應(yīng)用60m/s高速磨削、控制力磨削技術(shù)及控制力磨床大量采用，以集成電路為特征的電子控制技術(shù)的數(shù)字控制技術(shù)被大量采用，從而提高了磨床及工藝的穩(wěn)定性，零件加工精度達(dá)到1～3um，零件加工時(shí)間10～12s。80年代以來(lái)，工藝及設(shè)備的加工精度已不是問(wèn)題，主要發(fā)展方向是在穩(wěn)定質(zhì)量的前提下，追求更高的效率，調(diào)整更方便以及制造系統(tǒng)的數(shù)控化和自動(dòng)化。

　　2、軸承套圈的磨削加工
　　在軸承生產(chǎn)中，磨削加工勞動(dòng)量約占總勞動(dòng)量的60%，所用磨床數(shù)量也占全部金屬切削機(jī)床的60%左右，磨削加工的成本占整個(gè)軸承成本的15%以上。對(duì)于高精度軸承，磨削加工的這些比例更大。另外，磨削加工又是整個(gè)加工過(guò)程中最復(fù)雜，對(duì)其了解至今仍是最不充分的一個(gè)環(huán)節(jié)。這個(gè)復(fù)雜性表現(xiàn)在：所要求的性能指標(biāo)更多、精度更高；加工成形機(jī)理更復(fù)雜，影響加工精度的因素眾多；加工參數(shù)在線檢測(cè)困難。因此，對(duì)于軸承生產(chǎn)中關(guān)鍵工序之一的磨削加工，如何采用新工藝，新技術(shù)，以高精度、高效率、低成本地完成磨削過(guò)程，便是磨削加工的主要任務(wù)。

　　2.1、高速磨削技術(shù)
　　高速磨削能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代制造技術(shù)追求的兩大目標(biāo)提高產(chǎn)品質(zhì)量和勞動(dòng)效率。實(shí)踐證明：若將磨削速度由35m/s提高到50～60m/s時(shí)，一般生產(chǎn)效率可提高30%～60%，對(duì)砂輪的耐用度提高約0.7～1倍，工件表面粗糙度參數(shù)值降低50%左右。
　　一般磨削速度達(dá)到45m/s以上稱為高速磨削。國(guó)內(nèi)以我所八十年代研制的ZYS—811全自動(dòng)軸承內(nèi)圓磨床為代表，率先在國(guó)內(nèi)軸承行業(yè)套圈磨削加工中應(yīng)用高速磨削技術(shù)，配套成功研制了高剛度、高轉(zhuǎn)速、大功率電主軸及高速砂輪。而國(guó)內(nèi)外高速磨削早已廣泛應(yīng)用，并隨著廣泛采用高磨削比,高耐用度的超硬磨料如CBN，砂輪磨削速度已達(dá)80～120m/s，甚至更高。如：德國(guó)Mikrosa、日本KOYO公司的無(wú)心磨床，日本TOYO公司的軸承內(nèi)圓磨床等，外表面磨削砂輪線速度達(dá)120m/s，內(nèi)表面磨削線速度達(dá)60m/s～80m/s。
　　增大砂輪驅(qū)動(dòng)(傳動(dòng))系統(tǒng)的功率和提高機(jī)床的剛性，是實(shí)現(xiàn)高速磨削一條重要措施，而其中高速主軸單元是高速磨床最為關(guān)鍵的部件。在高速磨削中，砂輪除應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度外，還需要保證具有良好的磨削性能，才能獲得高磨效果。另外，冷卻裝置也是實(shí)現(xiàn)高速磨削不可缺少的裝置之一。

　　2.2、CBN砂輪磨削技術(shù)
　　立方氮化硼磨料簡(jiǎn)稱CBN磨料，由其制造的砂輪稱為CBN砂輪，其主要具有下列特征：⑴硬度高，導(dǎo)熱率高，熱穩(wěn)定性好，可承受1300～1500℃高溫。⑵耐用性高，磨耗小，磨削比可達(dá)4000～10000(磨削比是指磨削過(guò)程去除工件材料量與砂輪磨損量的比值)而普通剛玉砂輪僅為50～80。⑶磨削力小，磨削熱小，加工工件應(yīng)力小，表層應(yīng)力薄或沒(méi)有。⑷輔助時(shí)間(修整砂輪、更換砂輪)大大減少。
　　對(duì)我國(guó)軸承行業(yè)來(lái)說(shuō)，利用CBN進(jìn)行套圈磨削加工是種新的加工技術(shù)，應(yīng)用前景非常廣闊，但需要研究解決下列技術(shù)：CBN砂輪的制造技術(shù)、修整技術(shù)、專用軸承磨床和磨削冷卻液等。
　　由于CBN砂輪具有良好的加工特點(diǎn)，利用CBN砂輪進(jìn)行軸承套圈磨削國(guó)外早已進(jìn)行了研制并應(yīng)用于生產(chǎn)中，并稱其為“生產(chǎn)加工技術(shù)的一場(chǎng)大革命”。從1982年以來(lái)，CBN砂輪在日本已大批應(yīng)用，并且高速增長(zhǎng)。

　　2.3、外表面磨削砂輪自動(dòng)動(dòng)平衡技術(shù)
　　對(duì)于外表面磨削，由于砂輪較大并且為非均質(zhì)組織體，砂輪系統(tǒng)重心總是偏離主軸中心，高速旋轉(zhuǎn)時(shí)必然引起砂輪系統(tǒng)及其整個(gè)機(jī)床的振動(dòng)，直接影響機(jī)床的使用壽命。在此情況下，磨削加工將難以達(dá)到高精度，易導(dǎo)致工件表面產(chǎn)生磨削振紋，波紋度增大。
　　機(jī)床砂輪上直接安裝上機(jī)械的或其他方式的自動(dòng)動(dòng)平衡裝置，開(kāi)機(jī)后快速直接逼近最平衡位置，自動(dòng)平衡較為完善且還可省略砂輪靜平衡。該項(xiàng)技術(shù)的突破推動(dòng)了磨削技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)能夠極大限度地延長(zhǎng)砂輪、修整用金剛石及主軸軸承壽命，減小機(jī)床振動(dòng)，長(zhǎng)期保持機(jī)床的原有精度。

　　2.4、快速消除內(nèi)表面磨削空程的技術(shù)
　　在所有軸承磨加工設(shè)備中，內(nèi)表面磨床的水平具有象征的意義。這主要是磨削孔徑限制了砂輪尺寸及相應(yīng)的系統(tǒng)機(jī)構(gòu)集合參數(shù)，從根本上限制了工藝系統(tǒng)的剛性，同時(shí)其加工精度要求較高。這些都要求我們必須對(duì)內(nèi)表面磨削的工藝過(guò)程進(jìn)入深入的研究，除了最大限制地發(fā)揮機(jī)床與砂輪的切削能力外，減小輔助磨削時(shí)間是提高磨削效率的關(guān)鍵，因?yàn)槟ハ骺粘陶颊麄€(gè)磨削時(shí)間的10%左右。
　　目前，國(guó)內(nèi)外應(yīng)用較為廣泛的快速消除磨削空程的技術(shù)有以下幾種：控制力磨削技術(shù)，恒功率磨削技術(shù)，利用主動(dòng)測(cè)量?jī)x技術(shù)和測(cè)量電主軸電流技術(shù)。

　　2.5、CNC數(shù)控技術(shù)及交流伺服技術(shù)
　　交流伺服電機(jī)與PLC可編程序控制器的定位模塊，伺服放大器相連即可構(gòu)成伺服系統(tǒng)，伺服電機(jī)本身帶有光學(xué)旋轉(zhuǎn)編碼器，將其輸出的信號(hào)反饋到伺服放大器即可構(gòu)成半閉環(huán)控制系統(tǒng)。在高轉(zhuǎn)速(3000rpm)及低速運(yùn)轉(zhuǎn)都能保證定位精度，使用伺服系統(tǒng)可以完成快跳、快趨、修整補(bǔ)償、粗精磨削，使機(jī)床進(jìn)給機(jī)構(gòu)大大簡(jiǎn)化，性能可靠性大大提高。

　　2.6、交流變頻調(diào)速技術(shù)
　　在磨削中砂輪的線速度隨著砂輪的消耗逐漸降低，其開(kāi)始與終末的線速度之比約為3：2。目前，在砂輪磨削領(lǐng)域已采用高線速度磨削，為了提高磨削效率、保證磨削質(zhì)量一致性，采用可編程控制器計(jì)算功能在每次修整砂輪后計(jì)算出砂輪半徑，進(jìn)而計(jì)算出保持砂輪恒線速度的變頻器輸入頻率，并傳送給交流變頻器，從而保證砂輪線速度不變。

　　3、軸承套圈的超精研加工
　　超精研加工方法是從30年代中期開(kāi)始發(fā)展起來(lái)的，其創(chuàng)立就是針對(duì)軸承滾動(dòng)表面加工的，它是一種精密的、經(jīng)濟(jì)的加工工藝，隨著機(jī)械加工零件精密度及表面質(zhì)量要求的不斷提高，超精研加工得到愈來(lái)愈廣泛的應(yīng)用。在我們軸承制造的光整加工(拋光、砂布帶研磨、超精磨和超精研)中占據(jù)重要地位。
　　超精研加工，簡(jiǎn)稱“超精加工”，一般是指在良好的潤(rùn)滑條件下，被加工工件按一定的速度旋轉(zhuǎn)，油石按一定的壓力彈性地壓工件加工表面上，并在垂直于工件旋轉(zhuǎn)方向按一定規(guī)律作往復(fù)振蕩運(yùn)動(dòng)的一種能夠自動(dòng)完結(jié)的光整加工方法。
　　超精研工整個(gè)過(guò)程包括獨(dú)立的區(qū)分明顯的三個(gè)階段：修整、恒定切削、磨光(也有分為：切削階段或自銳階段、半切削階段、光整階段)。并且整個(gè)過(guò)程在基本工藝參數(shù)(如切削速度、油石壓力和硬度、振蕩頻率、磨料種類、工件材料以及潤(rùn)滑冷卻液等)不變的條件下自動(dòng)完結(jié)。

　　3.1、超精研加工的優(yōu)點(diǎn)
　　3.1.1、能有效的減小圓形偏差(主要是波紋度)。
　　3.1.2、能有效地改善滾道母線的直線性或加工成所需要的凸度形狀。
　　3.1.3、能去除磨削變質(zhì)層，降低表面粗糙度值。
　　3.1.4、能使表面具有殘余的壓應(yīng)力。
　　3.1.5、能夠在加工表面形成紋理均勻細(xì)膩的、較理想的交叉紋路。
　　3.1.6、能使工作接觸支承面積增大。

　　3.2、超精加工對(duì)滾動(dòng)軸承工作性能的影響
　　3.2.1、提高軸承的旋轉(zhuǎn)精度，減低軸承的振動(dòng)和噪聲。
　　3.2.2、提高軸承的承載能力。
　　3.2.3、提高軸承的潤(rùn)滑效果，減小磨損。
　　3.2.4、減小軸承工作時(shí)的發(fā)熱。

　　3.3、超精研加工技術(shù)
　　3.3.1、油石制造技術(shù)
　　它決定油石的使用性能，是超精研技術(shù)存在的前提，使用上要求：油石切削性能要好，損耗要慢，又要有足夠的強(qiáng)度。
　　其中，陶瓷結(jié)合CBN超精油石，能夠保持連續(xù)不變的高切削率，同時(shí)磨損量非常小，臨界壓力高，可大大提高工件加工的整體質(zhì)量和統(tǒng)一性。金剛石超精油石，能夠獲得最高的切削率，最小的磨損率和最佳的表面精研效果。立方體碳化硅油石，類似于金剛石立方體氮化硼，切削力和加工質(zhì)量?jī)H次于前兩者，比一般的碳化硅高?！　　　　　?br /> 　　3.3.2、超精加工工藝技術(shù)
　　超精加工工藝上將整個(gè)超精研過(guò)程分為粗超和精超二個(gè)階段。粗超階段中油石磨料比較鋒利，油石壓力較高，工件轉(zhuǎn)速較低，擺頭頻率較高，因而切削能力強(qiáng)，是去除工件加工量的主要階段。精超階段中油石磨料相對(duì)鈍化，油石壓力較低，工件轉(zhuǎn)速較高，擺頭頻率較低，因而切削能力減弱，對(duì)工件表面的拋光作用加強(qiáng)，大大降低表面粗糙度值。
　　其中，一序二段法，一序二步法，油石自動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)，油石自動(dòng)供給技術(shù)，粗、精超油石自動(dòng)變換技術(shù)和高頻小振蕩加低頻大往復(fù)技術(shù)等都在國(guó)內(nèi)或國(guó)外設(shè)備上有所應(yīng)用。
　　3.3.3、工件定位技術(shù)
　　目前滾道超精研機(jī)常用的工件定位方式有下列幾種：端面滾輪機(jī)械壓緊式無(wú)心夾緊，液壓定心端面滾輪機(jī)械壓緊式夾緊，雙滾輪驅(qū)動(dòng)端面壓緊式無(wú)心夾緊。
　　3.3.4、潤(rùn)滑冷卻技術(shù)
　　超精加工時(shí)潤(rùn)滑液主要三個(gè)作用：沖洗冷卻，潤(rùn)滑，形成吸附油膜。
　　超精加工對(duì)潤(rùn)滑冷卻的要求：適當(dāng)?shù)恼扯龋冷P功能，揮發(fā)性小，重復(fù)使用。
　　超精加工對(duì)潤(rùn)滑冷卻液的過(guò)濾精度有嚴(yán)格的要求，因此必須有高精度的過(guò)濾裝置來(lái)保證。
　　綜上所述，工藝工裝專業(yè)委員會(huì)圍繞中軸協(xié)技術(shù)委員會(huì)“十五”攻關(guān)項(xiàng)目要求，打造精品滾子軸承，重點(diǎn)研究如下：
　　1、軸承滾子的磨、超問(wèn)題。其中滾子凸度對(duì)數(shù)曲線超精技術(shù)在“八五”就已取得成功，目前主要是是推廣應(yīng)用和提高超精系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性問(wèn)題。
　　2、開(kāi)發(fā)研究并完善的套圈滾道凸度超精機(jī)。雖然此項(xiàng)技術(shù)研究已取得一定的成果，但距離達(dá)到SKF公司的先進(jìn)的實(shí)物水平還差一定的距離。
　　3、對(duì)檔邊的帶凸度超精研技術(shù)及裝備開(kāi)發(fā)。
　　4、滾子的端面超精技術(shù)研究及設(shè)備開(kāi)發(fā)。
　　5、推動(dòng)新型油石的產(chǎn)業(yè)化工程和普及與應(yīng)用。
　　6、將上述先進(jìn)的、最新的專利技術(shù)應(yīng)用到滾子軸承的磨超設(shè)備技術(shù)改造和新一代設(shè)備研發(fā)上來(lái)。同時(shí)大力推進(jìn)滾子軸承的自動(dòng)生產(chǎn)裝配線的研發(fā)。