張宏友，吳鳴宇

(大連海洋大學 應用技術學院，遼寧 大連 116300)

滾動軸承套圈及滾子滾道超精研發(fā)展現狀

張宏友，吳鳴宇

(大連海洋大學 應用技術學院，遼寧 大連 116300)

滾動軸承超精研加工是滾動軸承加工的最后一道工序，其加工方法和加工設備直接決定了滾動軸承的加工成本及品質。從滾動軸承超精研對軸承壽命的影響出發(fā)，對油石加工的原理方法及特點進行綜述，以期推動滾動軸承超精研加工技術的發(fā)展。

滾動軸承；套圈；滾子；超精研

0 引言

滾動軸承廣泛應用于工業(yè)、農業(yè)、交通運輸、國防、航空航天等各個領域，而高性能滾動軸承是重大裝備及精密裝備的核心部件。但是目前我國在高精度軸承的研究方面自主研發(fā)能力落后，已經成為嚴重制約我國裝備制造業(yè)發(fā)展的瓶頸，而高性能滾動軸承的研發(fā)離不開超精研。目前超精研加工的方法有電化學機械光整、油石超精研、砂輪超精研等，但技術比較成熟的是油石超精研加工方法，本文主要圍繞滾動軸承的超精研加工的工藝及方法進行論述。

1 軸承超精研對軸承性能的影響

超精研加工主要是提高和改善被加工工件表面的微觀質量，包括粗糙度、溝形、圓度和金屬條紋的走向。表面形貌是表征表面質量的一個重要指標，從目前材料冶煉和機械加工所能達到的水平看，表面經加工后的實際形貌和理想形貌有很大差異。超精研加工是用油石，以低壓、快而短促的往復擺動作用于旋轉的工件上，在良好的潤滑條件下所進行的提高光度、波紋度和幾何精度的加工。超精研時，隨著軸承表面逐漸被磨平，油石的磨粒也逐漸被磨鈍，與軸承的表面接觸面積增大，單位壓力面積不斷降低，潤滑油膜逐漸形成，且降低軸承表面的粗糙度。油膜的形成和粗糙度的降低對軸承壽命的增長有著不可或缺的作用。圓柱滾子軸承套圈滾道、滾子工作表面的粗糙度對軸承的壽命影響如表1所示[1]。為提高軸承的性能(包括壽命、可靠性)，除對軸承的材料、設計、制造技術等進行嚴格的篩選、監(jiān)控、優(yōu)化、組合外，在等同工況下，油石超精研加工有著決定性的作用。

超精研加工會改善滾道表面的物理機械性能，由于滾道表面在磨削加工時受到高達750 ℃～1 200 ℃的磨削熱影響，使表面層的金屬結晶組織被破壞，容易產生拉應力。因此超精研的任務之一就是去除此缺陷層，提高表面的接觸疲勞強度，延長使用壽命。

表1 圓柱滾子軸承套圈滾道、滾子工作表面的粗糙度對軸承壽命的影響

2 軸承套圈和滾子油石超精研加工

2.1 國內外超精研發(fā)展狀況

20世紀90年代以來，軸承的超精研工藝日益成熟，變頻技術、PLC等技術的應用更是提高了超精研設備的技術性能[2]。目前在超精研設備方面，主要是對軸承套圈滾道及圓錐滾子的超精機以及磨超自動線方面的研究[3]。國外的軸承工業(yè)在20世紀60年代就形成了穩(wěn)定的套圈磨削和超精研加工工藝流程，即“雙端面磨削-無心外圓磨削-滾道切入式磨削-滾道超精研加工”[4]。現代設備主要是向高效率、易調整、數控化和自動化方向發(fā)展，這方面的設備主要有日本的數控超精機(SUPERFINA、大阪精機公司)、日本NTN公司及瑞典SKF公司的削磨加工生產線，以及世界第一位的德國索菲娜(sofina)軸承超精機。

國內主要的超精機包括：無錫海博生產的套圈滾道超精機，其最大拋光外徑為Φ400 mm；無錫海博的調心滾子超精機，最大滾子外徑為Φ70 mm，并可同時拋光多個滾子；河北石家莊亞星生產的滾道超精機，最大拋光尺寸外徑為Φ600 mm；還有北京金龍騰飛生產的立式超精機，拋光外徑尺寸為Φ100 mm～Φ200 mm。以上這些超精研機床價格都在20多萬左右，此類以油石為主的超精研機床主要用于加工超精滾子及套圈滾道， 其效率約為20 min 1件，每天可加工20套～30套。但是對比國外超精研設備，目前國內設備不能實現大尺寸的超精加工，對于外徑尺寸Φ600以上的零件，國內主要是通過精磨后裝配出廠， 特別是對Φ1 m以上的軸承超精加工，目前國內剛剛起步，還鮮有應用。

對于超精加工后的表面質量，用國內設備超精加工后可達到Ra0.1 μm左右，但用國外設備超精加工可達到Ra0.04 μm，甚至更低，可以看出我國和國外超精研設備和技術均還存在一定的差距。

2.2 油石超精研加工設備及原理

傳統(tǒng)的超精研設備是切入式磨床，采用機械壓緊式心軸夾具裝夾工件，裝夾時以工件內徑及一端面定位，軸承內圈的內徑是軸承安裝配合面之一，為滿足與主軸軸頸一定的配合要求，內徑的各項幾何精度要求較高。超精研加工時，工件加工表面受到較大的油石壓力，因此在工件內表面往往會產生內徑劃傷和劃痕。

超精研技術中的油石超精研加工工藝是指在良好的潤滑條件下，被加工軸承以較低的速度旋轉，油石以較低的壓力彈性地壓在工件滾道研磨表面，并在垂直于工件旋轉方向按一定規(guī)律作往復振蕩運動的一種加工方法，其加工軌跡是正弦曲線，有利于消除油石的形狀誤差。超精研加工的運動有3種，包括工件的旋轉運動、油石的縱向往復進給運動以及油石的振蕩運動。油石的振蕩頻率、振動幅度和工件的速度都會影響其整個加工過程。根據超精研加工的原理，超精研加工過程是從切削作用轉化為光整作用的過程，因此在初始階段需要盡快地切除工件的加工余量，這就需要較強的切削作用；而在光整階段，主要是降低工件表面的粗糙度，這是需要有較弱的切削作用。超精研加工切削作用的強弱通常用切削角θ來表示，θ角是瞬時切削速度與工件圓周速度的夾角[5]，可以表示為：

(1)

其中：a為油石往復運動范圍，mm；f為油石的振蕩頻率，min-1；D為工件直徑，mm;n為工件轉速，r/min。

從式(1)中可以看出，油石的振蕩頻率越高、振蕩幅度越大，則切削角越大，因此切削作用增大，效率提高，表面粗糙度值提高。工件的圓周速度越大，切削角越小，切削作用減弱，效率下降，表面粗糙度值降低。因此，要得到好的超精研加工效果，需要在加工的初級階段盡可能采用較大的油石振幅和振頻，較低的工件速度；在光整階段盡可能采用較小的油石振幅和振頻，較高的工件速度來達到最好的超精研加工效果。

2.3 油石及冷卻液的影響

在超精研過程中，油石和冷卻液起著最主要的作用，一般采用細粒度為W2.8～W28磨料進行超精加工，而且加工到一定階段需要更換油石，以保證軸承套圈滾道及滾子的修形功能，特別是加工具有指數曲線的滾子時，其油石的磨粒粒度及性能更加重要。圖1、圖2、圖3分別為無錫海博加工Φ400 mm外徑的半自動化油石超精機、可同時拋光多個最大外徑為Φ70 mm的滾子超精機以及加工尺寸在Φ100 mm～Φ200 mm之間的北京金龍立式超精研機。

圖1 無錫海博套圈滾道超精機圖2 可同時拋光多個滾子的無錫海博超精機圖3 北京金龍立式滾道超精機

油石拋光過程中，需要不斷添加拋光液，而理想的冷卻液應具有小的表面張力和強的吸附性能，但對于這種旋轉加工的方式又是矛盾的，黏性小的冷卻液表面張力小，吸附性差，形成的油膜容易擠破；相反黏性大的冷卻液表面張力大，吸附性強，但油膜不易形成。所以在主要以煤油和機油為主的冷卻液中添加活性物質，如油酸，這些活性物質能增大冷卻液的吸附強度，這對改變工件表面的粗糙度是很有利的，而冷卻液應選擇可以回收、對人體危害小、具有防銹功能以及適當的黏度。

3 結論與展望

由上述可以看出，超精研加工是降低工件表面粗糙度的主要方法，通過超精研加工工藝可以更好地形成潤滑油膜，大大提高滾動軸承壽命，特別是可對滾子及套圈滾道圓度進行修形，進而減小滾動軸承套圈滾道的形位公差，是高品質軸承必不可少的最后一道精加工工序，其加工工藝及設備直接影響著軸承工業(yè)的最高水平。對于大尺寸滾動軸承套圈滾道的超精研加工及指數曲線滾子的修形加工，我國還與瑞典、德國等發(fā)達國家存在著巨大的差距，因此我國應在原有油石加工的基礎上，進一步探索其他新的滾動軸承套圈及滾子的超精研加工工藝和設備，使之盡快適應我國高端裝備制造業(yè)的需求。

[1] 卜炎.實用軸承技術手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社,2004.

[2] 謝守振，裴翠紅，段富宜.軸承磨超工藝技術的發(fā)展與應用[J].工藝與裝備，2005(6)：74-77.

[3] 萬鵬.我國超精加工技術進入新階段[J].機械工程，1989(8)：31-32.

[4] 劉橋方，嚴楓.我國軸承制造技術的現狀及其發(fā)展趨勢[J].軸承，2005(6)：42-45.

[5] 李悅鳳.滾動軸承套圈滾道超精研工藝研究[D].大連：大連理工大學,2007：1-25.

(英文摘要Development of Super-precision Finishing Technique for Ring and Roller of Roll Bearing

ZHANG Hong-you, WU Ming-yu

(College of Applied and Technology, Dalian Ocean University, Dalian 116300, China)

The super-precision finishing is the last step in rolling bearing processing, its processing method and processing equipment has deeply influence on the cost and quality of rolling bearings. This article has reviewed the the principle and characteristics of super-precision finishing, and analyzed the influence of the process parameters and the methods on the bearing life, in order to give a positive role on the super-precision finishing of rolling bearings.

roll bearing; rings; roller; super-presision finishing

1672- 6413(2015)06- 0220- 02

2015- 04- 27；

2015- 09- 22

張宏友(1961-)，男，安徽蒙城人，教授，碩士。

TH133.33

A

遼寧省科學研究一般項目(L2015085)；遼寧省教育科學“十二五”規(guī)劃2013年重點課題(JG13EA006)；大連市職業(yè)技術教育科學研究院2014年重點課題(DZKY2014002)