王 旭 趙 萍 呂冰海 袁巨龍

浙江工業(yè)大學(xué)超精密加工研究中心，杭州，310023

0 引言

滾動(dòng)軸承是機(jī)械設(shè)備中的一種重要零部件，其主要功能是支撐旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，保證回轉(zhuǎn)精度并減小摩擦因數(shù)，廣泛應(yīng)用于裝備領(lǐng)域的各方面。滾動(dòng)軸承制造是我國(guó)重點(diǎn)發(fā)展的戰(zhàn)略性基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷創(chuàng)新和機(jī)械工業(yè)的飛速發(fā)展，軸承的服役環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜，這對(duì)軸承的轉(zhuǎn)速、載荷、壽命及設(shè)計(jì)等方面提出了更高的要求。

近年來(lái)我國(guó)軸承行業(yè)一直保持著平穩(wěn)較快增長(zhǎng)的趨勢(shì)，但在加工精度和生產(chǎn)效率上與發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍然存在較大差距。我國(guó)航空航天、機(jī)械制造等領(lǐng)域大部分高端裝備的高端滾動(dòng)軸承基本依賴(lài)進(jìn)口[1]，高速鐵路軸承制造技術(shù)被德國(guó)FAG、瑞典SKF等國(guó)外廠商壟斷，高檔機(jī)床主軸軸承和風(fēng)力發(fā)電機(jī)增速器軸承、發(fā)電機(jī)軸承等也主要依賴(lài)進(jìn)口，嚴(yán)重制約了我國(guó)高端裝備制造業(yè)的自主發(fā)展。

滾動(dòng)軸承的工作表面包括套圈滾道表面和滾動(dòng)體表面。研究結(jié)果表明：軸承在使用過(guò)程中的失效部位主要發(fā)生在內(nèi)套圈、外套圈和滾動(dòng)體[2]，且套圈滾道、滾動(dòng)體的表面粗糙度會(huì)影響表面潤(rùn)滑狀態(tài)和摩擦因數(shù)，其表面粗糙度值的減小能夠延長(zhǎng)軸承的壽命[3]；套圈滾道廓形精度、滾動(dòng)體一致性直接決定了軸承各元件的受力均勻性，進(jìn)而影響軸承壽命和性能[4]。但目前我國(guó)滾動(dòng)軸承工作表面的加工遇到瓶頸，滾動(dòng)體、套圈滾道的表面質(zhì)量距理想狀態(tài)仍有較大差距，因此研究軸承工作表面的超精密加工技術(shù)對(duì)提高軸承精度、延長(zhǎng)軸承壽命有著重要的意義。

1 套圈滾道的超精密加工技術(shù)研究現(xiàn)狀

對(duì)于高性能滾動(dòng)軸承而言，套圈滾道在具有高形狀精度的同時(shí)，必須具有抗磨損、低摩擦因數(shù)和高疲勞強(qiáng)度等特性，因此對(duì)套圈滾道的表面完整性也有著極高的要求。軸承套圈滾道的傳統(tǒng)加工工序見(jiàn)圖1。在套圈滾道(特別是內(nèi)套圈滾道)磨削加工時(shí)，砂輪易變鈍及磨損，從而導(dǎo)致套圈滾道成形精度顯著降低。雖然目前逐步在推廣使用耐用度較高的CBN砂輪磨削技術(shù)，但仍必須經(jīng)常修整和更換砂輪，這將導(dǎo)致砂輪使用壽命縮短，輔助工時(shí)延長(zhǎng)。由此可知，提高套圈滾道成形精度的關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)CBN砂輪的低損耗磨削以及精密的在線修整，進(jìn)而提高砂輪的精度保持性和耐用度。

圖1 軸承套圈滾道加工流程Fig.1 Flow chart of manufacturing process for bearing raceway

在精磨階段，由于受到磨削力和磨削熱的作用，套圈滾道表面易形成表面變質(zhì)層，直接影響了軸承的性能及壽命，因此，還需對(duì)套圈滾道進(jìn)行多道油石珩磨加工，以進(jìn)一步去除加工變質(zhì)層及改善表面粗糙度和形狀精度[5]。油石珩磨采用低壓將細(xì)粒度磨料的油石壓在軸承表面上，油石在垂直于工件旋轉(zhuǎn)方向上按一定規(guī)律快速往復(fù)擺動(dòng)[6](圖2)，從而可獲得Ra<0.1 μm的表面。油石珩磨能夠減小多角形誤差、波紋度誤差、圓度誤差和表面粗糙度，但工藝過(guò)程復(fù)雜，影響加工效率和加工質(zhì)量的因素眾多，工藝條件難以保持一致，進(jìn)而造成套圈滾道的加工精度和表面質(zhì)量的一致性難以保證。

圖2 油石珩磨加工原理Fig.2 Schematic of honing with oilstone

目前軸承最終工作表面質(zhì)量不夠高已成為阻礙高性能滾動(dòng)軸承進(jìn)一步發(fā)展的原因。為適應(yīng)高精度、高表面質(zhì)量的加工需求而發(fā)展起來(lái)的超精密磨削技術(shù)是解決該問(wèn)題的有效途徑之一。就軸承套圈滾道的超精密磨削技術(shù)來(lái)說(shuō)，目前最具有應(yīng)用前景的有在線電解修整(electrolytic in-process dressing，ELID)磨削方法、電化學(xué)磨削(electro-chemical grinding，ECG)方法以及雙電解磨削(dual electrolytic grinding，DEG)方法。

1.1 在線電解修整磨削方法及應(yīng)用

金屬結(jié)合劑超硬磨料(金剛石、CBN)砂輪具有很高的強(qiáng)度、硬度和導(dǎo)熱性，耐磨性好，精度保持性好，使用超硬磨料砂輪磨削是實(shí)現(xiàn)難加工材料高效、高精度加工的有效方法，砂輪的修整技術(shù)會(huì)直接影響加工精度和效率。

圖3 ELID磨削加工原理Fig.3 Schematic diagram of ELID process

在線電解修整(ELID)磨削技術(shù)由OHMORI等[7-8]于20世紀(jì)80年代提出，磨削過(guò)程中利用電解作用對(duì)金屬結(jié)合劑砂輪進(jìn)行在線的精細(xì)修整，其加工原理見(jiàn)圖3。采用電解液作為磨削液，加工過(guò)程中砂輪表面的金屬結(jié)合劑在電解作用下電離溶解，使得砂輪表面的磨粒突出，同時(shí)在砂輪結(jié)合劑表面生成一層致密而絕緣的氧化膜，以減緩砂輪結(jié)合劑進(jìn)一步電解。隨著磨削加工的進(jìn)行，表面的磨粒因磨損而脫落，生成的氧化膜也因被工件摩擦而變薄。此時(shí)再次恢復(fù)對(duì)砂輪結(jié)合劑表層的電解，使新的磨粒露出。如此循環(huán)，使磨具表面始終保持有鋒銳的磨粒和一定的容屑空間，從而可在獲得極高的加工精度和表面質(zhì)量的情況下保持高效率。

ELID磨削技術(shù)已廣泛應(yīng)用于陶瓷、半導(dǎo)體、光學(xué)玻璃、硬質(zhì)合金等各類(lèi)材料的精密與超精密磨削加工，并獲得了良好的加工效果。通過(guò)選用合適的砂輪、優(yōu)化參數(shù)，有學(xué)者在多種材料樣件表面加工出表面粗糙度Ra<1 nm的超光滑表面[9-10]，在鏡面磨削方面取得了一定的成果[11]。我國(guó)哈爾濱工業(yè)大學(xué)、天津大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、湖南大學(xué)等單位對(duì)ELID磨削技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了大量研究。

目前已有國(guó)內(nèi)外學(xué)者嘗試將ELID磨削應(yīng)用于軸承鋼套圈的精密加工[12-13]。QIAN等[14]采用4000號(hào)鑄鐵結(jié)合劑CBN砂輪對(duì)軸承鋼外圓進(jìn)行ELID磨削，并與珩磨及電解拋光的加工結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，他們發(fā)現(xiàn)，采用ELID磨削技術(shù)可以獲得表面粗糙度Ra=20 nm的超光滑表面，其Ra小于珩磨后表面的Ra=60 nm和電解拋光后表面的Ra=40 nm；他們還對(duì)比了ELID磨削和珩磨后的表面應(yīng)力情況，研究結(jié)果表明：ELID磨削后的表面殘余應(yīng)力為150～400 MPa，遠(yuǎn)小于珩磨加工得到的殘余應(yīng)力600～800 MPa，ELID磨削后的表面壓應(yīng)力層深度為10 μm，也小于珩磨加工產(chǎn)生的表面壓應(yīng)力層深度15～20 mm，但ELID磨削在進(jìn)行切入式磨削時(shí)不夠穩(wěn)定，且加工效率低于珩磨及電解拋光的加工效率。WU等[15]采用ELID磨削技術(shù)對(duì)球軸承套圈滾道進(jìn)行加工，并通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)纳拜喰拚麜r(shí)機(jī)來(lái)提升磨削精度。

上述研究結(jié)果表明，ELID磨削技術(shù)在軸承套圈滾道加工中有非常良好的應(yīng)用前景，但在ELID磨削過(guò)程中砂輪存在大量的無(wú)效損耗，增加了生產(chǎn)成本。如何控制砂輪損耗，進(jìn)一步降低應(yīng)用成本是ELID磨削技術(shù)應(yīng)用于軸承套圈滾道加工所需解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

1.2 電化學(xué)磨削方法及應(yīng)用

電化學(xué)磨削(ECG)方法于20世紀(jì)80年代被提出，研究人員采用電解復(fù)合鏡面研磨法加工金屬表面，并應(yīng)用于不銹鋼鏡面板的制造中[16]。ECG加工過(guò)程中，工件(陽(yáng)極)表面的金屬在電流和電解液的作用下發(fā)生電解作用，被氧化成為一層氧化薄膜。產(chǎn)生的氧化薄膜迅速被砂輪的機(jī)械(磨削)作用刮除，工件上又露出新的金屬表面并繼續(xù)被電解，該過(guò)程與ELID磨削中砂輪金屬結(jié)合劑的電解過(guò)程相同。

ECG加工原理見(jiàn)圖4。加工過(guò)程中金屬去除主要是靠電化學(xué)作用，而磨削作用主要是去除陽(yáng)極氧化膜。這樣由電化學(xué)作用和刮除薄膜的磨削作用交替進(jìn)行，使工件連續(xù)地被加工，直至達(dá)到一定的尺寸精度和表面粗糙度。ECG的優(yōu)勢(shì)是能在一道工序內(nèi)將工件表面粗糙度大幅減小，既可獲得良好加工精度和表面質(zhì)量的工件，又可保持較高的加工效率[17-18]。

圖4 電化學(xué)磨削加工原理Fig.4 Schematic diagram of ECG process

周錦進(jìn)等[19]將ECG方法應(yīng)用于軸承套圈滾道的光整加工，研究發(fā)現(xiàn)，ECG加工可大幅度減小套圈滾道的表面粗糙度(Ra=27 nm)和波紋度，得到較理想的表面微觀幾何形貌，并改善套圈滾道表面層的機(jī)械和物理性能，從而提高軸承的使用性能并延長(zhǎng)使用壽命，他們認(rèn)為ECG方法可以取代兩道油石珩磨加工工序。徐文驥等[20-21]提出了電化學(xué)砂帶磨削技術(shù)，使用1500號(hào)砂帶可在保證套圈滾道幾何精度的同時(shí)，獲得較小的表面粗糙度(Ra<50 nm)。

采用普通砂輪進(jìn)行ECG加工時(shí)，若加工過(guò)程中砂輪表面磨粒不能保持良好的等高性，則會(huì)導(dǎo)致因磨削深度不易精確控制而產(chǎn)生過(guò)磨削現(xiàn)象(磨削深度大于氧化膜深度，直接對(duì)金屬基體進(jìn)行磨削，從而降低了加工表面質(zhì)量)，同時(shí)工件可能會(huì)因過(guò)電解現(xiàn)象而導(dǎo)致表面出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象，在一定程度上影響加工質(zhì)量。ECG技術(shù)仍有很大改良、完善的空間，在軸承工作表面超精密加工方面具有很大的應(yīng)用前景。

1.3 雙電解磨削方法及應(yīng)用

雙電解磨削(DEG)加工原理見(jiàn)圖5，將軸承套圈和CBN砂輪(可導(dǎo)電結(jié)合劑)同時(shí)作為電解對(duì)象，既實(shí)現(xiàn)CBN砂輪的ELID加工，也實(shí)現(xiàn)軸承套圈的ECG加工，結(jié)合了兩者的優(yōu)勢(shì)。磨削過(guò)程中通過(guò)電化學(xué)作用在陽(yáng)極產(chǎn)生氧化膜，并通過(guò)機(jī)械作用去除氧化膜，能夠獲得極高的表面質(zhì)量和加工效率，且可提高砂輪的耐用度和精度保持性。同時(shí)減少了加工工序和影響因素，理論上能夠替代傳統(tǒng)的精密成形磨削和油石超精研多道工序，從而同時(shí)實(shí)現(xiàn)軸承套圈滾道的高質(zhì)量和高一致性控形控性加工。DEG加工技術(shù)中的ELID磨削技術(shù)可保證加工過(guò)程中砂輪始終保持磨粒的等高性和鋒利性，彌補(bǔ)了ECG加工過(guò)程中砂輪易磨鈍、堵塞等缺點(diǎn)，因此DEG技術(shù)具有加工精度高、表面質(zhì)量好、效率高等優(yōu)點(diǎn)[22]。

圖5 雙電解磨削加工原理Fig.5 Schematic of DEG process

孫磊等[23]采用DEG技術(shù)加工出表面粗糙度Ra=5 nm的外圓工件，研究結(jié)果表明，DEG技術(shù)在軸承套圈加工領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用潛力。

綜上所述，ELID、ECG和DEG技術(shù)均在軸承套圈的磨削過(guò)程中引入電解作用，對(duì)套圈滾道表面質(zhì)量的提升具有顯著效果。砂輪無(wú)效損耗、工件表面腐蝕以及電解磨削液的污染問(wèn)題均制約了上述技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)的應(yīng)用，因此科研人員提出了磨削過(guò)程中氧化膜的主動(dòng)控制策略，用來(lái)監(jiān)控氧化膜狀態(tài)，改變電解強(qiáng)度[24-25]，并進(jìn)一步優(yōu)化砂輪的磨粒分布和粒徑均勻性，優(yōu)選結(jié)合劑，改善磨削質(zhì)量，以擴(kuò)大上述技術(shù)在軸承套圈生產(chǎn)中的應(yīng)用。

2 軸承滾動(dòng)體的超精密加工技術(shù)研究現(xiàn)狀

滾動(dòng)體在軸承工作過(guò)程中直接承受載荷并與軸承的動(dòng)態(tài)性能直接相關(guān)。滾動(dòng)體的加工工藝需滿足精度要求，同時(shí)具有高壽命、低噪聲、小摩擦力和高可靠性。

2.1 軸承球的加工

鋼球的加工工藝相對(duì)成熟，但對(duì)于高性能軸承，傳統(tǒng)鋼制滾動(dòng)體的性能難以完全滿足要求。陶瓷滾動(dòng)體的出現(xiàn)在許多方面提高了滾動(dòng)軸承的性能：熱壓氮化硅陶瓷滾動(dòng)體最早應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域[26]，至20世紀(jì)90年代，氮化硅、氧化鋁、氧化鋯等陶瓷滾動(dòng)體逐漸商業(yè)化，應(yīng)用于高速主軸、醫(yī)療以及高溫、深冷、易燃、強(qiáng)腐蝕、真空、電絕緣、干摩擦等特殊工況下的特種軸承[27]。

目前國(guó)內(nèi)外的鋼球和陶瓷球批量加工主要采用基于傳統(tǒng)V形槽方式的概率法研磨加工原理，見(jiàn)圖6a。加工過(guò)程中，獲得高精度球體的首要條件是：在研磨加工過(guò)程中，球體自旋角應(yīng)在-90°～90°范圍內(nèi)變化，以保證研磨跡線(球體與研磨盤(pán)接觸點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡)均勻覆蓋球體表面。圖6b所示為球體與研磨盤(pán)幾何運(yùn)動(dòng)關(guān)系，其中點(diǎn)A為上研磨盤(pán)與球體接觸點(diǎn)；點(diǎn)B為下研磨盤(pán)外側(cè)與球體接觸點(diǎn)；點(diǎn)C為下研磨盤(pán)內(nèi)側(cè)與球體接觸點(diǎn)；點(diǎn)O為軸承球球心；O1為研磨盤(pán)回轉(zhuǎn)中心；Ω為研磨盤(pán)回轉(zhuǎn)速度；ωb為軸承球自旋速度；RA為點(diǎn)A與研磨盤(pán)回轉(zhuǎn)中心的距離；RB為點(diǎn)B與研磨盤(pán)回轉(zhuǎn)中心的距離；RC為點(diǎn)C與研磨盤(pán)回轉(zhuǎn)中心的距離；α為V形槽外側(cè)與垂直方向的夾角；β為V形槽內(nèi)側(cè)與垂直方向的夾角；rb為球體半徑；θ為自旋角(即球體自轉(zhuǎn)軸的方位角)，其表達(dá)式如下：

由于rb、RA和α為定值，因此在加工過(guò)程中，在沒(méi)有外力干擾的情況下每個(gè)球體的自旋角θ為定值，當(dāng)球體在V形槽中圍繞主軸旋轉(zhuǎn)一周后，研磨盤(pán)表面與球面的3個(gè)接觸點(diǎn)(切削點(diǎn))將在球面上生成3條平行的環(huán)形研磨跡線(圖6c)，研磨軌跡難以均勻包絡(luò)球面。為了使研磨過(guò)程中被加工球體的自旋角θ發(fā)生變化，從而使研磨軌跡均勻化，獲得更高的球度，在實(shí)際加工中，采用“循環(huán)”加工方式，即研磨盤(pán)每轉(zhuǎn)一圈，使球體依次從V形槽中流動(dòng)到外置于研磨盤(pán)的循環(huán)槽中，球體在循環(huán)槽中經(jīng)過(guò)隨機(jī)運(yùn)動(dòng)而改變方位，繼而再次落回到V形槽中進(jìn)行研磨加工，以此反復(fù)循環(huán)加工來(lái)形成球面[28]。

通過(guò)這種“循環(huán)”加工雖可在一定程度上改變球體的自旋角，但對(duì)于同批加工的球體而言，這種自旋角變化是隨機(jī)且不可控的，且每個(gè)球體的切削概率不同，難以實(shí)現(xiàn)同批次加工得到球體精度的高度一致性，獲得高精度球體需要依靠分選，生產(chǎn)成本高，效率也較低。

(a)加工原理

(b)球體與研磨盤(pán)幾何運(yùn)動(dòng)關(guān)系

(c)球面加工軌跡圖6 傳統(tǒng)V形槽成球方式Fig.6 Conventional V-groove balling method

為改善傳統(tǒng)V形槽研磨方式，在此基礎(chǔ)上改進(jìn)并提出了雙V形槽研磨方式、類(lèi)雙V形槽研磨方式和偏心V形槽研磨方式[29-30]。雙V形槽研磨方式和類(lèi)雙V形槽研磨方式對(duì)機(jī)構(gòu)精度和剛度要求很高，生產(chǎn)成本高，未能在市場(chǎng)推廣；偏心V形槽研磨方式能獲得較小的球形偏差，但球坯的直徑變動(dòng)量較大。文獻(xiàn)[31-33]提出了雙自轉(zhuǎn)加工方式，通過(guò)控制研磨盤(pán)轉(zhuǎn)速變化組合主動(dòng)改變自轉(zhuǎn)角，調(diào)整球體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，以實(shí)現(xiàn)球體表面各點(diǎn)等概率切削，顯著提高了陶瓷球的加工精度和一致性。但這種研磨裝置的機(jī)構(gòu)以及研磨盤(pán)的轉(zhuǎn)速控制還是較為復(fù)雜，一次裝球量較少。為此，文獻(xiàn)[34]提出了變曲率溝槽加工方法，其加工原理見(jiàn)圖7。利用球體在變曲率溝槽中接觸點(diǎn)位置及相對(duì)速度的變化，使球體由磨盤(pán)中心向外做自旋角連續(xù)變化的研磨運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)研磨軌跡在球面上的均勻包絡(luò)，并進(jìn)行循環(huán)加工，從而獲得高精度、高一致性球體。該加工方法既可有與同心圓溝槽研磨方式相當(dāng)?shù)难b球量，又具有雙自轉(zhuǎn)研磨方式的加工精度和一致性，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于工程實(shí)現(xiàn)。圖8所示為采用變曲率溝槽方法研磨得到的軸承球(直徑為6.35 mm)，加工后的軸承球表面粗糙度Ra<5 nm，球度小于0.1 μm，批直徑變動(dòng)量小于0.15 μm，具有較高的加工精度和一致性。

圖7 變曲率溝槽加工方法原理Fig.7 Schematic diagram of variable-radius V-groove lapping method

圖8 變曲率溝槽方法加工得到的軸承球Fig.8 Bearing balls by using variable-radius V-groove lapping method

目前國(guó)內(nèi)外陶瓷球的最后加工工序通常采用金剛石研磨膏拋光工藝，加工后的陶瓷球表面仍存在損傷層和劃痕。為解決陶瓷材料加工表面損傷問(wèn)題，有學(xué)者采用化學(xué)機(jī)械拋光原理，利用軟質(zhì)磨料(如CeO2，SiO2，Cr2O3等)拋光液拋光，但拋光效率仍有較大提升空間。ZHOU等[35-36]提出了基于軟質(zhì)磨粒與被加工材料固相化學(xué)反應(yīng)原理，融合磨粒的機(jī)械作用進(jìn)行表面材料無(wú)損傷去除的化學(xué)機(jī)械磨削(chemo-mechanical-grinding，CMG)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了干燥條件下單晶硅片的無(wú)損傷表面加工(Ra=0.15 nm)。CMG技術(shù)已成功應(yīng)用于單晶硅、石英玻璃等硬脆材料的超光滑無(wú)損傷表面的加工，具有較高的加工效率，借鑒該方法有望提高陶瓷球的拋光效率。

雖然上述加工新方法可以解決陶瓷材料的表面損傷問(wèn)題，但在加工過(guò)程中，由于加工環(huán)境中不可避免地會(huì)混入硬質(zhì)大顆粒(加工液、空氣、磨料以及加工中產(chǎn)生的材料碎屑等)，當(dāng)這種硬質(zhì)大顆?；烊氲郊庸^(qū)域內(nèi)時(shí)會(huì)對(duì)加工表面造成劃痕形式的損傷，進(jìn)而嚴(yán)重影響表面質(zhì)量，造成返工或廢品，因此改善陶瓷材料滾動(dòng)體的加工仍然是亟待解決的難題。

2.2 軸承滾子的加工

滾子與套圈滾道之間為線接觸，具有承受高負(fù)荷的能力，其形狀精度、表面質(zhì)量及一致性直接決定了軸承的運(yùn)動(dòng)精度和使用壽命。目前貫穿式無(wú)心外圓磨削是滾子大批量生產(chǎn)過(guò)程中的主要技術(shù)手段。貫穿式無(wú)心磨削加工系統(tǒng)中，導(dǎo)輪軸線與砂輪軸線存在一個(gè)較小的偏角，這樣圓柱工件可邊旋轉(zhuǎn)邊進(jìn)給，從砂輪的一端運(yùn)動(dòng)到另一端。為提高貫穿式無(wú)心外圓磨削后的形狀精度并減小表面粗糙度，在此基礎(chǔ)上提出了貫穿式無(wú)心油石珩磨方法，見(jiàn)圖9。加工過(guò)程中2個(gè)導(dǎo)輥同向同速轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)滾子滾動(dòng)，同時(shí)依靠導(dǎo)輥外側(cè)螺旋線溝槽側(cè)壁推動(dòng)滾子直線進(jìn)給，加工載荷通過(guò)油石作用在工件上，最終加工出滾子成品[37]。

(a)截面視圖 (b)軸向視圖圖9 無(wú)心油石珩磨加工原理Fig.9 Schematic diagram of centerless honing with oilstone

雖然無(wú)心磨削加工方法生產(chǎn)效率高，但其加工精度嚴(yán)重依賴(lài)于母機(jī)精度，依然存在工件中心位置的變化、工件中心直線運(yùn)動(dòng)與砂輪軸線的誤差、工件與運(yùn)動(dòng)速度的誤差，以及砂輪和導(dǎo)輪等部件本身的磨損等問(wèn)題，顯著影響了加工精度和一致性的改善，從而制約了滾子成品的精度。

有學(xué)者嘗試使用研磨的方法提高滾子的精度和一致性。蔡智杰[38]提出了圓柱滾子雙盤(pán)直槽研磨方法，其加工原理見(jiàn)圖10，在加工過(guò)程中圓柱滾子受到軸向推力，使圓柱滾子沿著直線的V形槽做進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，提高了同批次圓柱滾子研磨的一致性。YAO等[39]將雙平面研磨引入圓柱滾子外圓成形中，提出了基于圓柱面加工軌跡均勻包絡(luò)原理的高精度軸承圓柱滾子高一致性加工方法，通過(guò)構(gòu)建圓柱外圓加工系統(tǒng)和工件幾何運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，研究了圓柱面加工軌跡均勻性、研磨盤(pán)磨損軌跡均勻性及其主要影響因素，研究結(jié)果表明：采用偏心運(yùn)動(dòng)方式(圖11)加工，顯著提高了滾子的形狀精度、表面質(zhì)量及其批量一致性。

圖10 圓柱滾子雙盤(pán)直槽研磨原理[38]Fig.10 Machining principle of the double-plate lapping method with straight grooves

圖11 偏心式研磨方法Fig.11 Eccentric lapping method

3 滾動(dòng)軸承工作表面的柔性拋光技術(shù)

現(xiàn)有技術(shù)在加工軸承套圈滾道、滾動(dòng)體等曲面部件時(shí)，需要較復(fù)雜的設(shè)備和運(yùn)動(dòng)軌跡以確保加工精度。人們提出了一些新的無(wú)工具加工方法，如通過(guò)控制磁場(chǎng)強(qiáng)度的磁流變拋光、通過(guò)控制流場(chǎng)的磨料液體射流拋光等，利用流體的流動(dòng)性實(shí)現(xiàn)一種柔性、不受制于工具形狀的加工，從而能夠?qū)崿F(xiàn)很高的加工精度、表面質(zhì)量和一定的加工效率。但采用上述加工方法時(shí)需要使用成本較高的加工介質(zhì)以及控制較多的參數(shù)，因此制約了這些技術(shù)在軸承加工領(lǐng)域的應(yīng)用。

李敏等[40-41]提出了一種基于非牛頓冪律流體剪切增稠效應(yīng)的新型力流變拋光(force-induced rheological polishing,FRP)原理，利用非牛頓冪律流體拋光液在與工件表面產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)黏度增大的特性，通過(guò)增大把持磨粒的約束力來(lái)形成類(lèi)似“柔性固著磨具”(圖12)，通過(guò)增大接觸區(qū)域面積而使FRP方法具有良好的面形適應(yīng)性，從而可實(shí)現(xiàn)高效精密拋光，且加工介質(zhì)成本極低，綠色無(wú)污染，配套的加工設(shè)備要求也較低。同時(shí)他們采用FRP方法對(duì)氮化硅滾子進(jìn)行研究，并成功將氮化硅滾子表面粗糙度由Ra=107.2 nm減小至Ra=6.5 nm，拋光前后的對(duì)比見(jiàn)圖13[42]。

圖12 力流變拋光原理Fig.12 Schematic diagram of force-induced rheological polishing

(a)拋光前 (b)拋光后圖13 力流變拋光前后的氮化硅滾子Fig.13 The silicon nitride roller before and after force-induced rheological polishing

(a)內(nèi)套圈外滾道實(shí)物圖

(b)內(nèi)套圈外滾道表面輪廓曲線

(c)外套圈內(nèi)滾道實(shí)物圖

(d)外套圈內(nèi)滾道表面輪廓曲線圖14 力流變拋光后的圓錐滾子軸承套圈Fig.14 The rings of tapered roller bearing after force-induced rheological polishing

我們采用上述FRP方法對(duì)圓錐滾子軸承內(nèi)、外套圈進(jìn)行了加工[40-42]。拋光工件自轉(zhuǎn)速度為10 r/min，公轉(zhuǎn)速度為80 r/min，采用3000號(hào)Al2O3磨粒拋光15 min，初始表面粗糙度Ra=300 nm左右。拋光后的套圈滾道表面見(jiàn)圖14a和圖14c，經(jīng)過(guò)FRP加工后，套圈滾道表面不存在任何劃痕、銹蝕等缺陷，達(dá)到了鏡面效果；圖14b和圖14d為使用TALYSURF I60輪廓儀測(cè)量的套圈滾道表面輪廓曲線，由儀器測(cè)量到拋光后內(nèi)外套圈滾道的表面粗糙度Ra均為20 nm左右。

FRP作為一種綠色、低成本、高效的柔性加工技術(shù)在軸承超精密加工方面擁有巨大的應(yīng)用前景。

4 結(jié)語(yǔ)

滾動(dòng)軸承是制約制造業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵基礎(chǔ)零部件之一，我國(guó)在軸承套圈的表面完整性、滾動(dòng)體的形狀精度和一致性方面仍存在較大不足，直接影響了軸承的性能和壽命。軸承超精密加工技術(shù)上進(jìn)行多種方法創(chuàng)新，一定程度上提升了軸承的制造水平和產(chǎn)品性能，但是仍然與國(guó)外先進(jìn)水平存在較大差距，部分高性能軸承仍然依賴(lài)進(jìn)口。因此，推動(dòng)我國(guó)軸承超精密加工技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)高性能軸承國(guó)產(chǎn)化依然任重道遠(yuǎn)。