滚子球基面加工工艺参数及检测方法浅析

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摘要：针对滚子球基面加工工艺中磨削参数、工装及检测要点，文章通过理论分析和多维度对比实践验证，提出一些改进措施和关键点，有效提高效率、稳定保证产品质量，达到Ⅰ级滚子要求。

关键词：滚子；球基面；参数；Ⅰ级；实践

圆柱滚子两端面、圆锥滚子大端面是基准端面，其端面微观形状一般有直线、对称斜线、对称球形三种。三种在不同应用工况下均各有优势，但在高端轴承设计中，越来越多采用滚子球基面和斜挡边的配合，以减少滑动摩擦、改善润滑，而滚子球基面的形状精度（形状、SR）和位置精度（SDW）决定滚子与套圈斜挡边的接触状态、自转和绕轴承轴线公转的稳定性[1-2]，球基面曲率半径、滚子长度的加工数值一致性，较小的粗糙度值、端跳值，球基面外观等指标是高精度滚子的技术要求，也直接影响滚子在轴承运转中的状态，因此，滚子球基面的加工和检测作为行业公认的难点和痛点，需要进一步改进和提高，以满足应用。目前，滚子球基面的磨削方法有两种：筒形砂轮往复式（范成法）、成形砂轮通过式（成形-轨迹法）。通过式磨削有很大优势，在滚子行业中应用较为普遍，生产效率特别高，缺点是需要针对不同规格的滚子制造专用隔离盘，定位稳定性一般，更适合大批量、普通精度的产品；而往复式磨削设备工装简单、易于调整、技术准备周期短，具有较强的工艺性能和加工能力，适合高精度（Ⅰ级）、高稳定性要求的中小批量滚子。

1往复式磨削特点及结构分析

部门新引进3MZ4250球基面磨床，加工过程中经常出现调整费时、基面形状和数值不达标、端面跳动不稳定（时大时小）等问题，通过分析机床结构、加工原理及相关附件工装，提出一些改进措施。基本工作原理如图1所示，该机床采用磁盘驱动、筒形砂轮范成法磨削基面的方法[3]，特点如下：（1）全自动上下料装置，属于强制上料形式，结构紧凑简单、上料速度快且运动可靠。（2）采用步进电机-滚珠丝杠的进给传动链，无间隙、精度高；无心装夹，顶尖对小端面轴向定位，下支承及磁盘对外径径向定位，提高定位精度。（3）机床配有单点主动测量装置实现闭环控制，测量接近滚子边缘某点的高度来控制滚子凸度，可严格控制球基面磨削量和批次滚子长度尺寸分散。（4）筒形砂轮不必专门修整，工件与砂轮磨削进入稳定状态之后，在相对磨削中自行修整，正常阶段，砂轮损摘要：针对滚子球基面加工工艺中磨削参数、工装及检测要点，文章通过理论分析和多维度对比实践验证，提出一些改耗会降低高度，并不改变形状。（5）磨球基面前先进行磨平双端面，保证端面对外径的跳动，可减少端面加工余量，提高球基面加工质量和生产效率。滚子轴心与砂轮回转中心在同一平面相交，并各自围绕自己的轴心线旋转，砂轮进给产生磨削后，滚子的基面就获得了一个球形基面，砂轮轴心线与滚子轴心线的交角α=arcsin（r/R），其中r是筒形砂轮平均半径，R是滚子球基面所需半径。工作时，转动砂轮座，按计算出的α角，使砂轮轴线与滚子轴心成一角度，然后，横向移动砂轮座，将砂轮的平均半径对准滚子的回转中心。此时，两中心线的交点就是球形中心。加工时，双端面上工序精度（平行差、端跳、批次高度一致性）及端面留量对球基面磨削有很大影响，磨削液、料套和支承等工装调整起到关键作用，后续样板、测量仪器检测和分析来进行反馈微调。

2工艺参数的验证分析及改进

2.1磨削液、砂轮验证分析与选择

随着轴承专用机床的改进发展和现代化车间建设，轴承磨加工基本上采用水基磨削液加集中供液自动循环系统，而对于球基面机床，在终验收过程中发现采用此磨削液达不到很好的效果。实践过程中，针对磨削液、砂轮粒度及厚度进行反复组合试验，结果见表1。对于Ⅰ级滚子而言，球基面粗糙度数值要求为Ra0.08以下，数值越小越好。结合表1，采用厚度不同的砂轮（单边5mm、10mm）实践验证发现：10mm厚度砂轮在磨削过程中不脱落，存在明显的烧伤问题；5mm厚度砂轮在磨削过程中脱落良好，进刀0.08mm，大致可以脱落0.010～0.015mm。最终确定机床磨削条件：筒形砂轮N90×80×32，WA320K（240J）35，独立循环NaNO2磨削液。

2.2下支承块结构改进

机床前后下支承块对滚子外径无心定位，加工过程中上料筒配合磁盘、支承对滚子位置定位，引导滚子和防止滚子在磨削时跳动，影响外径与磁盘接触状态及磨削过程中的稳定一致性，机床自带支承块结构如图2。支承块合金端面为平面时，滚子外径只依靠磁力吸附在磁盘上进行转动，磨加工时，有时会出现接触不完全，加工出来的端跳值偏大，借鉴贯穿式无心磨托板倾斜角与导轮的配合，对其结构进行改进，见图3。改进结构是将端面在磁盘方向倾斜一定角度β，β值越大，滚子与磁盘之间的作用力增大，磁盘驱动滚子均匀旋转，减小滚子前进时阻力并增加滚子运动的平稳性。β值过大时，滚子中心高度会低于下支承端面，不利于调整，依据滚子直径和高度，一般取值30°～45°。

2.3端跳、曲率半径的调整要点分析

根据前面的加工原理分析可得，影响滚子加工后的端面跳动和曲率半径的主要因素是滚子自身的中心线、砂轮中心线、砂轮轴旋转的中心线的相对位置和夹角，主要存在以下几种情形：（1）滚子中心线与砂轮中心线不在水平面上相交，而在其他平面相交；（2）滚子中心线与砂轮中心线不在水平面上相交，也不在其他平面相交；（3）砂轮中心线与砂轮轴中心线不同心。其中（1）磨削后的滚子端面是球面，（2）磨削后的滚子端面不是球面，（3）磨削后的滚子无法形成稳定的曲率半径。此外，滚子球基面加工工序前滚子的圆度、直线度和两端面平行差，会影响其与磁盘、支承块、后支撑的接触状态，从而影响加工后滚子的尺寸和形位公差一致性。因此，在调整过程中，首先保证滚子进入该工序前的精度要达到一定要求，其次，保证磁盘、支承块与滚子接触充分且相对稳定，滚子球基面磨床的砂轮进给中心线必须和砂轮中心线保持一致，若不一致，由于砂轮中心线在磨削过程中和砂轮磨损后补偿时轴线的轨迹是一组平行线，磨削状态不能相对稳定，滚子表面外观会发生变化。最后，在各工装调整到位、砂轮修整完毕后，磁盘上磁但不旋转，滚子放置到工作位置，砂轮轴向前进给，使旋转的砂轮与静止的工件少许接触，然后立即退刀，观看滚子端面相对中心的两边磨痕状态，如果是双边对称磨削，则表明调整状态是合适的，如果是单边磨削，需要进一步调整。

3检测问题分析及改进

球基面加工工序存在的相关检测问题主要有以下几点：（1）球基面形状、曲率半径SR数值准确性；（2）高度尺寸检测的准确一致性；（3）球基面圆周方向存在不可避免的划痕；（4）端跳测量时对外径及球基面外观的破坏。

3.1检测准确性、一致性

球基面形状、曲率半径SR数值通常使用曲率样板光隙法，用标准曲率样板（图纸要求的上下半径公差）贴合在过滚子轴心线的端面位置上，以透光法来观察磨削后的球基面与样板的吻合程度，当使用曲率样板对磨削以后的滚子基面进行严格透光检查时，有时会发现某台磨床磨出来的滚子不合格，产生所谓“三点”或“四点”，调整砂轮轴线时应仔细观察球基面的表面加工纹路，两轴心线相交时应为交叉网状纹路，出现放射状纹路说明两轴心线没有相交。该测量方法适合于SR数值范围较宽时，不过受人为经验影响较大。对于高精度滚子，SR数值范围较小，必须采用精密测量仪器，利用专用工装进行中心定位和专用球基面分析模块（如图4所示），分析可得准确数值及形状[4]。由于球基面的存在，测量高度时两端面不同心，定位误差较大且会导致测量过程不稳定。对于圆锥滚子，长度公差带一般较宽，可以小端面定位，在G903等高度仪器上进行常规测量，对于高度数值范围要求较小时，小端面平面度/平行差等精度较低会导致此方法不可行；对于圆柱滚子，两端面均为球基面且高度公差较小，常规方法不可行。解决方法：可利用端跳仪器进行测量，调整表尖测量点与定位支撑点在同一圆周上，以计量合格的高度标准件对表，进行比较测量，如图5所示，由于两端测量点在同一直线上，且与滚子轴线在同一平面内或平行于滚子轴心线，测量精度较高。

3.2外观问题

球基面加工过程中由于后支撑点定位的方式，不可避免的会在端面圆周上出现划痕。圆锥滚子存在于小端面，不影响实际应用，一般是可以接受的，而对于圆柱滚子，两端面均为工作面，一面在加工完成后必然会存在划痕现象，结合加工工艺和设计上的实际应用，解决方法：（1）设计上依据滚子与挡边理论接触关系的计算来确定应用直径范围，工艺上调整后确定支撑点位置，保证加工精度的前提下将划痕避开应用区域，尽可能的靠近倒角或者凹穴边缘；（2）调整支撑部位的硬质合金为陶瓷等材料，避免钢与钢的相对磨损；（3）对于外观要求特别严格的圆锥/圆柱滚子，可以增加光饰工序，可有效消除划痕并改善球基面粗糙度及应用状态。端跳测量过程中产生的划伤，主要是端面后定位接触球基面和V形块反复接触外径面造成的，虽然球基面为端面的终磨工序，外径后工序还有精磨和超精，但在后期终检分组也需要按比例抽检端跳，问题同样存在。解决方法为：后定位的合金点支撑改为陶瓷块平面支撑，V形块表面粘贴厚度均匀的橡胶皮垫，表尖由传统的硬质合金改为红宝石，三者叠加使用并经实践验证非常有效。

4改进前后数据对比

随机抽取10粒滚子，同一台机床上同一操作者分别使用常规方式和遵循改进注意要点的方式对滚子球基面进行加工，使用同样的仪器、标准件对前后的产品进行检测，数据见表2。通过表中数据可以看出，使用常规方法加工的产品质量不稳定，部分数据不满足技术要求，外观不合格；注意改进要点而加工的产品尺寸、端跳、曲率半径、粗糙度和外观均满足产品要求，且一致性较好。

5结束语

滚子形状虽然简单，但要控制的检测项目繁多，其中滚动面形状及数值、球基面及非工作表面质量是技术难点。尤其是滚子加工绝大多数是批量化生产，想要稳定制造出高质量、高精度的滚子，除了目前具备的一些先进加工设备和检测仪器外，各种外观问题层出不穷，本文仅以球基面为例说明，其他工序的很多细节也需要注意，特别是支撑点、测量接触点/面、转运/存储等需要重点关注，才能保证产品的整体质量。

参考文献：

[1]蔡秉华.圆锥滚子球形基面通过磨削时基面形状分析[J].轴承，1993（6）：14-17.

[2]王翔宇，王晔，王玉红.圆锥滚子球基面加工工艺的探讨[J].哈尔滨轴承，2008，29（1）：32-34.

[3]3MZ4250滚子球基面磨床使用说明书[Z].石家庄：石家庄市亚星机械有限公司.

[4]周立民，李蜀红.圆锥滚子球基面接触距的测量[J].轴承，2012（9）：49-50.

作者:刘旗 郭培锐 高武正 单位:洛阳轴承研究所有限公司