精密角接觸球軸承內(nèi)圈溝道磨削方法的分析

李獻(xiàn)會(huì)，敖正紅，周海波，尹延經(jīng)，焦春照

（1.洛陽(yáng)軸研科技股份有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039；2.河南省高性能軸承技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽(yáng) 471039；3.滾動(dòng)軸承產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，河南 洛陽(yáng) 471039）

軸承套圈加工仍以磨削精加工模式為主，磨削加工勞動(dòng)量占總勞動(dòng)量的60%以上，對(duì)于高精密軸承，磨削加工所占比例更大，因此，磨削加工是軸承生產(chǎn)中最關(guān)鍵的工序［1-2］。套圈溝道的精度直接影響軸承的旋轉(zhuǎn)精度、振動(dòng)噪聲、疲勞壽命等，因此溝道加工尤為重要。軸承內(nèi)圈溝道磨削加工有多種方法，各種加工方法有不同的適用范圍和加工特點(diǎn)，如果選擇不當(dāng)，輕則工作效率低，重則造成工件報(bào)廢。如何根據(jù)工件特點(diǎn)正確選取加工方法以高精度、高效率、低成本地完成加工成為內(nèi)溝加工的一道難題。

對(duì)支內(nèi)圈外徑面磨溝、支內(nèi)溝道磨溝、支內(nèi)徑面磨溝和逃逸法磨溝4種軸承內(nèi)溝磨加工方法進(jìn)行理論分析。并以7010C／P4和71810C／P4內(nèi)圈為試驗(yàn)對(duì)象，分別利用上述方法對(duì)軸承內(nèi)溝進(jìn)行磨加工，討論各方法的加工精度、合格率和加工效率，為軸承內(nèi)溝磨加工選擇更合適的加工方法。

1 角接觸球軸承內(nèi)圈磨削工藝路線

為保證精密軸承的高精度，軸承零件加工采用多循環(huán)的方法，精密角接觸軸承的加工循環(huán)次數(shù)甚至達(dá)到3次以上［3-4］。一般來(lái)說(shuō)，公差等級(jí)P4以上角接觸球軸承內(nèi)圈磨削加工至少需要粗磨、細(xì)磨2次循環(huán)才能滿足精度要求，其中溝道加工還需要超精或拋光。軸承內(nèi)圈磨加工基本路線為：端面→內(nèi)圈外徑面（簡(jiǎn)稱內(nèi)外徑）→內(nèi)溝道→內(nèi)徑面（簡(jiǎn)稱內(nèi)徑）。端面、內(nèi)外徑或內(nèi)溝道為加工基準(zhǔn)面，精度要求較高，是保證后工序加工精度的基礎(chǔ)。

磨削加工工藝路線的制定需綜合考慮設(shè)備能力、產(chǎn)品特點(diǎn)、質(zhì)量穩(wěn)定性、加工基準(zhǔn)的確定等，不同的磨削方式采用不同的工藝路線。以內(nèi)外徑或內(nèi)徑為基準(zhǔn)時(shí)的內(nèi)圈磨削工藝路線如圖1所示，圖中帶有括號(hào)的工序?yàn)椤胺潜匦韫ば颉?，如支?nèi)徑磨溝無(wú)需細(xì)磨內(nèi)外徑和精研內(nèi)外徑，而支內(nèi)外徑磨溝需要這2道工序。套圈磨削在多循環(huán)之間要進(jìn)行熱處理（常為低溫回火），去除附加應(yīng)力，促使組織穩(wěn)定，防止套圈尺寸和精度發(fā)生變化。

圖1 精密角接觸球軸承磨削加工兩循環(huán)工藝路線圖Fig.1 Process route of precision angular contact ball bearingabrasive machining for dual cycles

2 角接觸球軸承內(nèi)溝常用磨削方法

2.1 支內(nèi)外徑磨溝

支內(nèi)外徑磨溝是一種常用的軸承內(nèi)溝磨加工方法，其原理如圖2所示。一般采用電磁無(wú)心夾具。支承點(diǎn)采用硬質(zhì)合金，選用2個(gè)，并成一定角度，分別處于夾具的第3和第4象限。調(diào)整支承時(shí)要保證工件中心與夾具中心存在一定偏心量e，并使工件中心處于夾具第4象限。磨加工過(guò)程中，夾具轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)工件做勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，工件受支承的限位作用，并且工件與夾具存在一定偏心，套圈可以平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)。砂輪在磨加工前需要進(jìn)行修形，利用金剛筆將砂輪外緣修整成需要的形狀。砂輪對(duì)工件進(jìn)行外切磨削，外切磨削的特點(diǎn)是砂輪的外徑大，線速度高，磨削效率高。磨削方向與工件旋轉(zhuǎn)方向相同［4-5］。

圖2 支內(nèi)外徑磨溝原理圖Fig.2 Principle of grinding for inner ring groove by supporting outer diameter of inner

加工特點(diǎn)：1）采用外切磨削，磨削效率高；2）以內(nèi)外徑為磨削基準(zhǔn)，對(duì)內(nèi)外徑精度要求高；3）溝道加工精度一般。

2.2 支內(nèi)溝磨溝

支內(nèi)溝磨溝原理如圖3所示，這種加工方式表面上與支內(nèi)外徑磨溝相似，但加工原理大為不同。支內(nèi)溝磨溝以內(nèi)溝道為支承對(duì)象，內(nèi)溝道既為基準(zhǔn)面也為磨削面，加工過(guò)程中無(wú)需考慮內(nèi)外徑精度，且溝道磨削精度可大大提升。此外，后序加工內(nèi)徑面時(shí)，仍采用支承內(nèi)溝的方式，可以有效保證內(nèi)徑面精度。磨削方式仍采用外切磨削，加工效率高。支承所處位置和工件偏心與支內(nèi)外徑磨溝相同［6-7］。

圖3 支內(nèi)溝磨溝原理圖Fig.3 Principle of grinding for inner ring groove by supporting inner ring groove

加工特點(diǎn)：1）加工精度較高，尤其表現(xiàn)在內(nèi)圈溝道與內(nèi)孔的厚度變動(dòng)量Ki（壁厚差）上；2）外切式磨削，磨削效率高；3）采用支內(nèi)溝磨溝工藝時(shí)，省去了內(nèi)圈擋邊外徑磨削工序，節(jié)省了工時(shí)。

2.3 支內(nèi)徑磨溝

支內(nèi)徑磨溝原理如圖4所示，其采用前、后2個(gè)支承分別支承工件內(nèi)徑面，工件中心處于夾具第4象限，前、后支承使工件中心與砂輪中心基本處于同一水平面上，工件直接承受砂輪進(jìn)給的切削力。這種加工方式以內(nèi)徑面為基準(zhǔn)，溝道精度由內(nèi)徑精度保證，而內(nèi)徑的加工以內(nèi)外徑為基準(zhǔn)，因此對(duì)內(nèi)外徑加工要求極高。磨削中需嚴(yán)格控制進(jìn)給量，進(jìn)給量過(guò)大，超過(guò)工件的變形抗力時(shí)，易導(dǎo)致工件產(chǎn)生變形，造成工件尺寸、圓度等精度很難控制［6-7］。

圖4 支內(nèi)徑磨溝原理圖Fig.4 Principle of grinding for inner ring groove by supporting inner diameter

加工特點(diǎn)：1）對(duì)前工序內(nèi)外徑、內(nèi)徑精度要求極高；2）對(duì)操作者技能要求高；3）生產(chǎn)效率不高。

2.4 逃逸法磨溝

逃逸法磨削內(nèi)溝是一種非限位式磨削方法，原理如圖5所示。前支承為內(nèi)支承，偏心處于第1象限，后支承為外支承，偏心處于第4象限，兩支承夾角β＝30°～45°。砂輪進(jìn)給磨削工件時(shí)，若切削力超過(guò)電磁無(wú)心夾具的夾持力，工件將脫離第4象限的外支承。隨著磨削力的減小，工件又回落至外支承進(jìn)行正常磨削。如此重復(fù)，直至磨削到所要求的尺寸［7］。

圖5 逃逸法磨溝原理圖Fig.5 Principle of grinding for inner ring groove by escape method

加工特點(diǎn)：1）對(duì)前工序內(nèi)外徑、內(nèi)徑精度要求高；2）適用于薄壁系列軸承磨削；3）工件加工變形量??；4）生產(chǎn)效率不高。

3 角接觸軸承內(nèi)溝磨削工藝分析

軸承套圈磨加工工藝的制定主要從加工精度、合格率和效率等幾方面考慮，既要保證產(chǎn)品質(zhì)量又要兼顧生產(chǎn)效率。精密角接觸球軸承內(nèi)溝磨削方法的確定也需遵循這一原則。

選取精密角接觸球軸承常規(guī)系列7010C／P4和薄壁系列71810C／P4內(nèi)圈為試驗(yàn)對(duì)象，分別采用上述4種方法進(jìn)行內(nèi)溝磨削加工，以成品加工精度、合格率和生產(chǎn)效率為考核目標(biāo)，分析精密角接觸球軸承內(nèi)圈加工工藝。取2種試驗(yàn)軸承內(nèi)圈毛坯件各80件，利用上述4種方法分別進(jìn)行加工，每種方法加工20件，加工工件公差等級(jí)要求達(dá)到P4，然后對(duì)樣件進(jìn)行精度檢測(cè)。試驗(yàn)條件見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)條件Tab.1 Test condition

3.1 精度分析

通過(guò)試驗(yàn)得到4種加工方式下2種型號(hào)軸承內(nèi)溝精度及合格率，分別見(jiàn)表2和表3。

由表2可知，4種加工方法下7010C／P4軸承內(nèi)溝精度均能滿足工藝要求，合格率均大于90%。其中，逃逸法加工的工件精度平均值較高，除Ki值外其余各項(xiàng)精度均為最好，但加工時(shí)對(duì)內(nèi)外徑、內(nèi)徑精度要求較高；支內(nèi)溝磨溝方法的內(nèi)溝精度也很好，尤其是Ki的平均值僅1.01μm。

由表3可知，4種加工方法下71810C／P4內(nèi)溝精度及合格率要低于表2中的數(shù)據(jù)，這是由薄壁軸承溝道加工容易變形導(dǎo)致的。逃逸法加工薄壁軸承內(nèi)溝，由于其支點(diǎn)采用非限位式，避免了砂輪擠壓變形，產(chǎn)品加工精度較高，合格率達(dá)到95%；支內(nèi)溝磨溝的內(nèi)溝合格率達(dá)到90%，各項(xiàng)精度均合格，其中Ki平均值僅1.14μm；支內(nèi)外徑磨溝和支內(nèi)徑磨溝合格率較低，加工精度一般，原因在于其分別以內(nèi)外徑和內(nèi)徑為磨削基準(zhǔn)，基準(zhǔn)精度誤差會(huì)反映到內(nèi)溝精度上，從而影響溝道加工精度。

表2 7010C／P4內(nèi)溝磨削精度及合格率Tab.2 Precision and pass rate of inner ring groove bearing 7010C／P4

表3 71810C／P4內(nèi)溝磨削精度及合格率Tab.2 Precision and pass rate of inner ring groove of bearing71810C／P4

3.2 效率分析

支內(nèi)外徑磨溝以內(nèi)外徑為支承面加工溝道，支內(nèi)徑磨溝和逃逸法磨溝以內(nèi)徑為支承面，但內(nèi)徑加工仍需要以高精度內(nèi)外徑為支承面，因此這3種內(nèi)溝加工方式對(duì)于內(nèi)外徑精度要求極高，而內(nèi)外徑非關(guān)鍵尺寸，一般精度即可，這樣就造成加工工序的繁瑣和浪費(fèi)。而支內(nèi)溝磨溝以磨削面為支承面，不需要高精度的內(nèi)外徑，因此相對(duì)加工效率提高。

7010C／P4和71810C／P4內(nèi)溝細(xì)磨采用不同加工工藝的效率對(duì)比如圖6所示，圖中A，B，C，D分別代表支內(nèi)外徑磨溝、支內(nèi)溝磨溝、支內(nèi)徑磨溝和逃逸法磨溝。由圖可知，無(wú)論是常規(guī)系列還是薄壁系列軸承支內(nèi)溝磨溝具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，加工效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他3種磨削方式，這主要得益于其支承方式，加工面即支承面，以自身為基準(zhǔn)，無(wú)需高精度內(nèi)外徑，簡(jiǎn)化了加工工序。

圖6 精密角接觸球軸承內(nèi)溝磨削效率對(duì)比Fig.6 Comparison of precision angular contact ball bearinginner ring groove grinding efficiency

逃逸法磨削內(nèi)溝時(shí)，砂輪進(jìn)給磨削工件，切削力超過(guò)電磁無(wú)心夾具的夾持力，工件將脫離外支承，減小砂輪擠壓的變形。這種方式下為了減小工件變形，砂輪進(jìn)給減小，單位時(shí)間內(nèi)磨削量小，加工效率偏低。逃逸法磨削內(nèi)溝屬于一種犧牲加工效率提高加工精度的加工方式。

4 結(jié)論

1）精密軸承套圈磨加工采用多循環(huán)加工方式，可以降低磨削加工應(yīng)力，減小變形量，提升加工精度。

2）常規(guī)精密球軸承內(nèi)溝磨削宜采用支內(nèi)溝磨溝方法，可以保證內(nèi)溝磨削精度，內(nèi)外徑只進(jìn)行一次磨削加工就能滿足設(shè)計(jì)精度，避免了多循環(huán)加工，減少了加工工序，工作效率提高。

3）對(duì)于薄壁系列和特殊精度要求的精密球軸承內(nèi)溝加工，可選用逃逸法磨內(nèi)溝，雖然加工效率略低，但加工精度高，廢品率低。