時可可，陳翠麗，倪濱昆，何紅玉，賀甜甜

(1.洛陽LYC軸承有限公司，河南 洛陽 471039;2.航空精密軸承國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽 471039;3.河南省高端軸承產(chǎn)業(yè)研究院，河南 洛陽 471039; 4.北京科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100083;5.河南科技大學(xué) 高端軸承摩擦學(xué)技術(shù)與應(yīng)用國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽 471023)

薄壁類軸承壁厚系數(shù)小于1.143[1-2]，具有截面積小,質(zhì)量輕,所占空間小等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于汽車、機(jī)床、工業(yè)減速器等機(jī)械裝備。因其徑向壁厚較小，剛性低，加工時極易產(chǎn)生變形，加工精度和表面質(zhì)量難以控制，特別是大型薄壁圓錐滾子軸承外圈，由于寬度方向的壁厚相差較大，加工時常出現(xiàn)嚴(yán)重的變形，廢品率較高。

國內(nèi)外學(xué)者對軸承套圈的加工變形進(jìn)行了一定研究：文獻(xiàn)[3]結(jié)合理論和試驗(yàn)分析了軸承套圈的切削變形，結(jié)果表明夾持變形以及切削過程中的殘余應(yīng)力是導(dǎo)致套圈變形的主要原因；文獻(xiàn)[4]分析了切削參數(shù)和夾緊方式對軸承套圈變形的影響，結(jié)果表明切削參數(shù)對套圈變形無顯著影響，扇形卡爪比使用芯軸夾緊造成的套圈形狀誤差大；文獻(xiàn)[5]分析了圓柱滾子軸承套圈在熱處理和磨削過程中出現(xiàn)橢圓的原因，給出了降低橢圓度的淬、回火工藝參數(shù)和磨削規(guī)范；文獻(xiàn)[6]基于有限元法對不同卡盤夾持下薄壁軸承套圈內(nèi)徑面的精車變形進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果表明與三爪卡盤相比，六爪卡盤受力點(diǎn)多，套圈不易變形；文獻(xiàn)[7]建立了軸承套圈熱處理變形的有限元模型，分析了殘余應(yīng)力對變形的影響，結(jié)果表明熱處理過程中應(yīng)力釋放引起的塑性變形是影響套圈圓度的主要原因；文獻(xiàn)[8]針對薄壁軸承套圈剛度低，加工時易變形的問題，提出了帶加強(qiáng)圈的加工工藝；文獻(xiàn)[9]為最大限度地消除輕、窄系列圓錐滾子軸承套圈的熱處理變形和磨削變形，提出了增加磨削基準(zhǔn)面和改變磨削余量的工藝方案；文獻(xiàn)[10]指出薄壁軸承套圈加工過程中產(chǎn)生變形的原因?yàn)闄C(jī)加工后的殘余應(yīng)力和零件自身內(nèi)應(yīng)力較大,定位面平面度不高,裝夾力較大,單次磨削量較大,磨削量不均勻,砂輪磨削工藝不合理，提出車輪廓前增加粗車毛坯及去應(yīng)力工序,車輪廓后增加去應(yīng)力工序,精研定位面,改變裝夾方式,減小單次磨削量,增加半細(xì)磨工序,優(yōu)化磨削工藝的改進(jìn)措施，并進(jìn)行了實(shí)際加工驗(yàn)證。

上述均為中小型薄壁軸承套圈加工變形的研究，關(guān)于大型薄壁圓錐滾子軸承外圈加工變形的研究較少，故有必要分析該類軸承外圈加工過程中產(chǎn)生變形的原因，并提出相應(yīng)的控形加工技術(shù)。

1 大型薄壁圓錐滾子軸承外圈的加工變形

大型薄壁圓錐滾子軸承外圈的加工一般要經(jīng)過鍛造、車削、熱處理、磨削等工序[11]，其中車削、熱處理及磨削是控制外圈外形尺寸精度、內(nèi)在特性和表面形貌的關(guān)鍵工序，各工序中的加工變形不可避免。

1.1 車削加工變形

車削加工是外圈毛坯件或鍛件切削成形的重要加工方式[12]，車削加工變形為夾具夾持變形和車削工藝不合理造成的切削變形[13]，表現(xiàn)為外圈的單一平面外徑變動量和平均外徑變動量超差。

1.2 熱處理變形

熱處理是提高軸承接觸疲勞強(qiáng)度、耐磨性、硬度及尺寸穩(wěn)定性等的關(guān)鍵工序[14]，熱處理變形主要表現(xiàn)為外圈直徑的變動量和端面翹曲，主要由淬/回火工藝中的熱應(yīng)力和組織相變應(yīng)力引起[15-18]，影響因素有淬/回火方式、工藝參數(shù)以及熱處理設(shè)備中淬火模具的整形效果。

1.3 磨削加工變形

磨削加工是提高外圈幾何精度和表面質(zhì)量的關(guān)鍵工序[19]，磨削加工變形[20]主要由磨削熱、磨削力以及工件剛性不足引起，影響因素有磨削工藝、工藝參數(shù)及支承方式等，表現(xiàn)為套圈端面的寬度變動量、單一平面外徑變動量超差。

2 控形加工技術(shù)

以L555249/L555210大型薄壁圓錐滾子軸承外圈為例分析，其結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵尺寸精度如圖1所示，材料為GCr15。外徑為315～400 mm的常規(guī)圓錐滾子軸承外圈寬度、外徑和滾道直徑車加工后的工藝留量見表1，特輕、超輕系列外圈在此基礎(chǔ)上增加0.1～0.2 mm。

通過優(yōu)化關(guān)鍵工藝和改進(jìn)工裝的方式控制加工變形，車削、熱處理及磨削主要控形指標(biāo)要求見表2。

表2 車削、熱處理及磨削主要控形指標(biāo)

2.1 車加工

文獻(xiàn)[21]分析了該類軸承外圈車加工工藝存在的問題，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施，在此僅簡要介紹。

2.1.1 原工藝及存在的問題

大型薄壁圓錐滾子軸承外圈的鍛造通常采用2個合鍛，傳統(tǒng)車加工通常夾持合鍛件的一端車削另一端，一般要進(jìn)行粗車和精車，粗車采用硬爪夾持工裝，精車采用軟爪夾持工裝，車加工后將合鍛件切為2個外圈。

存在的問題：1)粗車產(chǎn)生了較大的尺寸偏差，精車時會產(chǎn)生誤差復(fù)映；2)粗車硬爪尖點(diǎn)的夾緊方式以及較小的精車軟爪包絡(luò)面會使外圈變形。

2.1.2 改進(jìn)措施

1)增加車削二次夾持定位基準(zhǔn)工序；2)改進(jìn)粗車硬爪的夾緊方式，增大精車軟爪與外圈外徑面的接觸面積。

2.1.3 實(shí)際效果

優(yōu)化車加工工藝前后的外圈VDsp，VDmp如圖2所示：1)優(yōu)化前僅20%外圈的VDsp滿足車加工要求，VDmp均不符合車加工要求；2)優(yōu)化后95%外圈的VDsp，VDmp滿足車加工要求。說明優(yōu)化后的車加工工藝可有效控制外圈變形。

2.2 熱處理

2.2.1 原工藝及存在的問題

該大型薄壁圓錐滾子軸承外圈的熱處理通常采用鹽淬爐加熱，鹽冷淬火方式，工藝曲線如圖3所示。原工藝加工后套圈的淬、回火組織和硬度等熱處理質(zhì)量均能滿足普通產(chǎn)品要求；但大型薄壁外圈易產(chǎn)生較大的變形，一般淬火后還要進(jìn)行壓端面翹曲和熱整形等，勞動強(qiáng)度大，效率低，整形困難，且廢品率高。

2.2.2 改進(jìn)措施

1)原鹽淬爐淬火工藝改為淬火機(jī)2次油冷淬火工藝；2)整形過程由獨(dú)立的整形裝置改為二次淬火過程中采用壓淬模具整形。優(yōu)化后的熱處理工藝曲線如圖4所示：首先采用轉(zhuǎn)底爐加熱保溫和一次油冷淬火，其次采用淬火機(jī)帶模具二次油冷及模具整形，然后在回火爐中回火，最后在空氣爐中附加回火。帶模具二次油冷淬火是整形的關(guān)鍵過程，壓淬模具如圖5所示，是具有上、下2個帶錐面結(jié)構(gòu)的模具。

2.2.3 實(shí)際效果

優(yōu)化熱處理工藝前后的外圈CUC，VDsp如圖6所示：1)優(yōu)化前僅45%外圈的CUC滿足熱處理要求，VDsp均不滿足熱處理要求；2)優(yōu)化后外圈的CUC，VDsp均滿足熱處理要求。說明優(yōu)化后的熱處理工藝可有效控制外圈變形，且熱加工和整形連續(xù)緊密，勞動強(qiáng)度小。

2.3 磨加工

2.3.1 原工藝及存在的問題

原工藝流程為：初磨兩端面、外徑面、滾道→附加回火→終磨兩端面、外徑面→細(xì)磨滾道→終磨滾道→超精滾道。

原工藝在細(xì)磨滾道時磨削力會使外徑面產(chǎn)生變形，破壞了終磨外徑面作為基準(zhǔn)的精度，當(dāng)再次支承外徑面磨削滾道時，外徑面變形會復(fù)映到滾道上，導(dǎo)致滾道產(chǎn)生形狀誤差[9]，且不能較好地改善外圈內(nèi)部應(yīng)力。

2.3.2 改進(jìn)措施

保持外圈裝夾和支承方式不變，增加細(xì)磨兩端面、外徑面和二次附加回火工序，并將細(xì)磨滾道調(diào)整至細(xì)磨外徑面工序之后，優(yōu)化后的磨削工藝流程如圖7所示(虛線框中為本文增調(diào)的工序)。優(yōu)點(diǎn)：1)細(xì)磨工序細(xì)分了初磨和終磨工序的磨削余量，減小了磨削應(yīng)力造成的變形，提高了磨削精度，改善了表面質(zhì)量；2)二次附加回火工序進(jìn)一步消除了外圈在磨削過程中因磨削力和磨削熱產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，使工件快速達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

2.3.3 實(shí)際效果

優(yōu)化磨削工藝前后外圈的VCs，VDsp，VDep如圖8所示：1)優(yōu)化前僅45%外圈的VCs滿足磨加工要求，僅40%外圈的VDsp，VDep滿足磨加工要求；2)優(yōu)化后外圈的VCs,VDsp,VDep均滿足磨加工要求。說明優(yōu)化后的磨加工工藝可有效控制外圈變形。

3 成品實(shí)際加工效果

采用控形技術(shù)加工的大型薄壁圓錐滾子軸承外圈的主要技術(shù)指標(biāo)見表3，各項技術(shù)指標(biāo)均滿足要求。

表3 控形加工后大型薄壁圓錐滾子軸承外圈的主要技術(shù)指標(biāo)

分析改進(jìn)后的工藝成本：1)車加工方面，車加工留量未變化，工裝、夾具、夾爪可在車加工車間改進(jìn)，成本幾乎不變；2)熱處理方面，外圈熱加工工藝時間變化不大，增加了壓淬模具成本(約5 000元)，但減小了壓端面翹曲和橢圓頂形的工裝和人工成本；3)磨加工方面，磨削留量未變化，細(xì)磨和終磨可在同一磨床上完成，成本未增加，僅增加了二次回火成本。綜上所述，在利用現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)備和加工能力的基礎(chǔ)上，工藝優(yōu)化后增加的成本較小，與優(yōu)化前加工變形導(dǎo)致產(chǎn)品報廢的成本相比微不足道。

4 結(jié)束語

針對大型薄壁圓錐滾子軸承外圈在加工過程易變形的問題，分別對車削、熱處理及磨削工藝進(jìn)行優(yōu)化，改進(jìn)后的工藝有效控制了大型薄壁圓錐滾子軸承外圈加工過程中的變形，提高了加工質(zhì)量，降低了廢品率。