轴承套圈磨超加工新技术及其国内外发展状况

轴承套圈磨超加工新技术及其国内外发展状况1 前言作为整个工业基础的机械制造业，正在朝着高精度、高效率、智能化和柔性化的方向发 展。磨削、超精研加工（简称“磨超加工”）往往是机械产品的终极加工环节，其机械加工 的好坏直接影响到产品的质量和性能。作为机械工业基础件之一轴承的生产中，套圈的磨 超加工是决定套圈零件乃至整个轴承精度的主要环节，其中滚动表面的磨超加工，则又是 影响轴承寿命以及轴承减振降噪的主要环节。因此，历来磨超加工都是轴承制造技术领域 的关键技术和核心技术。 国外轴承工业，60 年代已形成一个稳定的套圈磨超加工工艺流程及基本方法，即：双端面 磨削无心外圆磨削滚道切入无心磨削滚道超精研加工。除了结构特殊的轴承， 需要附加若干工序外，大量生产的套圈均是按这一流程加工的。几十年来，工艺流程未出 现根本性的变化，但是这并不意味着轴承制造技术没有发展。简要地说，60 年代只是建立 和发展“双端面无心外圆切入磨超精研”这一工艺流程，并相应诞生了成系列 的切入无心磨床和超精研机床，零件加工精度达到 35um，单件加工时间 1318s（中小 型尺寸） 。70 年代则主要是以应用 60m/s 高速磨削、控制力磨削技术及控制力磨床大量采 用，以集成电路为特征的电子控制技术的数字控制技术被大量采用，从而提高了磨床及工 艺的稳定性，零件加工精度达到 13um，零件加工时间 1012s。80 年代以来，工艺及设 备的加工精度已不是问题，主要发展方向是在稳定质量的前提下，追求更高的效率，调整 更方便以及制造系统的数控化和自动化。 2 轴承套圈的磨削加工 在轴承生产中，磨削加工劳动量约占总劳动量的 60%，所用磨床数量也占全部金属切削机 床的 60%左右，磨削加工的成本占整个轴承成本的 15%以上。对于高精度轴承，磨削加工 的这些比例更大。另外，磨削加工又是整个加工过程中最复杂，对其了解至今仍是最不充 分的一个环节。这个复杂性表现在：所要求的性能指标更多、精度更高；加工成形机理更 复杂，影响加工精度的因素众多；加工参数在线检测困难。因此，对于轴承生产中关键工 序之一的磨削加工，如何采用新工艺，新技术，以高精度、高效率、低成本地完成磨削过 程，便是磨削加工的主要任务。 21 高速磨削技术 高速磨削能实现现代制造技术追求的两大目标提高产品质量和劳动效率。实践证明：若将 磨削速度由 35m/s 提高到 5060m/s 时，一般生产效率可提高 30%60%，对砂轮的耐用 度提高约 0.71 倍，工件表面粗糙度参数值降低 50%左右。 一般磨削速度达到 45m/s 以上称为高速磨削。国内以我所八十年代研制的 ZYS811 全自 动轴承内圆磨床为代表，率先在国内轴承行业套圈磨削加工中应用高速磨削技术，配套成 功研制了高刚度、高转速、大功率电主轴及高速砂轮。而国内外高速磨削早已广泛应用， 并随着广泛采用高磨削比,高耐用度的超硬磨料如 CBN，砂轮磨削速度已达 80120m/s， 甚至更高。如：德国 Mikrosa、日本 KOYO 公司的无心磨床，日本 TOYO 公司的轴承内圆 磨床等，外表面磨削砂轮线速度达 120m/s，内表面磨削线速度达 60m/s80m/s。 增大砂轮驱动（传动）系统的功率和提高机床的刚性，是实现高速磨削一条重要措施，而 其中高速主轴单元是高速磨床最为关键的部件。在高速磨削中，砂轮除应具有足够的强度 外，还需要保证具有良好的磨削性能，才能获得高磨效果。另外，冷却装置也是实现高速 磨削不可缺少的装置之一。 22 CBN 砂轮磨削技术 立方氮化硼磨料简称 CBN 磨料，由其制造的砂轮称为 CBN 砂轮，其主要具有下列特征： 硬度高，导热率高，热稳定性好，可承受 13001500高温。 耐用性高，磨耗小， 磨削比可达 400010000（磨削比是指磨削过程去除工件材料量与砂轮磨损量的比值）而 普通刚玉砂轮仅为 5080。 磨削力小，磨削热小，加工工件应力小，表层应力薄或没 有。 辅助时间（修整砂轮、更换砂轮）大大减少。对我国轴承行业来说，利用 CBN 进行套圈磨削加工是种新的加工技术，应用前景非常 广阔，但需要研究解决下列技术：CBN 砂轮的制造技术、修整技术、专用轴承磨床和磨削 冷却液等。 由于 CBN 砂轮具有良好的加工特点，利用 CBN 砂轮进行轴承套圈磨削国外早已进行了研 制并应用于生产中，并称其为“生产加工技术的一场大革命”。从 1982 年以来，CBN 砂轮 在日本已大批应用，并且高速增长。 23 外表面磨削砂轮自动动平衡技术对于外表面磨削，由于砂轮较大并且为非均质组织体，砂轮系统重心总是偏离主轴中心， 高速旋转时必然引起砂轮系统及其整个机床的振动，直接影响机床的使用寿命。在此情况 下，磨削加工将难以达到高精度，易导致工件表面产生磨削振纹，波纹度增大。 机床砂轮上直接安装上机械的或其他方式的自动动平衡装置，开机后快速直接逼近最平衡 位置，自动平衡较为完善且还可省略砂轮静平衡。该项技术的突破推动了磨削技术的发展， 同时能够极大限度地延长砂轮、修整用金刚石及主轴轴承寿命，减小机床振动，长期保持 机床的原有精度。 24 快速消除内表面磨削空程的技术 在所有轴承磨加工设备中，内表面磨床的水平具有象征的意义。这主要是磨削孔径限制了 砂轮尺寸及相应的系统机构集合参数，从根本上限制了工艺系统的刚性，同时其加工精度 要求较高。这些都要求我们必须对内表面磨削的工艺过程进入深入的研究，除了最大限制 地发挥机床与砂轮的切削能力外，减小辅助磨削时间是提高磨削效率的关键，因为磨削空 程占整个磨削时间的 10%左右。 目前，国内外应用较为广泛的快速消除磨削空程的技术有以下几种：控制力磨削技术，恒 功率磨削技术，利用主动测量仪技术和测量电主轴电流技术。 25 CNC 数控技术及交流伺服技术交流伺服电机与 PLC 可编程序控制器的定位模块，伺服放大器相连即可构成伺服系统， 伺服电机本身带有光学旋转编码器，将其输出的信号反馈到伺服放大器即可构成半闭环控 制系统。在高转速（3000rpm）及低速运转都能保证定位精度，使用伺服系统可以完成快 跳、快趋、修整补偿、粗精磨削，使机床进给机构大大简化，性能可靠性大大提高。 26 交流变频调速技术在磨削中砂轮的线速度随着砂轮的消耗逐渐降低，其开始与终末的线速度之比约为 3：2。目前，在砂轮磨削领域已采用高线速度磨削，为了提高磨削效率、保证磨削质量一 致性，采用可编程控制器计算功能在每次修整砂轮后计算出砂轮半径，进而计算出保持砂 轮恒线速度的变频器输入频率，并传送给交流变频器，从而保证砂轮线速度不变。 3 轴承套圈的超精研加工超精研加工方法是从 30 年代中期开始发展起来的，其创立就是针对轴承滚动表面加工的， 它是一种精密的、经济的加工工艺，随着机械加工零件精密度及表面质量要求的不断提高， 超精研加工得到愈来愈广泛的应用。在我们轴承制造的光整加工（抛光、砂布带研磨、超 精磨和超精研）中占据重要地位。 超精研加工，简称“超精加工”，一般是指在良好的润滑条件下，被加工工件按一定的速度 旋转，油石按一定的压力弹性地压工件加工表面上，并在垂直于工件旋转方向按一定规律作往复振荡运动的一种能够自动完结的光整加工方法。 超精研工整个过程包括独立的区分明显的三个阶段：修整、恒定切削、磨光（也有分为： 切削阶段或自锐阶段、半切削阶段、光整阶段） 。并且整个过程在基本工艺参数（如切削速 度、油石压力和硬度、振荡频率、磨料种类、工件材料以及润滑冷却液等）不变的条件下 自动完结。 31 超精研加工的优点 3.1.1 能有效的减小圆形偏差（主要是波纹度） 。 3.1.2 能有效地改善滚道母线的直线性或加工成所需要的凸度形状。 3.1.3 能去除磨削变质层，降低表面粗糙度值。 3.1.4 能使表面具有残余的压应力。 3.1.5 能够在加工表面形成纹理均匀细腻的、较理想的交叉纹路。 3.1.6 能使工作接触支承面积增大。 32 超精加工对滚动轴承工作性能的影响 3.2.1 提高轴承的旋转精度，减低轴承的振动和噪声。 3.2.2 提高轴承的承载能力。 3.2.3 提高轴承的润滑效果，减小磨损。 3.2.4 减小轴承工作时的发热。 33 超精研加工技术 3.3.1 油石制造技术 它决定油石的使用性能，是超精研技术存在的前提，使用上要求：油石切削性能要好，损 耗要慢，又要有足够的强度。 其中，陶瓷结合 CBN 超精油石，能够保持连续不变的高切削率，同时磨损量非常小，临 界压力高，可大大提高工件加工的整体质量和统一性。金刚石超精油石，能够获得最高的 切削率，最小的磨损率和最佳的表面精研效果。立方体碳化硅油石，类似于金刚石立方体 氮化硼，切削力和加工质量仅次于前两者，比一般的碳化硅高。 3.3.2 超精加工工艺技术 超精加工工艺上将整个超精研过程分为粗超和精超二个阶段。粗超阶段中油石磨料比较锋 利，油石压力较高，工件转速较低，摆头频率较高，因而切削能力强，是去除工件加工量 的主要阶段。精超阶段中油石磨料相对钝化，油石压力较低，工件转速较高，摆头频率较 低，因而切削能力减弱，对工件表面的抛光作用加强，大大降低表面粗糙度值。 其中，一序二段法，一序二步法，油石自动补偿技术，油石自动供给技术，粗、精超油石 自动变换技术和高频小振荡加低频大往复技术等都在国内或国外设备上有所应用。 3.3.3 工件定位技术目前滚道超精研机常用的工件定位方式有下列几种：端面滚轮机械压紧式无心夹紧，液 压定心端面滚轮机械压紧式夹紧，双滚轮驱动端面压紧式无心夹紧。 3.3.4 润滑冷却技术 超精加工时润滑液主要三个作用：冲洗冷却，润滑，形成吸附油膜。 超精加工对润滑冷却的要求：适当的粘度，防锈功能，挥发性小，重复使用。 超精加工对润滑冷却液的过滤精度有严格的要求，因此必须有高精度的过滤装置来保证。 综上所述，工艺工装专业委员会围绕中轴协技术委员会“十五”攻关项目要求，打造精品滚 子轴承，重点研究如下： 1.轴承滚子的磨、超问题。其中滚子凸度对数曲线超精技术在“八五”就已取得成功，目前 主要是是推广应用和提高超精系统的可靠性、稳定性问题。 2.开发研究并完善的套圈滚道凸度超精机。虽然此项技术研究已取得一定的成果，但距离达到 SKF 公司的先进的实物水平还差一定的距离。 3.对档边的带凸度超精研技术及装备开发。 4.滚子的端面超精技术研究及设备开发。 5.推动新型油石的产业化工程和普及与应用。 6.将上述先进的、最新的专利技术应用到滚子轴承的磨超设备技术改造和新一代设备研发 上来。同时大力推进滚子轴承的自动生产装配线的研发。 我们也希望相关轴承企业与工艺工装专业委员会加强联系，密切合作，共同推动轴承行业 的技术进步。