薄壁深沟球轴承套圈端面和外径磨削的难点与改进措施

刘兢，杜志国，李江斌，张中元

(1.洛阳轴研科技股份有限公司，河南 洛阳 471039； 2.河南省高性能轴承技术重点实验室，河南 洛阳471039；3.滚动轴承产业技术创新战略联盟，河南 洛阳 471039)

薄壁轴承外径与内径尺寸比一般小于1.143，以满足结构要求，适应紧凑化设计[1-2]。近年来，高精度薄壁轴承需求量越来越大，应用越来越广泛。根据不同主机的结构特点，可采用不同系列的标准或非标尺寸薄壁轴承，如Kaydon公司已将其薄壁类轴承系列化，且全部为英制尺寸，轴承横截面大部分为等截面。薄壁轴承由于套圈壁厚较小，各加工工序中都易造成套圈的变形，特别是套圈端面、外径面的磨削精度难以保证，因此，以薄壁深沟球轴承为例，分析磨削难点，并提出了具体改进措施。

1 薄壁轴承加工难点

薄壁轴承直径大，套圈径向壁厚、轴向宽度相对较小，锻造、车加工、热处理和磨加工的整个加工过程都要严格控制，以防止套圈圆度、平面度超差，出现椭圆、棱圆以及端面翘曲变形等缺陷。

对各工序采取了不同的应对措施：1)在锻造工序，对于大尺寸和长径比小的薄壁轴承套圈，采用两件或两件以上合锻的方法生产，粗磨工序后再采用线切割的方法将套圈分离，以降低锻造工序的加工难度，减小套圈变形和端面加工余量，节省原材料，提高生产效率。2)车加工工序中，为减小由于车加工应力过大而产生变形，采用较大包络圆接触面积且未经淬火的钢制软爪夹持套圈进行粗车；粗车后增加一次附加回火，以消除应力；而后软磨端面，再对套圈进行精车。3)热处理过程中，尽量使用压模淬火控制变形，对没有条件压模淬火时，且淬火后对外径变形过大超过工艺要求的套圈，采用全面整形后再进行回火的方法加以校正，使其控制在工艺要求范围内。4)选择合适的磨削设备、加工方法和磨削工艺参数，保证套圈的磨削质量满足工艺图纸要求。

2 实例分析

以某型薄壁深沟球轴承外圈为例，对套圈端面和外径面磨削加工出现的问题进行分析。外圈外形尺寸为：φ239 mm×φ232.7 mm×8 mm，外径与内径比为1.029 1，外圈沟底有效壁厚2.39 mm。套圈材料为G95Cr18，成品轴承公差等级为P4，要求外圈平面度不大于0.020 mm，外径圆度不大于0.006 mm。为达到以上要求，粗加工后工艺要求外圈平面度不大于0.020 mm，外径圆度不大于0.015 mm。

薄壁套圈磨加工采用多次循环完成，工艺过程中以套圈的端面、外径面作为加工定位基准，套圈端面、外径面加工精度是保证后续沟道及内径面等表面加工精度的关键。外圈外径面加工中，粗磨作为热处理后的首次工序，由于热处理变形无规律，需要纠正变形的程度最大，因此是多次循环过程中加工难度最大的。外圈采用两件合锻工艺，热处理后端面平面度原始值为0.2～0.4 mm，外径圆度为0.2～0.9 mm。对于淬火后外径变形过大的套圈，人工整形后要求外径圆度不大于0.4 mm。如此大的端面翘曲和外径椭圆其加工难度较大。

2.1 端面平面度的纠正

外圈端面的磨削可以采用多种加工设备，通常采用M7475B立轴平面磨床和MG7340卧轴高精度平面磨床，即先用M7475B磨床去除60%～70%的留量，再采用MG7340磨床对套圈的两端面进行反复磨削，但端面平面度控制不太理想，散差大，产品合格率和生产效率较低。

为了解决此问题，改进采用多工位往复式高精度专用无磁双端面数控磨床MKD7675。此数控双端面磨床可以对套圈两端面同时进行无磁磨削，套圈在无磁的情况下定位、定心，套圈的翘曲处于自然状态，两片砂轮不断的磨削纠正套圈端面的翘曲，避免了原机床使薄壁套圈在反复充磁、退磁情况下磨削。

MKD7675的磨削主要特点为：

1)砂轮的进给、补偿采用交流伺服电动机驱动滚珠丝杠实现，进给、补偿准确，磨削精度高；

2)砂轮主轴采用恒力重载荷预紧，主轴轴向刚性好；

3)2个砂轮主轴部件采用双“V”形导轨副，支承刚性好，进给运动灵活，响应灵敏度高；

4)砂轮磨损后采用摆臂双点一次修整的形式，修整摆臂无级调速，使用和操作方便；

5)砂轮驱动采用变频调速的电动机，可实现差速磨削。

但由于外圈宽度仅8 mm，已超出了机床的加工范围，因此，对数控双端面磨床的进料支撑及定位机构进行了改进设计。进料机构在确保机床刚性的情况下将进料支承板厚度减至6 mm，同时，将磨削中套圈的定位方式由滚动滑轮改由滚动轴承支承定位，降低磨削中套圈的摩擦阻力，使套圈在磨削运转时转动平稳，避免套圈卡滞引起磨削精度降低。

使用MKD7675磨床的磨削参数为：砂轮主轴转速768 r/min, 快趋速度3 mm/min,粗磨速度0.06 mm/min,精磨速度0.03 mm/min,光磨时间1～2 s，粗磨2次、精磨1次。

机床改进前后随机抽检各20件外圈进行平面度检测，结果见表1。由表可知，多工位数控双端面磨床磨削加工套圈端面的平面度可以控制在相应的工艺要求范围内，平行差和平面度除个别零件外均不超过0.02 mm。

表1 机床改进前、后套圈端面平面度检测结果

2.2 外径圆度的纠正

套圈外径面磨削加工使用3M2125机床。套圈外径面磨削时的磁力大小、零件偏心位置、偏心量及支承角等对套圈外径的加工精度产生重要影响，是机床加工调整中的关键。

2.2.1 电磁无心夹具磁力调整

磁力的大小依据经验应能够实现：薄壁轴承套圈零件转动过程中用手轻轻施加阻力，零件停转，手放松后，零件在电磁力的作用下可以平稳旋转。

2.2.2 偏心量调整

套圈壁薄而外径加工余量大(理论设计余量达1.2 mm)，加工方式为“支外径磨外径”，磨削过程中随着外径尺寸不断减小，偏心量增大，零件与支承面的摩擦增大，容易导致零件表面与支承面间产生剧烈摩擦，引起支承面磨损；同时偏心发生位移，严重影响零件加工精度。因此，外圈外径面磨削必须进行二次或多次调整，减小偏心量，并使其位于第四象限，以保证加工精度。

2.2.3 支点位置调整

后支承采用浮动支点，以更有利于套圈外径精度的保证。薄壁套圈外径面磨削应先改善平均外径变动量VDmp(棱面度)，根据经验，改善外径面棱面度所消耗的加工余量大约是改善外径面其他精度所消耗加工余量的2～3倍。外径棱面度越小，加工沟道时定位误差越小，复映到沟道的误差越小，沟道的圆度值越小，同时沟道相对外径的厚度变动量越小。在加工余量为0.2～0.3 mm时，必须进行二次调整，调整套圈的偏心量及两支承的角度，以改善椭圆确保加工精度。

外径面磨削过程中偏心方位变化如图1所示，图中O为磁极中心；O′为零件原始外径中心；O″为磨削过程中减小的外径中心；α为工件水平中心线与后支承之间的夹角；β为前、后两支承之间的夹角；γ为工件旋转方向上磁极和零件中心线与前支承之间的夹角，γ角决定了零件承受径向支承力的方向。加工中支承角α、两支承间夹角β对加工精度的影响较大，当支承角α≈32°，β≈116°时，改善棱面度最为明显；当α≈15°，β≈90°时，改善椭圆最为明显[3]。

图1 偏心方位变化示意图

2.2.4 其他方法

薄壁套圈外径面磨削受多种因素的影响，实践证明，增加外径面磨削次数、抬高零件中心高、增大单个支承的包角、增加浮动支承的柔性、增加进给光磨循环程序等都有助于提高外径加工精度，需要结合生产实践寻找最优组合。

需要特别指出的是，磨削应力的存在极易使薄壁套圈发生椭圆变形，为此在薄壁套圈加工磨削过程中要穿插安排至少3～4次附加回火，以消除磨削应力。粗磨时磨削量较大，产生的磨削应力大，粗磨过程中需进行一次附加回火；粗磨后再安排一次附加回火；细磨循环后增加一次附加回火后进行精磨循环；细磨循环中依变形情况决定是否再增加一次附加回火。

2.2.5 加工效果

设定外圈在3M2125机床上的磨削参数为：砂轮主轴转速1 116 r/min, 工件转速80 r/min,粗磨进给量0.010～0.015 mm/次，精磨进给量0.006～0.010 mm/次,光磨时间2～3 s，砂轮粗磨每磨2件修1次，精磨每磨5件修1次。经过上述对机床的调整和2次磨削后，随机抽检20件套圈，外径单一平面外径变动量VDsp(圆度)和平均外径变动量VDmp(棱面度)检测结果见表2。

表2 外径精度检测结果

由表可知，在对机床的调整和2次磨削后，除1件套圈外径单一平面外径变动量VDsp为0.017 mm,未达到工艺要求，其余套圈VDsp值均不大于0.015 mm,达到了工艺要求。

2.3 粗磨工艺控制

如前所述，套圈零件原始端面、外径面精度差，通过在套圈粗磨阶段分2次循环：第1次循环中套圈端面平面度应控制在0.025 mm以下，粗磨外径面圆度必须控制在0.04 mm以下，然后稳定处理后进行第2次循环，使端面的平面度控制在0.02 mm以下，再将外径面磨削至工艺尺寸，外径面圆度控制在0.015 mm以下，使粗磨外径面的精度达到工艺要求。经过以上方法，最终加工出的轴承套圈合格率达到95%以上。

3 结束语

针对薄壁轴承深沟球轴承外圈磨削加工中存在的问题，通过改进采用MKD7675多工位数控双端面磨床磨削套圈端面，以纠正端面平面度超差问题，改进后比采用M7475B和MG7340平面磨床组合加工的方法加工精度明显要高；磨削外径面时，采用多次精细调整机床的方法，有效改善了外径面的圆度，降低了废品率，满足了生产需要。

随着各种特殊结构高精度薄壁轴承需求量的增大，薄壁轴承的加工中还会出现更多难题，寻找更好的加工设备和方法以及有效的纠正措施，还需要在生产中不断的探索和改进，以进一步提高套圈的加工精度和生产效率。