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轴承圈磨加工技术发展状况
作者：bearingpower 发表时间：2010-12-12
作为整个工业基础的机械制造业，正朝着高精度、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。在轴承的生产中，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。 国外轴承工业在上世纪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-滚道切人无心磨削-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，大量生产的套圈均按这一流程加工。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“双端面磨-无心外圆磨-切入磨-超精研”这一工艺流程，并相应诞生了成系列的切入式磨床和超精研机床，零件加工精度达到3~5μm，单件加工时间13~18s（中小型尺寸）；70年代主要是应用60 m/s高速磨削、控制力磨削技术及大量采用控制力磨床，以集成电路为特征的数控技术被大量采用，从而提高了磨床及工艺的稳定性，零件加工精度达到1~3μm，零件加工时间10~12s；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、调整方便性、数控化和自动化。 国内轴承工业自上世纪50年代起轴承套圈磨加工工艺及装备基本沿袭前苏联的老工艺，普通磨床，半自动磨床，摆头磨床和台式磨床大面积使用，超精研基本采用抛光工艺；60年代随着“三电技术”（即：电磁无心夹具，电主轴和电感式主动量仪）的重大突破，切入式衍磨床开始在行业使用；80年代随着从国外引进磨超加工工艺及设备技术的消化吸收，以及行业整体技术水平的提高，国内轴承套圈磨加工工艺及装备技术水平接近国外60年代末的水平，其中洛阳轴承研究所80年代研制的ZYS-811内圆磨床和VMGC-60沟道超精机基本代表行业先进水平。1 轴承套圈的磨削加工 在轴承生产中，磨削加工量约占总加工量的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，磨削加工比例更大。另外，磨削加工又是整个加工过程中最复杂，至今对其了解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，作为轴承生产中的关键工序之一，如何采用新工艺、新技术，高精度、高效率、低成本地完成磨削过程，成为磨削加工的主要任务。 (1)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35 m/s提高到50~60 m/s时，一般生产效率可提高30%~60%，砂轮的耐用度提高约0.7~1倍，工件表面粗糙度值降低50％左右。 一般磨削速度达到45 m/s以上称为高速磨削。国内以洛阳轴承研究所上世纪80年代研制的ZYS-811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，成功研制了高刚度、高转速、大功率电主轴及高速砂轮。而国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，砂轮磨削线速度已达80~120 m/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120 m/s，内表面磨削线速度达60~80 m/s. 增大砂轮驱动系统的功率和提高机床的刚性，是实现高速磨削的重要措施，而其中高速主轴单元是高速磨床最为关键的部件，俗称机床的“心脏”。洛阳轴承研究所研制的DZ、GDZ、2GDZ系列电主轴在行业大面积应用进一步证明这一点。 在高速磨削中，砂轮除应具有足够的强度外，还需要具有良好的磨削性能，另外，主轴润滑装置和冷却装置也是实现高速磨削不可缺少的装置。 (2) 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，主要具有以下特征：①硬度高，导热率高，热稳定性好，可承受1 300~1 500℃高温；②耐用性高，磨耗小，磨削比可达4000~10000（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50~80；③磨削力小，磨削热小，加工工件应力小，表面应力层薄或没有；④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进行套圈磨削加工的应用前景非常广阔，但需要研究解决以下‘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，国外早已进行了研制并应用于轴承套圈磨削生产中，还称其为“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。 （3）外表面磨削砂轮自动动平衡技术对于外表面磨削，由于砂轮较大并且卜为非均质组织体，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，直接影响机床的加工精度。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。 砂轮上直接安装机械或其他方式的自动动平衡装置，开机后能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。 （4）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行深人的研究，除了最大限度地发挥机床与砂轮的切削能力外，减少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。 (5) 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（3 000 r/min）及低转速时都能保证定位精度，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，进给分辨率可达0.25μm. （6）恒线速磨削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。2 轴承套圈的超精研加工 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在工件加工表面上，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成的光整加工方法。 超精研加工创始于美国，但是现在在欧洲和日本得到了进一步的发展和提高。德国的SUPERFINA、THIELENHAUS和NAGEL公司，日本的精工、东洋工业和大阪精机公司都是世界闻名的，对超精研加工工艺及装备的研究水平及产品均处于世界领先水平。如：德国的SUPERFINA公司生产的轴承套圈沟（滚）道超精机采用西门子数控系统，具有CRT屏幕显示，用NC技术控制工件的转速、油石振荡频率、油石压力、油石位置和加工时间，可以储存与工件有关的加工参数，还可随时调用机床调整程序和机床循环调整，也可以用NC技术控制滚道凸度的加工并可从加工沟道自动转换到加工滚道，或者做相反的自动转换。日本大阪精机公司生产的SF-R系列轴承套圈沟（滚）道超精机采用CNC数控系统，CRT屏幕显示，CNC控制超精油石、不同型号轴承工作条件的自动设定、超精研加工过程工艺参数的自动变换以及机床在没有工件、油石用完或断裂、油压或气压下降、润滑冷却液不足等情况下自动停机并实时显示报警。该机床为了满足柔性加工生产线的需要，还设计了柔性制造系统（FMS)：①油石自动供给装置，这个装置在它的油石送料斗中有10片或更多的新油石，并且能够自动卸除旧油石更换新油石；②超精研加工油石自动更换装置，为了在短时间内获得良好的加工表面，在超精研加工过程中两个用于粗精超加工的不同等级和硬度的油石在一个工位上可以自动转换，这样在一个工位上的工艺参数变化可达到5项。 超精研加工整个过程包括3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：工 件速度，油石压力，油石振荡频率和幅度以及润滑冷却 液等）不变的条件下自动完成。 （1）超精研加工的优点 ①能有效地减小圆形偏差； ②能有效地改善滚道横截面的直线性或加工成所 需要的凸度形状； ③能去除磨削变质层，降低表面粗糙度值； ④能使表面具有残余的压应力； ⑤能够在加工表面形成纹理均匀细腻的纹路（如： 拉丝工艺）； ⑥能使工作接触支承面积增大。 （2）超精加工对滚动轴承工作性能的影响 ①提高轴承的旋转精度，降低轴承的振动和噪声； ②提高轴承的承载能力； ③提高轴承的润滑效果，减小磨损； ④减小轴承工作时的发热。 (3)超精研加工技术 ①油石制造技术油石在超精加工中，占据着十分重要的地位，是超精研技术存在的前提，对于加工质量、生产效率、降低成本影响尤大。超精加工为一低速、低温、低压微量磨削过程。油石在工作中不进行修整，而又须在循环过程中保持其加工特性，这不仅要求油石质量均匀、稳定，尤其是油石要有适宜于具体加工对象的自锐性，这样才能在最短时间内，在切除磨加工留下的磨纹深度的前提下，继而获得光洁、平滑的加工表面，达到高质、高效的加工指标。 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。 立方碳化硅油石，类似于金刚石立方氮化硼，切削力和加工质量仅次于前两者，比一般的碳化硅高。 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两个阶段。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工件定位技术目前沟道超精研机常用的工件定位方式有以下几种：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，滚轮无心夹紧。 ④润滑冷却技术超精加工时润滑液主要有3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。 ⑤超精加工工艺参数的选择影响超精研加工效果的各工艺参数可简单归纳见附表。3 结束语 科学技术是当今世界经济社会发展的决定性力量，从上世纪90年代以来，数控技术极大地推动了轴承磨超加工技术的发展，磨超加工工艺及装备正朝着高精度、高效率、高可靠性、规模化、自动化、精益化、无人化、信息化、洁净化方向发展；直线伺服电机系统将代替机械传动＋伺服系统；高抗振、低热变形床身结构部件，超高速磨削，适应力控制超精加工等一大批高新技术不断推出，有些技术已逐步进人工业应用，这必将使我国轴承磨超加工技术向更高的方向发展，加快实现我国轴承工业从规模增长型向质量进步型的转变。- 市场一部：022-58519722
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