球面滚子工艺水平及加工质量分析

　　摘　要：针对球面滚子现行加工工艺留量大、加工工序多等问题，指出球面滚子球基面半径弦高误差及位置误差、外径尺寸合格率低的原因并进行分析，同时对球面滚子加工工艺提出了改进措施。
　　关键词：滚动轴承；球面滚子；外径留量；贯穿磨削；光饰
　　球面滚子生产工艺一般分为两种，滚子直径在28mm以下的，采用冷镦或普通压力机冲压成形，直径大于28mm以上的滚子采用车制成形。成形后滚子软磨及热处理后的硬磨工序基本一致，但加工工艺距国外先进水平仍然存在差距，产品精度低。
　　1　工艺现状分析和存在问题
　　1.1 工艺过程
　　工艺过程可分为两种：
　　（1）冲压工艺过程（直径≤28mm）：切料→压形→去环带（或窜环带）→初次软磨外径→软磨双端面→软磨外径→热处理→磨双端面→一次粗磨外径→二次粗磨外径→一次细磨外径→二次细磨外径→磨球基面→粗磨外径→终磨外径→光饰。
　　（2）车制滚子工艺过程（直径≥28mm）：车滚动表面、小头端面及倒角、切断→车大端面、倒角及穴径→热处理→一次粗磨外径→磨端面→二次粗磨外径→一次细磨外径→二次细磨外径→磨球基面→精磨外径→终磨外径。
　　从上述两种工艺看，滚子加工工序多，仅外径就多达8遍。加工搬运量增加，滚子碰卡伤机会增多，生产周期长，在制品数量增加。一些工序的装备配置和选择不合理，滚子质量难以达到工艺标准。工艺的编制及工艺的合理性与工艺装备等诸多因素有着密切的关系。
　　球面滚子生产工艺的编排不合理，主要受以下方面的影响：
　　①工艺留量大，冲压模具经过一段时间冲压后，模具尺寸涨大，导致留量在原工艺留量的基础上又有所增大，使下工序的磨削次数增加。
　　②基础工序滚子精度低，依靠加大磨量改善上工序的缺陷是一种落后加工方法。
　　③受设备加工性能和加工精度的限制，如外径贯穿磨削，每次的磨削量较小，若磨削量大会造成滚子的烧伤。贯穿磨削精度较低，但生产效率较高，一般班产在2万粒以上，而切入磨班产量只有0.6-0.7万粒左右。
　　④现有滚子磨床大多采用轴承通用磨床，而滚子的专用磨床可供选择的太少。
　　⑤对工艺改进的必要性认识不够，满足于现状，有些环节甚至退步。
　　1.2 工序能力
　　从滚子工艺情况调查来看，各工序能力的差距也不一样，情况如下：①切料工序，切料均为开式，造成马蹄形（平行四边形状），切料端面带有毛刺。②冲压工序，由于料段产生的马蹄形，使Z31-25冲压工序出现倒角偏、穴径和环带偏，毛刺造成倒角垫伤、滚子压欠等缺陷。切料长度超差较大，且因压力机本身属于单工位一次成形，滚子环带偏、单边高度高，且极不均匀，端面有凹心，压欠缺陷，倒角卷冲、垫伤。滚子直径、长度留量大，直径为0.5-0.6mm，长度为0.5-0.6mm，软磨留量太大。冲压工序主要问题是冲压缺陷占5%-8%左右，不合格品经返修后，废品约1.6%。③车制工序，车削量大，造成表面粗糙度100%达不到工艺标准，车工刀痕深，在后工序极易露出车工刀痕，有时操作者为了避免废品增多，依赖增加留量的方法。④球基面磨削工序，它是目前滚子生产中的Z薄弱环节，由于设备的精度和设备性能，基面粗糙度达不到工艺标准，端面跳动超差现象较普遍，这种工艺方法既不科学又不合理。⑤贯穿磨外径工序，由于受螺旋导轮精度的影响，球面位置与球面R弦高不能完全满足工艺标准。此外还有直径尺寸偏差也不能保证，一般情况下合格率约占50%-60%。⑥滚子的精、终磨加工一般采用切入磨削，加工精度较贯穿磨削外径精度高，除表面粗糙度和尺寸精度外，其他的几何精度合格率均在90%以上。
　　1.3 模具
　　模具质量差，使用寿命低，内孔涨量较大，压形时切料长度需随时调整也难以保证。特别是大滚子去环下刃口的直径很难确定，涨量大的滚子去环时外径极易拉伤，严重的会使大头倒角缺陷，以普通压力滚子为例，压形环带下直径公差设计要求为＋^0.30，而实际水平为＋^0.60，也就是说滚子冲压留量实际为设计留量和模具涨量，即Z大约为0.9mm。导致软磨量加大，严重影响软磨质量。冲压滚子外径留量大，冲压模具经过一段时间冲压后，模具内孔尺寸涨大，导致原设计留量在较大基础上又增大，导致后工序磨削遍数多，应采用新型耐磨、耐冲击、耐疲劳的模具材料。从以上几个方面看，工序能力Z差的当属球基面工序。
　　对滚子的工序现场进行质量抽查，共抽查了24个规格不同的滚子。从部分滚子的检测结果看，只有普通压力机（160t、250t）加工的滚子22317和二次粗磨外径（无心贯穿磨削）加工的滚子22316合格率在90%以上，合格率占抽查产品的8.3%。其中滚子球面曲率半径R弦高误差及尺寸合格率Z低。
　　2　球面滚子工艺改进措施
　　（1）压缩留量：Ø10-26mm冲压滚子占很大的比重，其外径留量在0.6-0.8mm，再加之模具涨大的因素，冲压留量达到0.8-1.0mm，势必增加下工序磨削量。根据实际经验，冲压留量可压缩至0.4-0.5mm。因此，应有计划地修改冲压滚子模具，进行少量规格的试验，然后再全面的推广。软磨留量目前是0.35mm左右，按热处理水平压缩到0.25mm是完全可以的。
　　（2）减少工序：由于滚子留量大，工序特别多，以外径加工为例，共有8-10道。如果压缩了留量，并且对砂轮性能和质量改进，外径工序可以减到4-5道。初次软磨一遍，贯穿粗磨、细磨、切入精磨都可由两遍改为一遍。
　　（3）采用先进光饰工艺：Ø30mm以下球面滚子终加工采用光饰工艺，扩大滚子光饰范围，既提高效率，又能保证滚子质量，对M8701加工的滚子也可试验用光饰，改善工人的作业环境。
　　（4）磨加工采用专用滚子磨床：球面滚子精、终磨设备现在用3MZ2110、3MB2520，这些设备既不是滚子专用设备，又年久失修，因此加工精度没有保证，必须寻求专用磨床。
　　（5）半封闭冲压滚子采用带锯切料，提高切料质量。
　　（6）现有冲压设备年久失修，相当老化，仍在超期服役，也需要尽快改进。应采用高速冷镦机及多工位冷镦机，以保证冲压滚子毛坯质量。
　　3　改进工艺后效果
　　从冲压工序有关数据和试验跟踪情况来看，在保证冲压长度和同轴度前提下，冲滚子的倒角、穴深、穴径都能够保证。从环带下直径的测量数据来看（测量时取的是一个压形下模，在冲压开始时和冲压结束时测量数据）模具内径涨量达0.15mm左右，冲压球面滚子压形下模Z大径留量一般在0.6-0.7mm左右，小头接口处留量在0.8-0.9mm左右，加之冲压模具使用一段时间内径涨大，涨量在外径的1%左右。这样Z大径留量一般在0.6-0.8mm左右，小头接口处留量都在0.9-1.0mm。冲压外径留量太大，给下工序造成了不必要的磨削量，根据上述情况，选取23022CAF3/W33、22317CA、23036CA进行压缩留量试验。以23022CAF3/W33为例，试验结果见表1。 　　从贯穿软磨测量结果来看，经过两遍贯穿软磨就可达到软磨工序的尺寸要求，比压缩留量前减少了一遍磨削量，没有发现因压缩留量而造成质量问题。
　　经过几年来技术改造，通过压缩球面滚子留量，减少了滚子加工工序，减少了磨削遍数，使球面滚子部分工序产品质量有较大提高。同时通过减少磨削量，提高了生产效率。增加DDF3新车床，使车加工滚子造型精度有较大改观，减少了加工工序，提高了生产效率。车加工滚子硬磨双端面和一次粗磨外径实行了反序加工，减少了磕碰伤，从而减少了废品率，提高了倒角外观质量。采用了先进光饰加工工艺，使各类滚子表面粗糙度基本上达到工艺要求，明显提高了球面滚子的表面质量。