提高滚动轴承套圈滚道和滚子精度有序超精法

35提高滚动轴承套圈滚道和滚子精度的有序超精法无锡机床股份有限公司 （江苏 214061） 胡建清本文分析滚动轴承套圈、特别是大、中型轴承套圈或滚子超精加工后，轴承成品在使用中无法达到较高精度要求、回转精度不高，且可能在高速运转时产生较大噪声的原因，结合笔者长期以来的探讨和经验，分析选择一种科学获取超精参数的方法——有序超精法进行超精加工，以改善超精后的轴承套圈滚道，特别是大型轴承套圈滚道、滚子精度，从而满足高精度轴承的精度和低噪声要求。

这里所说的轴承套圈滚道是广义的，而滚子则主要是指调心轴承用的滚子（直径较大的腰鼓形柱体）。

1. 产生超精参数选择不当原因仅以圆柱滚子轴承的外圈进行滚道超精为例，结合轴承外圈滚道超精示意图（见图1），分析重要原因之一：模糊超精导致超精参数选择不当。

圈旋转一个角度后检测沿轴线与另一个直径组成的剖面内滚道的直线度则变为0.002mm ；并且轮廓形状也不同，前者可能为中凸偏左如图2a 所示，最高点在距基准端面为a 的位置，但后者可能变为中凸偏右如图2b 所示，最高点在距基准端面为b 的位置。

以及滚道、滚子的圆度值在轴向各不同圆截面上不一致。

例如在距滚道基准面轴向距离为a 处测得的圆度为0.001 5mm ，但在距滚道基准面轴向距离为b 处的圆度可能就为0.002 5 mm 了，并且圆度的形状也可能存在差异，从而该轴承圈在装配后的回转精度就不高，且在高速运转时会有较大噪声。

而形成轴承的滚道、滚子沿轴线剖面内轮廓度在不同圆周角度上不一致，以及滚道、滚子的圆度值在轴向各不同圆截面上不一致且形状不同的原因，就是传统的习惯性对轴承套圈滚道、滚子的模糊超精形成的。

我们假设滚子磨削加工精度和轴承套圈终磨削加工精度都是理想的，以便于集中讨论轴承套圈终磨削后的超精过程；另外，可以从本文下面所叙述的有序超精原理，自然延伸和理解滚子的超精过程及其他种类套圈的超精过程，用相同的方法来解决所有类似的问题。

轴承业人士知道，在对如图1的轴承滚道进行超精时是由如下动作实现的：超精机工件主轴带动轴承套圈作旋转运动；油石通过气动或液动的压力将端头压在轴承套圈被超精的滚道面上，并在超精图1 轴承外圈滚道超精示意图1中，A 为轴承外圈滚道宽度，C 为轴承外圈宽度，D 为轴承外圈外径，d 为轴承滚道内径，B 为油石的宽度，W 为油石的厚度（指油石与滚道超精面中点的切线方向上）。

模糊超精的实际超精参数极有可能因不当，从而导致轴承的滚道、滚子沿轴线剖面内的轮廓度在各圆周角度上不一致。

例如在沿轴线与一个直径组成的剖面内滚道的直线度为0.003mm ，但将轴承套图 2（注：为清晰表述，图中画出轮廓有夸张）（b ）（a ）机的油石振荡架带动下，沿轴承套圈宽度方向作往复运动来达到对轴承套圈滚道表面进行超精加工的目的。

目前，国内外生产的超精机的主轴转动通常是采用直流或交流变频调速的，振荡架的振荡频率也是通过直流电动机或交流变频调速的，采用数控系统进行伺服控制工件主轴转速和振荡架往复运动的超精机极其罕见。

即使是数控控制，一般会针对振荡头的往复运动速度和幅度进行控制，但超精机的工件主轴转速通常被认为没必要进行数控控制。

国产超精机的使用说明书中通常都会在规格参数栏标明工件主轴的调速范围、油石振荡架的往复频率范围和往复幅度范围，有的超精机是将往复和振荡分开控制的，结构较复杂，即往复是大幅度小频次机构实现的，其移动幅度接近于滚道轴向全长；振荡是小幅度、高频次机构实现的，其移动幅度只有零点几或几毫米。

但更多的超精机形式是：振荡动作就是往复动作，往复和振荡是同一个动作，本文为了能简要说明问题，以便于对有序超精的理解，就以振荡和往复是同一个动作作为研究对象。

当然，所叙述的原理对于同时具有分开控制油石往复运动和振荡的超精机也是同样适用的。

所以，本文以针对移动幅度接近于滚道轴向全长的往复加以叙述为主，简要附带分析移动幅度很小的高频振荡。

在轴承生产厂家的操作工对轴承套圈进行超精加工时，会将工件转速和油石振荡往复频率和幅度调到一个认为合适的区间，然后对被超精的轴承套圈进行超精加工，以规格大小不同来控制超精时间的长短。

一般规格越大，所需超精的时间就越长，比如从几秒到几百秒不等。

操作工对超精中转速、往复频率、时间这三个参数控制并不是精确的，实际是相当模糊的，通常依靠操作工的经验。

在超精后用轮廓度仪检测，以检测结果进行参数调整，但这种调整又是模糊的，有时甚至调整后轮廓度变坏，比如有的操作工为了提高超精精度，便延长超精时间，结果却发现，延长超精时间所超出的轴承套圈的轮廓度反而比超精时间短的更差了。

操作工就是在不断进行模糊调整并找到一个经检测，让自已感觉满意的参数后便固定下来，但在检测时，一般还不一定会进行同一零件的多个角度检测，所以导致误判的可能性很大。

操作工超精轴承套圈中对径向剖面轮廓度在不同的圆周方向的状态模糊认识很常见，造成超精的滚道面不同圆周方向与基准端面（超精时轴承套圈与工件主轴接触的定位面）不对称、倾斜等，这种情况对中大型轴承套圈较易发生。

因为超精的线速度相对是要恒定在一个合适范围内，线速度太慢会影响表面粗糙度和效率，但太快又会出现表面烧伤或粘铁，因此，线速度过慢和过快都影响超精质量。

而且，所超套圈直径越大，套圈的超精转速就越小，越容易超坏滚道轮廓度。

那么，传统的超精方法问题出在哪里呢？假如油石架的往复频率等于工件转速，比如工件主轴转速n=200r/min，油石架的往复频率f=200次/min，我们可以看到，当油石从轴承套圈的左侧移动到右侧，轴承套圈正好转了半转，而轴承套圈接下来的下一个半转结束，油石又正好从右移动到左侧；接下来轴承套圈再转一转时，油石又重复原来的轨迹超精了一个往复回到起点；当轴承套圈转了200转，油石沿原来的轨迹重复超精了200次，而轨迹外的轴承套圈表面就根本未被超精到，此时轴承套圈或超精的时间越长，滚道轴向轮廓度被破坏得越严重。

这样的超精不但不能起到提高精度的作用，反而将原来终磨削时良好的精度给破坏了，装配后降低轴承旋转精度、增加噪声。

那么，如果把工件主轴转速n改为400r/min，油石架的往复频率f 还是200次/min不变，显然，当工件每2转油石便振荡一个往复，工件下一个2转，油石就重复原来的轨迹进行下一个往复。

以此类推，我们可以发现，当工件转速等于油石振荡往复频率的倍数关系时，被超精的轴承套圈滚道的轮廓度会越超精越糟。

但是，是否工件转速除以油石往复频率只要不是倍数关系就可以超精好呢？分析发现并非如此，比如虽然未除尽，但余数很小，接近倍数关系导致油石的超精中心轨迹在下一个往复时与上一往复的轨迹偏离很小，接近重合，在有限的超精时间内超出的结果接近倍数关系的结果，同样不理想。

一般工件转速除以油石往复频率越易除尽，油石沿原轨迹超精的可能性越大，超精效果越糟。

那么，是否越不易除尽就越好呢？分析发现也非绝对如此，因为在有限的超精时间内，还是存在某些滚道表面未冷加工3637被超精到的可能性，而这种可能性，操作者又难以正确判断。

因此，超精参数控制不当，实际是以往由于不知道如何控制转速与往复运动频率、或难以达到对参数的精确控制，才导致滚动轴承套圈超精加工后、在装配使用中无法达到高精度要求、且可能在高速运转时产生较大噪声的原因。

而用以往的超精机是难以避开工件转速和油石往复频率的倍比情形、或近倍比情形的，在近倍比情形下操作者又不知道多长时间才能均匀完全超精。

2. 寻求最佳超精参数超精完成后，要正好使超精滚道表面能在每一沿轴线截面是均匀的，也就是在每一沿轴线截面的超精量在圆周各个角度是近乎相同的，避免在同一超精轨迹上重复超精，导致滚道另一些表面超精不到的情形发生，从而确保在各圆周角沿轴线截面的轮廓度是几乎相同的。

如图1所示，设轴承套圈在超精时的转速为n ，也就是超精机的工件主轴转速；油石架的振荡往复频率为f ，单件超精时间为t ，通过几何与运动关系，计算各有序超精的参数。

（1）首先计算油石厚度W 占用轴承套圈面的几何角α为α=2arcsin （W /d ）（2）α占轴承套圈一周的比为[ 2arcsin （W /d ）]/360°=[arcsin （W /d ）]/180（3）如果油石一个振荡往复，而轴承套圈转动一转或若干转（m 转）左右后（这里的m ≥0，为方便计算，我们可以选1的扩大整数倍或缩小整数倍的值），油石刚刚不会与圆周起点与原超精轨迹完全重合，那么，轴承套圈的转数必须至少满足以下两点中的一点：油石运动一个往复，轴承套圈的转数是m +[arcsin （W /d ）]/180°表示转了m 转后，正好多转过一个油石接触滚道的弧长角度的转数。

或者油石运动一个往复，轴承套圈的转数是m －[arcsin （W /d ）]/180°表示转了m 转后，正好少转过一个油石接触滚道的弧长角度的转数。

因此油石一个往复，轴承套圈的转数应当是m ±[arcsin （W /d ）]/180°两者可选其一。

（4）当在轴承套圈表面完整进行均匀超精，至少需要对油石进行多少个往复呢？分析得出至少需要往复次数为360°/2arcsin （W /d ）=180°/arcsin （W /d ）（5）完成超精一个轴承套圈，工件主轴至少需要转动多少转，转数为{m ±[arcsin （W /d ）]/180°}×180°/arcsin （W /d ） =180°m /arcsin （W /d ）±1我们发现：理论上要完成一个均匀超精过程，如果不去考虑超精光整要求的话，最少工件要转±1转即一整周，+表示正转；－表示反转。

当然，在实际使用中只需用正转即可，为超精出光整的工件，m 也极少会取0，因为如果工件真的只转1转，虽然能均匀超精整个轴承套圈，但很显然是远远无法达到光整要求的，因此，m 会取远大于1的数。

完成一个轴承套圈的均匀超精过程，工件主轴转数至少应当满足：180°m /a r c s i n （W /d ）±1的整数Z （这个整数用字母Z 表示，是完成一个均匀超精的周期，当Z =1时，仅仅对超精面均匀超精了一个周期，还远远不能完全达到表面光整要求的作用）倍，显然，油石架往复次数必须是180°m /arcsin （W /d ）的相同整数Z 倍。

当Z 等于1时是正好能超精完整一个周期，也是均匀超精至少要的周期；当Z 等于2时，就超精了两个周期；当Z 选择几就是超精几个周期；如果要超精得彻底些，就将Z 选大些，但效率会降低，反之效率就高些，这就要在实际超精实践中，按不同大小规格的零件进行适当选择，兼顾考虑。