唐雙晶，關(guān)云朋，劉明陽

(中航工業(yè)哈爾濱軸承有限公司， 哈爾濱 150027)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸用滾子軸承應(yīng)用于高速、高溫、輕載工況下，具有高速輕載的特點(diǎn)，軸承在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，滾子在大的離心力作用下有脫離內(nèi)圈滾道接觸的趨勢(shì)，且軸承徑向載荷小，滾子與滾道間摩擦力過小，造成滾子出現(xiàn)公轉(zhuǎn)滑動(dòng)，即高速輕載打滑現(xiàn)象，使?jié)L子與內(nèi)滾道表面產(chǎn)生相互蹭傷，導(dǎo)致軸承過早失效，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)造成破壞性的影響[1]。

目前國(guó)內(nèi)外已研究多種方法解決輕載打滑問題[2-5]，主要措施包括：減小軸承游隙，使?jié)L子在離心力作用下仍能保持與內(nèi)圈滾道的接觸；采用非圓滾道；將保持架定位于內(nèi)圈；保持架采用輕質(zhì)材料；采用空心滾子等等。其中將套圈滾道設(shè)計(jì)成非圓滾道的方法十分有效，利用滾道的非圓特性使軸承在受到徑向載荷時(shí)，原非承載區(qū)的滾子承受一定的預(yù)加載荷，使軸承工作時(shí)內(nèi)、外圈滾道與滾子間始終有載荷作用，不出現(xiàn)輕載或零載，以增大拖動(dòng)力。根據(jù)滾子的受力及運(yùn)動(dòng)特性，將軸承滾道設(shè)計(jì)成三瓣波形。

1 三瓣波滾子軸承結(jié)構(gòu)

三瓣波滾道的輪廓形狀特殊，各項(xiàng)精度要求高，傳統(tǒng)的套圈圓形滾道磨削加工方法不適用。某型三瓣波滾子軸承外圈結(jié)構(gòu)如圖1所示，A面為定位基準(zhǔn)，帶有定位凸臺(tái)，基準(zhǔn)A面對(duì)非基準(zhǔn)B面的平行差不易保證。

圖1 三瓣波滾子軸承外圈結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of roller bearings outer ring with trilobe raceway

外圈外滾道為等徑三瓣波形結(jié)構(gòu)(圖2)，其中0°，120°，240°這3點(diǎn)為三瓣波沿基圓向外凸出的最高點(diǎn)，60°，180°，300°這3點(diǎn)為三瓣波沿基圓向內(nèi)凹進(jìn)的最低點(diǎn)，最高點(diǎn)與最低點(diǎn)沿徑向位移差即為三瓣波的凸出量。

圖2 外圈滾道輪廓示意圖Fig.2 Diagram of outer ring raceway profile

2 初擬外圈磨加工流程

根據(jù)外圈結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及精度要求，初擬定磨加工工藝流程為：粗磨B面→粗磨A面→粗磨外圓→粗磨外圈內(nèi)孔→粗磨擋邊→粗磨外滾道→倒角及清油溝→穩(wěn)定處理→終磨B面→終磨A面→精研A面→終磨外圓→終磨擋邊→細(xì)磨外滾道→終磨外滾道→探傷→終磨外圈內(nèi)孔→拋光擋邊、去銳角、打鈍銳角→粗研外滾道→精研外滾道→修磨外圓→退磁、清洗、 提交。

3 關(guān)鍵磨削工序分析

3.1 A，B兩平面的磨削

由于基準(zhǔn)A面帶凸臺(tái)，在磨削非基準(zhǔn)B面時(shí)，無法直接以A面為基準(zhǔn)進(jìn)行磨削，只能通過如圖3所示的帶槽墊圈進(jìn)行間接磨削。

圖3 平面磨削示意圖Fig.3 Diagram of plane grinding

終磨平面時(shí)，先磨削墊圈兩端面，提高墊圈平行差VDs，然后將套圈基準(zhǔn)A面向下，定位凸臺(tái)裝在墊圈缺口處，磨削非基準(zhǔn)B面?；鶞?zhǔn)A面的磨削采用M7120磨床。在終磨循環(huán)時(shí)通過反復(fù)2次分別磨削A，B平面，最后進(jìn)行精研，最終達(dá)到平面度2 μm，平行差3 μm的要求。

3.2 三瓣波滾道磨削

利用金屬的彈性變形特性，采用模具擠壓套圈產(chǎn)生彈性預(yù)變形后磨削滾道的方法進(jìn)行加工[6],去掉模具后，套圈彈性恢復(fù)，最終滿足滾道異形曲線的要求。

3.2.1 滾道輪廓曲線

借助精密專用模具使三段曲線內(nèi)輪廓(圖4、圖5)與軸承套圈外圓表面過盈配合，從而施加外夾緊力，強(qiáng)制套圈產(chǎn)生彈性變形，然后帶模具磨削滾道，這時(shí)滾道為正圓形，各項(xiàng)尺寸及形位精度達(dá)到工藝要求后，將工件從夾具上拆卸下來，薄壁套圈由于自身的彈性，恢復(fù)形狀。當(dāng)工件從模具上取出，壁厚的最薄點(diǎn)成為三瓣波的最高點(diǎn)，壁厚的最厚點(diǎn)成為三瓣波的最低點(diǎn)，由此形成三瓣波形狀的滾道。

圖4 模具形狀示意圖[6]Fig.4 Diagram of mold shape

圖5 模具夾緊曲線放大圖Fig.5 Enlarged drawing of mold clamping curve

3.2.2 滾道磨削方法

將模具放在平臺(tái)表面，外圈依圖6所示裝入模具中。安裝后，在套圈上部墊套筒，用銅棒輕敲，確保套圈基準(zhǔn)A面與模具底面完全重合。

圖6 套圈安裝圖Fig.6 Drawing of ring installation

采用軸承套圈專用數(shù)控內(nèi)圓磨床加工，使用電磁無心卡具，磨削時(shí)，套圈基準(zhǔn)A面安裝定位在磁極上，支點(diǎn)支承在胎具外圓表面。

滾道通常分為粗磨、細(xì)磨和終磨3次磨削。粗磨加工去除大部分留量，按圓形滾道磨削。細(xì)、終磨加工按初擬定的磨加工工藝路線進(jìn)行，按理論計(jì)算值控制外圓尺寸公差。加工完成后，檢測(cè)精度及輪廓發(fā)現(xiàn)，滾道壁厚、圓度超差，輪廓凸出量值不合格。

分析原因：一方面是粗磨精度差，而細(xì)、終磨磨削量大；另一方面帶模具加工薄壁工件，切削參數(shù)設(shè)置不夠合理，極易導(dǎo)致工件變形。

解決措施：

1)調(diào)整工藝流程。增加細(xì)磨外徑工序，將細(xì)、終磨滾道連續(xù)加工改為磨外徑和磨滾道交替進(jìn)行，細(xì)磨滾道仍按正常圓形滾道加工,進(jìn)一步去除留量、提高精度，為下一步滾道成形做準(zhǔn)備。

2)將套圈外徑面與模具內(nèi)輪廓尺寸配磨。實(shí)際加工過程中，終磨外徑面時(shí)先按外徑理論尺寸值磨削，然后安裝到模具上進(jìn)行試磨，試磨時(shí)滾道輪廓成形即可，不必磨到終磨滾道尺寸。試磨后取下工件，檢測(cè)滾道輪廓形狀，將其與要求凸出量進(jìn)行比較，據(jù)此對(duì)套圈外徑尺寸進(jìn)行微調(diào)，使其安裝過盈量能夠保證磨削后滾道凸度量符合工藝要求。當(dāng)凸出量為0.11～0.13 mm時(shí)，通常要求過盈量為0.05 mm。

3)磨削加工參數(shù)的確定。終磨留量依照實(shí)際輪廓凸出量確定，通過試驗(yàn)驗(yàn)證，凸出量為0.11～0.13 mm，滾道留量為0.2 mm。砂輪選用切削性能良好的SA120，單次磨削量控制在0.01～0.02 mm，進(jìn)給量控制在1～2 μm/s。

3.2.3 檢測(cè)方法

帶模具檢測(cè)，即磨削加工完成后不從模具中取出工件測(cè)量套圈的各項(xiàng)精度。滾道各項(xiàng)技術(shù)要求：圓度誤差ΔCir≤1μm；平均外徑變動(dòng)量VDmp≤1μm；外圈滾道對(duì)端面的平行度Se≤1μm。

取下套圈檢測(cè)滾道輪廓：外圈滾道3個(gè)凸點(diǎn)和3個(gè)凹點(diǎn)與外表面間的厚度變動(dòng)量之差K′e≤3 μm。采用輪廓儀檢測(cè)滾道內(nèi)輪廓形狀和凸出量。

4 優(yōu)化后的磨加工工藝流程

經(jīng)試制調(diào)整后的磨加工工藝流程為：粗磨B面→粗磨A面→粗磨外圓→粗磨外圈內(nèi)孔→粗磨擋邊→粗磨外滾道→穩(wěn)定處理→終磨B面→終磨A面→精磨B面→精研B面→精磨A面→精研A面→細(xì)磨外圓→終磨擋邊→細(xì)磨滾道→終磨外圓→終磨外滾道→終磨外圓內(nèi)孔→光磨擋邊→拋光擋邊→去擋邊銳角→光飾→粗、精研外滾道→退磁、清洗、提交。

5 結(jié)束語

經(jīng)過大量的工藝試驗(yàn)驗(yàn)證，同時(shí)對(duì)套圈內(nèi)輪廓及各項(xiàng)精度進(jìn)行全檢，證明此磨削加工工藝方法對(duì)三瓣波滾道的加工是完全有效的，產(chǎn)品的各項(xiàng)尺寸、精度及內(nèi)輪廓表面的形狀均滿足要求。該加工方法可推廣到同類相近產(chǎn)品的加工中，但是由于模具與套圈存在過盈配合，模具容易磨損，不適宜大批量生產(chǎn)加工。