梅 旭，關丹丹，韓守田

（1.哈爾濱哈軸精密軸承制造有限公司，黑龍江 哈爾濱 150036；2.哈爾濱哈工軸承有限公司，黑龍江 哈爾濱 150036）

圓柱滾子軸承內圈滾道輪廓分析及凸度加工方法

梅 旭1，關丹丹1，韓守田2

（1.哈爾濱哈軸精密軸承制造有限公司，黑龍江 哈爾濱 150036；2.哈爾濱哈工軸承有限公司，黑龍江 哈爾濱 150036）

軸承滾道輪廓形狀（線形）對滾道的接觸應力分布影響很大。通過軸承動態(tài)性能測試機對于不同滾道線形以及不同滾道凸度軸承的溫升變化情況的測量，發(fā)現(xiàn)帶有凸度的滾道溫升明顯低于直線滾道溫升；凸度量為4～5μm時溫升最小。并介紹了加工內圈凸度形滾道時砂輪的修整方法，確保了軸承質量。

圓柱滾子軸承；滾道線形；溫升；凸度；邊緣應力集中

1 前言

隨著我國現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，主機水平不斷提高，對其配套產(chǎn)品——軸承的精度和性能要求也越來越高。為提高市場競爭力，必須提高軸承質量。圓柱滾子軸承內、外滾道及滾子輪廓形狀是影響載荷分布和軸承壽命的關鍵因素。本文就內滾道輪廓（線形）和內滾道凸度加工方法進行了分析。

2 圓柱滾子軸承內圈滾道輪廓（線形）對軸承溫升的影響

在空載情況下，圓柱滾子軸承的滾動體與套圈為線接觸，隨著載荷的增大，線接觸變?yōu)槊娼佑|，其接觸區(qū)域的位置、大小、形狀、接觸面壓力及應力分布也隨之變化。一般情況下，圓柱滾子軸承的主要失效形式是表面疲勞點蝕。

圓柱滾子軸承主要承受徑向載荷。如果滾道和滾動體輪廓（線形）加工存在問題，將直接影響滾子與滾道接觸部位的應力分布，使?jié)L子兩端與滾道接觸部位容易出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，有大量的摩擦熱產(chǎn)生，很難散發(fā)出去，導致軸承溫升較大，嚴重時會產(chǎn)生燒傷甚至出現(xiàn)微裂紋，產(chǎn)生疲勞剝落，使軸承的使用壽命降低。因此，內圈滾道線形將直接影響應力分布、軸承溫升及使用壽命。

磨加工過程中，由于砂輪修整的形狀不同，滾道會產(chǎn)生多種形狀。目前，國內外生產(chǎn)圓柱滾子軸承時，都注重將滾道線形加工成對數(shù)凸度形，而且采用凸度線形的對數(shù)曲線滾子。為了提高軸承的使用性能，更好地解決邊緣應力集中的問題，本文對圓柱滾子軸承內圈滾道不同線形對軸承質量的影響進行了淺析。

滾道的線形形式一般可以分為直線形（如圖1）和凸度形（如圖2）兩種。

圖1 直線形滾道

圖2 凸度形滾道

以圓柱滾子軸承NN3020K/W33為例，選取滾道圓度、壁厚等各項技術條件合格且相同的兩個外圈，外滾道凸度一般選取2～3μm，再選取兩組帶有凸度的對數(shù)曲線滾子。分別加工一套直線形內滾道的套圈和一套帶有凸度的內滾道的套圈，將加工后的兩個內圈與選取好的外圈與滾子按相同游隙分別合套，將合完套的兩套軸承分別放入軸承動態(tài)性能測試機進行測試。在動載荷120kN下，兩套軸承轉速達到3 000r/min時，截取20～300min區(qū)間內，取四點進行溫度測試，溫度測量值分別為T1、T2、T3和T4。兩套軸承的溫升測試簡圖如圖3 所示，直線形內滾道的軸承溫升結果如表1 所示，凸度形內滾道的軸承溫升結果如表2 所示。

圖3 測試機測量溫度簡圖

表1 直線形滾道軸承的溫升變化（3 000r/min）

表2 凸度形滾道軸承的溫升變化（3 000r/min）

根據(jù)表1 和表2 的測量數(shù)據(jù)顯示，軸承在運轉過程中，隨時間變化溫度不斷增加，當時間達到230～300min時，軸承溫度趨于平穩(wěn)。在相同的時間和轉速下，直線形內圈滾道的軸承溫升明顯要高于凸度形內圈滾道的軸承溫升，而且在溫度趨于平穩(wěn)后，直線形內圈滾道的軸承溫度可以達到80℃左右，而凸線形內圈滾道的軸承溫度只有到60℃左右。由表1 和表2 可知，直線形內圈滾道的軸承在運轉過程中，滾道邊緣產(chǎn)生的摩擦熱量要遠大于凸線形內圈滾道的軸承。

因此可以得出結論，帶有凸度形滾道的軸承相比較直線形滾道的軸承而言，前者可以更好地避免邊緣應力的集中，減少邊緣摩擦熱，降低溫升，從而提高軸承使用壽命。

3 內圈滾道凸度量的選定

內圈滾道凸度量有一定的標準范圍。當凸度量過小時，滾子兩端往往會出現(xiàn)應力峰值，無法解決邊緣應力問題；當凸度量過大時，滾子只能部分進入接觸狀態(tài)，其有效長度不能充分利用，會影響軸承的角剛度，也無法保證應力均勻分布。

為了更好地分析滾道凸度量的大小對邊緣應力的影響，仍采用測量軸承運轉時溫升的方法，分別加工了帶有凸度量2～3μm、3～4μm、4～5μm、5～6μm的四個內圈，同樣選取滾道圓度、壁厚等技術條件合格且相同的四個外圈，外滾道凸度一般選取2～3μm，再選取四組帶有凸度的的對數(shù)曲線滾子，分別合套放入軸承動態(tài)性能測試機測試溫升。每套測試結果取四點溫升測量值的平均值，如圖4 所示。

圖4 內滾道不同凸度量的溫升變化

根據(jù)折線圖分析得出，在截取的相同時間點內，凸度量2～3μm的溫升最高可達到70～80℃，凸度量3～4μm和5～6μm的溫升最高可達到60～70℃，而凸度量4～5μm的溫升最高只達到50～60℃。從數(shù)據(jù)可以看出，當凸度量為4～5μm時溫度上升最小，從而證明此凸度的軸承運轉時摩擦產(chǎn)生的熱量最少。因此得出結論，當凸度量為4～5μm時，可以更好地減少邊緣應力的集中，降低溫升，該凸度量最為合理。

4 加工內圈凸度形滾道時砂輪的修整方法

磨加工內圈滾道的凸度完全取決于砂輪最終的修整形狀。調整砂輪修整器與砂輪軸線的傾斜角α，通過調整修整器上金剛筆的運行軌跡使砂輪成形，即將金剛筆水平修整砂輪改為傾斜修整砂輪，將砂輪磨削表面原來的直素線形修整為曲素線形，最終砂輪成形為凹的工作表面。修整器運動軌跡及修整后的砂輪形狀如圖5 所示。

以數(shù)控機床3MK2110B加工圓柱滾子軸承NN3020K/W33為例說明內滾道的加工方法。加工NN系列軸承需要進行雙滾道設置，雙滾道設置分為滾道 1 設置和滾道 2 設置。兩滾道同時加工，滾道 2 的參數(shù)設置與滾道 1 參數(shù)設置應保持一致，確保兩滾道形狀相同。滾道 1 設置參數(shù)如圖6，通過編程并結合數(shù)控磨床砂輪修整器可差速運動的功能，用三段弧可以獲得類似于對數(shù)曲線的形狀。在砂輪修整程序中，輸入滾道寬度l，輸入第二段的寬度m，m決定內滾道的凸度形寬度，凸度形寬度過長或者過短都會導致接觸應力分布不均。其中第一段和第三段的寬度相等為c。根據(jù)上文分析，最為合理的凸度量為4～5μm。設置時輸入第一段圓弧高點A和第三段的圓弧高點B，輸入第二段的圓弧最高點d位于滾道中部，比A、B兩點高0～0.001μm。為了保證A、B兩點的兩側圓弧相切，編程后要進行試磨削，磨削后經(jīng)粗糙度輪廓儀測量凸度形狀，調整m、A、B、d數(shù)值，使其達到光滑類似對數(shù)曲線形狀且凸度量4～5μm為止。為了更好地解決應力集中問題，外圈也要加工成凸度滾道，加工的方法和上述相同，都可以根據(jù)參數(shù)設定達到所需的凸度形滾道，本文略。

圖5 修整后的砂輪形狀

圖6 滾道凸度形狀示意圖

5 結束語

通過上述分析說明，在其它技術條件均合格的前提下，內圈滾道的線形直接影響軸承的應力分布及溫升，因此要加工帶有一定滾道凸度的軸承，減少邊緣應力集中，降低軸承的溫升，從而提高軸承的使用性能及壽命。

[1] 王文革，王江山.圓錐滾子軸承內圈滾道凸度形狀及加工方法[J].制造技術與機床，2009（8）：105.

Contour analysis and convexity machining method of inner ring raceway of cylindrical roller bearings

Mei Xu1, Guan Dandan1, Han Shoutian2
( 1.Harbin Hazhou Precision Bearing Manufacturing Co.,Ltd., Harbin 150036,China;2.Harbin Hagong Bearing Co.,Ltd., Harbin 150036,China )

Bearing raceway contour shape(outline) had a great influence on contact stress distribution of the race. Through bearing dynamic performance test machine measuring changes in temperature to different bearing raceway contour and different bearing raceway crown,it is found that the temperature rise with a crown of raceway signif i cantly is lower than the temperature rise with a straight line raceway. When the convex quantity is 4～5 μm, the temperature rise is minimum. And grinding wheel dressing method during processing the inner ring crown shape raceway was introduced to ensure the quality of the bearing.

cylindrical roller bearing; raceway contour; temperature rise; convex; edge stress concentration

TH133.33+2

B

1672-4852（2017）03-0024-04

2017-08-09.

梅 旭（1987-），男，助理工程師.

（編輯：王立新）