（机械设计及理论专业论文）滚子轴承滚道凸度的电化学加工技术基础研究.pdf

摘要 圆柱滚子轴承和圆锥滚子轴承在承载状态下，因为滚子发生弹性变形和塑性变形， 滚子和内、外滚道母线的两侧端部均存在高度应力集中，由这种应力所导致的疲劳破坏、 剥落向中间发展，常导致整个轴承失效。这是造成轴承寿命和旋转精度下降的重要原因。 将轴承滚道由直母线改为凸度母线，能有效地改善滚动接触区的应力分布，既可在 较大程度上减少或消除滚予的边缘应力集中，有利于液体润滑，又可改善由于安装和加 工误差等原因而产生的不同心度及主轴旋转产生的挠曲度而导致的滚子偏载现象。很多 实验也已证实，采用带凸度外圈滚道，可使轴承寿命提高2 - 3 倍。目前，发达国家对圆 柱、圆锥滚子轴承滚道设计大都要求带凸度，国内很多出口产品也都要求加工出滚道凸 度。因此，深入研究简便、易行的轴承滚道凸度加工技术具有重要的理论意义和应用价 值。 。 目前，轴承滚道凸度加工的主要方法是利用成形砂轮或使工件轴线与砂轮轴线倾斜 一定角度，在磨床上磨出理论上所要求的凸度曲线，然后利用超精加工，在整个素线长 度上，同步提高表面质量。但由于成品滚道凸度通常在5 - 1 01 tm ( 有时小于3um ) ，这 在凸度磨削中很难控制。另外，因要求预留超精加工的加工余量，更增加了准确控制凸 度的难度。 借鉴电化学齿轮修形的成功应用，本文提出并研究了轴承滚道电化学凸度修整的相 关理论和技术问题，为形成新的简便、易控的轴承滚道凸度加工技术奠定了基础。所作 的主要工作有：( 1 ) 研究了轴承滚道合理的凸度形状，明确了滚道凸度修整量的分布规 律；( 2 ) 确定了滚道凸度的测量方法：( 3 ) 建立了适用的试验装置，包括加工电源、工 作液循环系统、工具阴极、进给系统等；( 4 ) 初步研究了工作液成分与配比、电流密度、 加工时间等参量对凸度加工效果的影响规律；( 5 ) 实验研究了凸度加工过程中的电场分 布，为更好完成凸度加工实验中的阴极设计等工作提供必要的依据。 采用电化学加工法力i - f _ 滚子轴承滚道凸度的特色在于：( 1 ) 可在超精加工后进行， 比磨削凸度后进行超精加工更容易控制成品的凸度值；( 2 ) 可在凸度加工同时，清除滚 道边缘微小毛刺；( 3 ) 克服了成形法凸度磨削中，因频繁修整砂轮带来的磨具损耗和加 工质量不稳定等问题；( 4 ) 克服了砂轮、工件轴线交叉法凸度磨削中装置及运动复杂的 问题；( 5 ) 与机械凸度加工方法相比，电化学凸度加工表面无切削痕迹、无加工变形及 残余应力、不改变滚道材料原有机械性质。 研究结果表明：轴承滚道凸度电化学修整的工艺方法是可行的，不仅能满足修凸量 的要求，还能提高轴承滚道的表面质量。该方法工艺简单，易于操作，具有良好的应用 前景。 关键词：轴承；滚道；凸度；电化学加工 a b s t r a c t h i g hs t r e s sc o n c e n t r a t i o nh a p p e n so nb o t hs i d e so ft h er o l l e r s a l s ot h ei n n e ra n do u t e rr a c e w a y g e n e r a t i n gl i n e s ，d u et ot h ee l a s t i cd e f o r m a t i o na n dt h ep l a s t i cd e f o r m a t i o no ft h er o l l e r s ，w h e nc y l i n d r i c a l r o l l e rb e 撕n ga n dt a p e r e dr o l l e rb e a r i n ga r ei nas t a t eo fb e i n gl o a d e d t h es t r e s sc o n c e n t r a t i o nm e n t i o n e d a b o v eo f t e nl e a d st of u r t h e rd e v e l o p m e n to ff a t i g u ec o l l a p s ea n db r c a l d n g o f ft o w a r dt h ec o r e m l i c hc o u l d m a k et h e e n t i r eb e a r i n gf a i l 1 1 1 i sp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h ed e c a y i n go ft h e b e a r i n gl i 绝a n dt h e r o t a t i o np r e c i s i o n t h es t r e s sd i s t r i b u t i o no fr o l l i n gc o n t a c tz o n ec o u l db ee r i e c t i v e l yi m p r o v e di ft h eb e a r i n gr a c e w a yi s c h a n g e di n t oa r cg e n e r a t i n gl i n ei n s t e a do fs t r a i g h tg e n e r a t i n gl i n e i tw i l ln o to n l yr e d u c et h er o l l e re d g e s t r e s sc o n c e n t r a t i o nt oal a r g ed e g r e ee v e ne l i m i n a t ei t , b u ta l s of a v o u rt h el i q u i dl u b r i c a t i o n a l s oi r e p r o v e t h ed e c e n t r el o a do fr o l l e rl e db yn o n c o n c e n t r i c i t y , r e s u l ti nf i x i n ga n d p r o s e s s i n gm i s m a c h i n i n gt o l e r a n c e ， a n dt h ed e f l e c t i o n ，r e s u l ti nc h i e fa x i sr o t a t i n g i th a sb e e np r o v e di nm a n ye x p e r i m e n t st h a tt h el i f eo f b e a r i n gc o u l db ei n c r e a s e dt o2 - 3t i m e sa sb e f o r eb yu s i n go u t e rr a c e w a yw i t hc r o w n a tp r e s e n t i nm o s t d e v e l o p e dc o u n t r i e sw h e nd e s i g n i n gp r o d u c t i o no fc y l i n d r i c a la n dt a p e r e dr o l l e rb e a r i n g ，c r o w ni so r e n r e q u i r e d i ti sa l s or e q u i r e dt om a n ye x p o r tp r o d u c t i o n si nc h i n a h e n c e i tp r o v i d e sw i t hi m p o r t a n t t h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c ea n d a p p l i c a t i o nv a l u et oi n v e s t i g a t eas i m p l ea n dc o n v e n i e n tt e c h n i q u ei n p r o c e s s i n gb e a r i n gr a c e w a yc r o w nd e e p l y a tp r e s e n t , t h ed o m i n a n tm e t h o di np r o c e s s i n gb e a r i n gr a c e w a yc r o w ni st om i l lt h et h e o r e t i c a l l y r e q u i r e dc r o w nc u r v el i n eo u ti ns h a r p e n e r , w i t hf o r m i n gg r i n d i n gw h e e lo rw i t ha x i s e so fw o r kp i e c ea n d g r i n d i n gw h e e li nas p e c i a ld e g r e e ，t h e ne n h a n c et h es u r f a c eq u a l i t yi nd i r e c t i o no fd a t u ml i n eb y s u p e r f i n i s h b u tu s u a l l yt h er a c e w a yc r o w nd e g r e eo fe n di t e mi s5 - - - 1 0i im ( s o m e t i m e sl e s st h a n3i im ) ， w h i c hi sh a r d l yc o n t r o l e di nc r o w ng r i n d i n g i na d d i t i o n , o b l i g a t i n gs u p e r f m i s hp r o c e s sr e d u n d a n c yw i l l m a k ep r e c i s ec r o w nc o n t r o l l i n ge v e nm o r ed i f f i c u l t b yr e f e r e n c eo ft h es u c c e s s f u la p p l i c a t i o no fe l e c t r o c h e m i c a lg e a rt r i m m i n g t h e o r ya n dt e c h n i q u ei n e l e c t r o c h e m i c a lb e a r i n gr a c e w a yc r o w nt r i m m i n gi sp u tf o r w a r da n di n v e s t i g a t e ds y s t e m a t i c a l l yi nt h i s p a p e r t h a th a de s t a b l i s h e dab a s eo ff o r m i n gas i m p l ea n de a s i l yc o n t r o l l e dt e c h n i q u ei np r o c e s s i n g b e a r i n gr a c e w a yc r o w n h e r ei st h em a j o rw o r k ：1 ) r e a s o n a b l ed a t u ml i n ec r o w ns h a p eo fb e a r i n gr a c e w a y h a sb e e ni n v e s t i g a t e d ，r e g u l a r i t i e so fd i s t r i b u t i o no fb e a r i n gc r o w n t r i m m i n gq u a n t i t yh a sb e e nc o n f i r m e d ； 2 ) m e a s u r e m e n to fb e a r i n gr a c e w a yd a t u ml i n ec r o w nh a sb e e nd e t e r m i n e d ；3 ) a na p p r o p r i a t ee x p e r i m e n t e q u i p m e n th a sb e e ns e tu p ，i n c l u d i n gt h ep r o c e s s i n ge l e c t r i cs o u r c e ，r e c y c l es y s t e mo fw o r k i n gf l u i d ，t o o l n e g a t v i ep o l ea n dt h ef c e ds y s t e m ；4 ) h o wt h ec o m p o n e n t ，r a t i o ，f l o wa n dp r e s s u r eo fw o r k i n gf l u i d ，a l s o t h ec u r r e n td e n s i t ya n dt h ep o r c e s s i n gp e r d u r a b i l i t yi n f l u e n c e 也ec r o w nm a c h i n i n ge f f e c th a sb e e n r e s e a r c h e d ；5 ) t h ee l e c t r i cf i e l dd i s t r i b u t i o nd u r i n gt h ec o u r s eo fc r o w np r o c e s s i n gh a sb e e ns i m u l a t e db y n u m e r i c a lm e t h o d ，w h i c hp r o v i d ew i t ht h et h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o rb e t t e rr e s e a r c ho fc r o w np r o c e s s i n g e x p e r i m e n t t h ef e a t u r eo fm a c h i n i n gm i l e rb e a r i n g r a c e w a yc r o w nb ym e a n so fe l e c t r o c h e m i c a lm e t h o da r e 1 ) i t m a yf o l l o wt h es u p e r f i n i s h , s oi tc a nb em o r ee a s i l yc o n t r o l l e dt h a ns u p e r f i n i s ha f t e rg r i n d i n gc r o w n ；2 ) t h eb u ra tt h ee d g eo fr a c e w a yc a nb ee l i m i n a t e dw h e nt h ec r o w ni sb e i n gp r o c e s s e d ；3 ) i nf o r m i n gc r o w n g r i n d i n gp r o c e s s ，t h ew a s t a g eo fg r i n d i n gw h e e la n dt h ei n s t a b i l i t yo fp r o c e s s i n gq u a l i t yl e db y1 j r e q u e n t s h a v i n gc a nb eo v e r c o m e ；4 ) c o m p l e x i t yo fe q u i p m e n tm o v e m e n ti nc r o s s e da x i s e sm e t h o di sc o n q u e r e d ； 5 ) c o m p a r e dt om a c h i n e r yc r o w np r o c e s s i n gm e t h o d ，t h e r ei sn or e v o l u t i o nm a r k , r e s i d u a ls t r e s so r d e f o r m i n gs t r e s so nt h ef i n i s h e ds u r f a c eo fe l e c t r o c h e m i c a lc r o w np r o c e s s i n gm e t h o d ，m e c h a n i c a l p r o p e r t i e so fr a c e w a ya r en o tc h a n g e de i t h e r r e s e a r c hr e s u l t ss h o wt h a tt h eb e a r i n gr a c e w a yc r o w ne l e c t r o c h e m i c a lf i n i s h i n gm e t h o di sf e a s i b l e i t c a nn o to n l ym e e t 也e r e q u i r e m e n to ft r i m m i n gc r o w nq u a n t i t yb u ta l s oe n h a n c et h es u r f a c eq u a l i t yo f b e a r i n gr a c e w a y a tt h es a m et i m e ，也i ss i m p l em e t h o di se a s yt oh a n d l e a l la d v a n t a g e sa b o v eg u a r a n t e ea f a v o r a b l ea p p l i c a t i o np r o s p e c to fi t k e yw o r d s ：b e a r i n g ，r a c e w a y , c r o w n ，e l e c t r o c h e m i c a lm a c h i n i n g ( e c m ) n 大连理工大学硕士学位论文滚子轴承滚道凸度的电化学加工技术基础研究) 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定 ，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的 复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存和汇编学位论文 保密囹，在圣年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“”) 作者签名盔玉兰聋 指导导师签名： 滚子轴承滚道凸度的电化学加工技术基础研究 1 绪论 1 1 滚子轴承滚道凸度加工技术研究的意义 滚动轴承广泛应用于工业、农业、交通运输、国防、航空航天、家用电器、办公机 械和高科技等领域，与国计民生息息相关。全世界大约有8 0 的轴承应用于工农业机械、 汽车、火车、飞机等运输设备中各类主机的工作精度、性能、寿命、可靠性和各项经 济指标，都与轴承有着密切的关系：尤其是随着技术的发展，各类主机对轴承提出了很 多特殊的要求。轴承在国民经济发展和国防建设中正起着越来越突出的作用，因此可以 毫不夸张地说：轴承制造水平在一定程度上代表着国家整个工业的发展水平。 从总体水平上看，我国的轴承的承载能力、使用寿命、噪音水平等技术指标与国外 产品有较大差距【l 川。要提高我国装备制造整体水平，必须狠抓轴承等基础件质量。 轴承滚道表面质量差和滚道素线形状不合理是影响轴承质量的重要原因： 首先，目前轴承滚道的精加工多采用磨后超精加工，砂轮、油石易于堵塞，常造成 加工过程不稳定，进而使加工表面质量恶化磨具与工件相对速度高，加剧了上述问题 的产生在中大型轴承滚道光整加工中，由于加工面积大，原始表面粗糙度高，加工余 量大，造成磨具堵塞更为严重。即使是先进的油石超精加工，同样具有机械切削作用的 缺陷【5 棚。 另外，圆柱滚子轴承圆锥滚子轴承在承载状态下，因为滚子发生弹性变形和塑性变 形，滚子和内、外滚道母线的两侧端部均存在高度应力集中，由这种应力所导致的疲劳 破坏、剥落向中间发展，常导致整个轴承失效。这是造成轴承寿命和旋转精度下降的重 要原因【l o - l 们。 凰凰凰罾 蜘一俩一删一 滚道凸度形滚道平直形滚子全凸形修正线凸度形 图1 1 典型圆柱滚子轴承接触应力的分布简图 f i g 1 1d i s t r i b u t i o ns c h e m a t i cd i a g r a m so fc y l i n d r i c a lr o l l e rb e a r i n g s c o n t a c ts t r e s s 大连理工大学硕士学位论文 国内外一些研究表明，将轴承两端工作表面的素线设计成某种合适的曲线形状， 即在轴承滚道或滚子上加工出凸度，会对轴承的使用性能产生明显的影响【1 7 d 9 】。图1 1 给出了对外圈滚道和滚子进行凸度修整后的圆柱滚子轴承和其他几种类型圆柱滚子轴 承接触应力的分布简图。 通过比较可以看出，进行凸度修整后的圆柱滚子轴承的接触应力分布虽然仍有集 中现象，但是杜绝了滚子边缘应力集中的闯题，使承载面的应力接近于平均分布，从而 有效地改变了应力分布情况。 将轴承滚道由直母线改为凸度母线，能有效地改善滚动接触区的应力分布，既可在 较大程度上减少或消除滚子的边缘应力集中，有利于液体润滑，又可改善由于安装和加 工误差等原因而产生的不同心度及主轴旋转产生的挠曲度而导致的滚子偏载现象。很多 实验也已证实，采用带凸度外圈滚道，可使轴承寿命提高2 - 3 倍。目前，国外发达国家 对圆柱、圆锥滚子轴承滚道产品设计大都要求带凸度，国内很多出口产品也都要求加工 出滚道凸度 2 0 - 2 5 1 。因此，深入研究简便、易行的轴承滚道凸度加工技术具有重要的理论 意义和应用价值。 1 2 轴承滚道凸度加工现状及典型工艺 6 0 年代初期和中期，国际上就有文献从理论上指出：滚子轴承在载荷状态下，在滚 子和内、外滚道素线的两侧端部均存在高度的应力集中。由这种应力所导致的疲劳破坏、 剥落由两侧向中间发展，导致轴承的失效很多试验也已证明，滚道素线带凸度的轴承 比在同样工况条件下工作的不带凸度的轴承寿命提高两倍以上。国外油泵轴承、轿车轴 承等许多性能要求较高的主机上的轴承，都要求带凸度的。 图1 2 滚子轴承外圈的凸度示意图 f i g 1 2c r o w ns c h e m a t i cd i a g r a mo fr o l l e rb e a r i n go u t e rr i n g 轴承套圈直线滚道或滚子的滚动表面纵向几何形状应呈凸形，以避免边缘应力集 中。凸度应包括凸度值的大小和几何形状( 又称凸型) 两方面内容。凸度值pt 是指将 凸度曲线两端点a 、b 相连，曲线最高点c 与ab 之间的距离( 图1 2 ) 。凸度值的大小 2 滚子轴承滚道凸度的电化学加工技术基础研究 与载荷有关。理想的凸型应当是一条变曲率曲线( 如对数曲线) ，即曲线形状两端较陡， 中间比较平缓( r r1 ) 凸度的设计原则是：在轻载荷时，保证滚子有大于6 0 的滚 子有效长度处于接触状态，而在重载荷时，滚子边缘不应有应力集中。 鉴于凸度轴承的良好应用前景，哈尔滨轴承集团、新乡机床厂、瓦房店华美轴承有 限公司、洛阳轴承研究所、广西轴承厂等国内外众多厂家投入很大力量开展相关技术研 究工作 2 6 - 3 0 1 2 1 国内的研究现状及典型工艺【3 1 3 6 】 1 2 1 1 砂轮轴线倾斜或工件轴线倾斜 如图1 3 所示，在这种工艺方法中，将工件轴线倾斜一定角度，由砂轮往复磨削工 件，理论上即可加工出双曲线型凸度素线。类似，将砂轮轴线倾斜一定角度，也可获得 同样效果。 r _ o j _ 广产( ： 卜- * 图1 3 工件轴线倾斜法磨削凸度素线 f i g 1 3c r o w nd a t u ml i n eo f w o r k p i e c eb yi n c l i n i n gm e t h o dg r i n d i n g 计算公式如下： p = t g 其中，滚道倾斜角度，d l 一滚道直径，万滚道凸度值，日一滚道宽度 由式( 1 1 ) 可以看出，工件倾斜角固定，所加工的外圈滚道直径也基本固定。 砂轮消耗，直径变化与上式无关。由此可以看出，这种工艺方法可行性较高，生产工人 易于掌握。只要在开始加工前，将工件轴角度一次性调整好，即可加工出所需要的凸度 形状。但是该方法也存在一定的局限性，具体表现如下： 1 ) 加工时调整困难： 2 ) 由于现有机床精度的限制，磨削结果不稳定，凸度值大小和曲线形状变化范围 大： 大连理工大学硕士学位论文 3 ) 改变凸度大小和素线形状时，加工较困难。 1 2 1 2 将砂轮修整成所要求的滚道凸度型面 在这种工艺方法中，要想将砂轮修整成所要求的滚道凸度型面，就要调整砂轮修整 器与砂轮轴线的倾斜角，如图1 4 所示。 p 、。香 图1 4 砂轮修整方法 f i g 1 4g r i n d i n gw h e e lt r i m m i n gm e t h o df o rc r o w np r o c e s s i n g 计算公式为： 8 = t g ( 1 2 ) 其中，夕一砂轮倾斜角度，d 。一砂轮外径，万砂轮凸度修整值，b ，一砂轮宽度 从式( 1 - 2 ) 中可以看出，砂轮直径d s 随着磨削损耗是不断变化的，这样会导致砂轮 修整器运行轨迹与砂轮轴线的倾斜角也随之变化，在加工过程中需要不断调整。使用这 种工艺方法加工轴承滚道凸度时，存在以下缺点： 1 ) 砂轮修整器本身要求的精度很高，制造困难大： 2 ) 砂轮修整器的准确安装和调整困难； 3 ) 改变轴承型号或者改变滚道凸度的形状和大小时，都需更换不同的砂轮修整器， 并重新进行调整： 4 ) 砂轮修整器的磨损会导致加工质量不稳定 另外，也可使用靠模修整砂轮( 如液压仿形) 。其主要问题是： 1 ) 靠模本身精度要求太高，制造困难。要求做出一定的凸度曲线形状时，困难更 大： 2 ) 靠模的准确安装与调整困难； 3 ) 改变工件型号或改变凸度的大小和形状时，都必须更换不同的靠模，并重新进 行困难的调整；靠模的磨损导致加工质量不稳定。 4 的塞竺精! 竺圭：。苎葺壁变油石的截面尺寸( 具体可将油石截面作成两边宽、中间窄 皇耋篓要二詈霎孝油石桐钻孔) ，在超精加工过程蛾使轴亲谢瓣谶主；主 存在的主要问题是： 一”一“一。燃j 恼 2 2 譬竺奎竺兰雪法控制到理论上所要求的最佳值，特别是薪要求的凸度值较大 时加工更加困难： 、一“一 3 ) 翌翌i 譬竺考要，。璺精加工所用油石的切削性能是很差的。因为超精加工的本 霉曩耋竺垩苎要娄竺彳氐工件的表面粗糙度，改善表面质量。要石蔷姜；嘉美三 三! 耋孚竺? 凳茎尺寸的任务，使轴承带上凸度，以弥补磨肖l j ；三磊夏蔷_ 主 三李就是不合理的，不仅加工质量无法保证，而且效率也低下。 刚蝇 1 2 2 国外的研究现状及典型工艺【3 7 】 ”“一 姥的耋竺：未釜鬯曼黑竺景 5 所示，两侧的调整螺钉决定靠模的方位，使其与滚道素 线的角度相吻余中间的拉紧螺钉决定变形量的大小，从而实现薪妄蒜蒜囊减 l 2 3 彳 眵蟹丽削仪夕o i - i ，z 一镡住燹形靠模，3 一调整螺钉，4 一拉紧螺钉 图1 5 弹性变形靠模法加工原理 f i g 1 5 c j p l e 。fe l a s 娃cd e f o r m a t i o no n - t h e m 。l dp m 嘲s i n g 白由蠹婴掌鬯黧是，篓王奠型号，或需要改变滚道凸度的时候，无须更换靠模；在 皇宴荽嘉三? 模的工作面为戡可以通过仔细的研磨来获毒茹蒜耄羞 存在下列问题： ”“一。皑从不。雌 ：萎篓篓要粤耋篓雯，。全雀去弹性而留下永久变形，使所需调整的目标难以实现； 2 霎三竺2 竺嬲黧实现，而所要求的凸度越小，贝i j 磊描磊磊： 誊鍪黧妻掌竺卺竺凸度小到3 u m 时，就难以实现了：薹主葛写茈丢羞 紧螺钉的拉力太小而容易引起不稳定情况： 。幽”儿叼拙 大连理工大学硕士学位论文 4 ) 对拉紧螺钉的调节精度要求很高( 必须能实现i l1 1 1 级的精确调整) ，制造困难， 调整也很困难： 5 ) 靠模材料的组织均匀性和热处理硬度的均匀性要求高，由于用户自己制造的设 备不能满足要求时，会导致整个机床不能使用； 6 ) 整个修整器须固定在专门的、能灵活运动的精密导轨或者弹性元件上这不但 增加了制造的复杂性，而且将在机床的纵向和横向导轨运动精度的基础上，带 来另外的机械误差，并且该误差在原理上不可能完全消除。 1 2 2 2 凸度金刚滚轮( 日本) 将轴承滚道所要求的凸度素线形状，精确地加工到金刚滚轮的素线上，再用它来把 砂轮素线修成凹形，从而进行滚道凸度磨削。该工艺的优点是机床调整简单，金刚滚轮 的凸度素线保持时间相对较长存在的主要问题是： 1 ) 金刚滚轮的精确成形加工困难大； 2 ) 更换工件型号或者改变凸度大小时，需要更多的金刚凸度滚轮； 3 ) 金刚滚轮磨损后，修复困难，而且费用较高，_ 般用户不具有自己修复的能力； 4 ) 在机床的纵向和横向交叉滚子导轨的基础上，滚轮的制造精度误差和滚轮的磨 损带来的误差，以及滚轮旋转轴线的精确定位误差，相对于l lm 级的精度要求 来说，这三者都是不可忽略的，且在原理上必然存在的。这三者都是在纵向和 横向导轨运动精度的基础上另外增加的误差因素。 最近，有人研究采用双坐标数控差补系统将砂轮修整成形的可行性。从理论上很容 易想到这种数控系统能够通过特殊的数学方程和相应的程序，把砂轮修整成理想的素线 形状，并且，从原理上讲，这是一条捷径。但是，一些工业技术水平很高的国家都没有 走这样一条道路，这并不是他们没有想到，而是因为按这种方案去具体实施时，从技术 上存在着很多难以克服的困难与问题。采用数控磨削的办法来获得理想的凸度曲线，并 不是一件轻而易举的事情。 总之，从技术上讲，目前比较合理的做法是，在磨床上磨出理论上所要求凸度曲线， 而在超精加工时，在整个滚道素线长度上，油石的截面宽度尺寸应该是相同的。这样， 在超精过程中，在整个滚道素线长度上，表面质量的提高才是同步的。随着油石在使用 过程中的磨损，油石与工件接触的工作面的几何形状会自然与工件上的凸度曲线相吻 合。即在超精加工过程中，只起到提高工件表面质量的作用，而不会破坏工件表面凸度 曲线的形状。同时，因为在超精加工过程中不再需要加工凸度，效率会大大提高，凸度 的大小、形状以及加工质量才会得到保证。但由于成品滚道凸度值通常在5 1 0 pm ( 有 时小于3 i lm ) ，这在凸度磨削中很难控制。另外，因要求预留超精加工的加工余量，更 增加了准确控制凸度的难度。 6 滚子轴承滚道凸度的电化学加工技术基础研究 1 3 本课题的学术思想与特色 1 3 1 电化学齿轮修形技术与启示 自7 0 年代以来，大连理工大学一直致力于电化学齿轮修形方面的研究，在国内处 于领先地位【3 8 】。通过长期的理论研究，初步的实验结果表明：电化学齿轮修形可较大地 降低齿轮噪音( 噪音降低达数分贝) ，同时成倍地提高了齿轮寿命。 齿轮电化学修形的基本思想是在电解液中以齿轮为阳极，以另一金属件为阴极，当 通以电流后，由于齿轮轮齿形状的特点，在齿面齿顶位置的电力线较为集中，而靠近齿根 部位的电力线则逐渐稀疏，因此，齿顶部位的修形量要大于齿根部位的修形量，这样便可 达到齿廓修形的目的。同时，由于齿轮齿向两端形成的电力线在棱角处较为集中，故齿端 的齿面在电化学加工时金属的去除量要多于中间齿面，在一定程度上也满足了齿向修形 的要求( 图1 6 ) 。 电化学齿轮修形技术的成功应用，给我们带来很多启示，并藉此提出了轴承滚道电 化学凸度修整的基本思想。 图1 6 齿轮表面与阴极间电力线分布情况 f i g 1 6d i s t r i b u t i o nc i r c u m s t a n c eo fp o w e rl i n eb e t w e e nt h eg e a rs u r f a c ea n dt h ec a t h o d e 1 3 2 本课题的学术思想 根据电化学加工阳极溶解原理，可将被加工轴承圈作为阳极放置于电解液中，在轴 承圈与另外设置的阴极体之间通以低压直流电，轴承滚道金属会发生阳极溶解而被蚀 除。在阳极溶解过程中，滚道表面各处的蚀除速度与该处的电流密度呈正比关系。合理 设计阴极并设置屏蔽，可控制加工区电场，使滚道表面电流密度沿母线方向按凸度要求 合理分布，滚道表面金属也将按凸度加工要求蚀除，从而达到滚道表面凸度形状的要求， 同时，清除机加工形成的微小毛刺。 为了探求电化学凸度加工过程中加工参数与凸度加工规律的内在联系，可以并对实 际凸度加工时的电位分布进行模拟，通过分析影响加工电流密度分布的因素，为合理选 取加工参数提供依据。 7 大连理工大学硕士学位论文 1 3 3 本课题的特色 采用电化学加工法加工滚子轴承滚道凸度的优势在于： 1 ) 可在超精加工后进行，比磨削凸度后进行超精加工更容易控制； 2 ) 可在加工凸度同时，清除滚道边缘微小毛刺； 3 ) 克服了成形法凸度磨削中，因频繁修整砂轮带来的磨具损耗和加工质量不稳定 等问题； 4 ) 克服了砂轮、工件轴线交叉法凸度磨削中装置及运动复杂的问题； 5 ) 与机械凸度加工方法相比，电化学凸度加工表面无切削痕迹、无加工变形及残 余应力、不改变滚道材料原有机械性质。 1 4 本课题的研究内容 1 ) 研究轴承滚道合理的素线凸度形状，明确滚道凸度修整量的分布规律； 2 ) 确定滚道素线凸度的测量方法； 3 ) 实验研究凸度加工过程中的电场分布，为更好完成凸度加工实验研究提供必要 的依据： 4 ) 建立适用的试验装置，包括加工电源、工作液循环系统、工具阴极、进给系统 世 专宇； 5 ) 研究工作液成分与配比、工作液流量、工作液压力、电流密度、加工时间等参 量对凸度加工效果的影响规律。 滚子轴承滚道凸度的电化学加工技术基础研究 2 滚子轴承滚道型面形状的确定 2 1 引言 为了提高圆柱滚子轴承的性能和寿命，必须解决轴承滚子边缘应力集中、滚子歪斜 和轴承轻载打滑等问题本章以内圈双挡边、外圈滚道带凸度的圆柱滚子轴承( 以下简 称外圈滚道带凸度的圆柱滚子轴承) 为例，研究解决上述问题的方法。将着重研究轴承 滚道合理的素线凸度形状，以便明确滚道凸度修整量的分布规律。另外，将确定滚道素 线凸度的测量方法。 2 2 滚道型面凸度的确定 2 2 1 轴承结构形式的确定 为使圆柱滚子轴承结构合理、性能可靠、工艺简单可行，我们在现有圆柱滚子轴承 的基础上，按照高速、轻载的使用工况进行改进设计，其结构为：内圈双挡边，外圈滚 道带凸度，内圈滚道和滚子为直母线，如图2 1 所示。轴承外圈滚道由直母线改为带凸 度母线，既可在较大程度上消除滚子边缘应力集中，又可改善由于安装和加工误差等原 因而产生的不同心以及由主轴旋状产生的挠曲度而导致的滚子偏载现象。 图2 1 外圈滚道带凸度的圆柱滚子轴承 f 吨2 1c y l i n d r i c a lr o l l e rb e a r i n g 稍他c r o w no uo u t e rr a c e w a y 图2 2 因偏载造成滚子歪斜 f i g 2 2r o l l e rg e t t i n ga s i d ed u et oe c c e n t r i c - l o a d 9 大连理工大学硕士学位论文 内圈滚道与滚子均为直母线型面，可增加内圈与滚子的接触面积，增大内圈对滚子 的拖曳力，有利于减少滚子打滑，也可避免偏载造成滚子歪斜( 图2 2 ) 。 2 2 2 滚道型面及凸度值的确定 2 2 2 1 理论基础 为便于分析，可将轴承外圈滚道、内圈滚道、滚子均视为弹性半空间体【3 9 1 。为消除 接触压力的奇异性，须得到图2 3 所示的接触压力分布，即轴向为恒定压力分布，横向 为椭圆形分布。相应地，在半空间体表面产生一个下凹量，如图2 4 所示。 图2 3 受分布力作用的半空问 f i g 2 3s e m i s p a c el o a d e db yd s t r i b u t e df o r c e 厂 zv 图2 4 半空间体表面变形 f i g 2 4a r e a ld e f o r m a t i o no fs e m i i n f m i t eb o d y 厶 工 ： 图2 5 修正型半空间表面 f i g 2 5s u r f a c eo fm o d i f i e ds e m i s p a c e 1 0 滚子轴承滚道凸度的电化学加工技术基础研究 若将未变形的半空间体表面增加一个与下凹量相对应的上升量，如图2 5 所示，就 得到了修正成型半空间体。用一个适当的力将修正成型的两个半空间体相互挤压，就能 在压力面内产生图2 3 所示的压力分布。如果一个半空间体未修正，而另一个以原来修 整量的两倍来修正，也能取得同样效果。 表面弹性变形y 可以通过弹性理论的解求得。修正形状由这个变形来确定，即 h ( y = o ，x ) = y r 眦( y = o ，x = o ) 一v ( y = o ，x ) 0 x z 2 ( 2 _ 1 ) 2 2 2 2 典型凸型 瑞典科学家l u n d b e r g 曾对线接触条件下，圆柱滚子的表面凸型与接触压力的关系 进行了理论研究。当半径为尼长度为的圆柱体在载荷尸作用下与弹性半无限体平面 相接触时，若要产生图2 3 所示的压力分布，圆柱表面母线修正成型曲线为 p = k o i p 七妨j 博訇= 主( 1 1 9 3 2 + i n 警) ( 2 川， 式中：b 为接触区域半宽，血为材料常数， = 上红+ 上丝 ( 2 _ 3 ) 。 局e 2 式中：磊、历、，、。分别为两接触体的弹性模量与泊松比。 l u n d b e r g 凸型( 对数凸型) 是一种理想凸型，对制造技术要求较高。因此，人们还 采用下列几种凸型： 1 ) 圆弧凸型。母线为以届为半径的圆弧( 如图2 6 所示) ，母线方程为 z g ) = r o 一僻一x 2 y 2 ( 2 叫) 图2 6 圆弧凸型 f i g 2 6o u t e rr a c e w a ys h a p eo fa r cc o n v e x i t y l l 大连理工大学硕士学位论文 2 ) 圆弧修正线型。母线由一长度为2 f 的直线段两端与以为半径尼的圆弧分别相交 而成( 如图2 7 所示) ，母线方程为 rz g ) = o tz g ) ：( r ；一c ：) i 2 一伍；一x ：y 2 0 侧 c ii - c h s 叫2 ( 2 5 ) 图2 7 圆弧修正线型 f i g 2 7m o d i f i e dl i n eo fa r c 3 ) 理想修正线型。母线由长度为2 c 的直线段以两端各与一个以为半径届的圆弧相 切而成( 如图2 8 所示) ，母线方程为 厂z g ) 0 - i x i c l z g ) ：r o _ k 一0 x | c ) 2 r 2c s k i _ l 2 ( 2 - - 6 ) 图2 8 理想修正线型 f i g 2 8i d e a l l ym o d i f i e dl i n e 2 2 2 3 型面及凸度值的确定 外圈滚道型面及凸度值的确定，是依据轴承的载荷大小而计算得出的。以圆弧凸型 为例，如图2 6 所示，滚道凸度值6 确定后，滚道型面的圆弧半径r 就可确定出来，其 1 2 滚子轴承滚道凸度的电化学加工技术基础研究 计算公式如下： 万0 0 0 0 4 3 三纽( 珊) ( 2 7 ) f q 掀：华( n ) ( 2 8 ) 肛去( 铲+ 百l 俨) ( 眦) ( 2 - 9 ) 式中，q l 一_ 滚子最大载荷，n 只轴承径向载荷，n 手_ 滚子数量 卜一滚子有效长度，衄 卜外圈滚道的有效长度，m m 2 3 滚道型面形状的测量技术 传统工艺中，滚道的凸度用标准滚子涂色检查，但凸起的准确数值无法知道。 洛阳轴承( 集团) 公司曾将激光技术应用于滚道凸度测量中【删。激光测量属非接触 测量，具有精度高、速度快，对工件无磨损及无接触误差等优点。但该装置复杂，成本 较高。 瓦房店轴承集团公司在为美国铁道协会生产轴承产品时，对内、外圈滚道的凸度要 求较高，在0 - - 0 0 0 4 m m 范围内，且凸度最高点应在滚道中部2 0 范围内。为此，他们 曾提出如图2 9 所示的凸度测量方法【4 1 1 。 参照他们的测量方法，我们设计了轴承滚道凸度测量的简易装置( 图2 1 0 ) 根据 滚道的宽窄调整两支点间的距离，同时保证测点位于两支点的中间用标准件校表，然 后将该装置置于滚道上，沿工件径向微微摆动，使其3 点在同一条素线上，找出最高点， 即可获得滚道凸度的数值。 ( a )