基于不同厚度油石组合的圆锥滚子凸度贯穿式超精方法与流程

技术领域

本发明涉及轴承加工技术领域，具体地说是一种基于不同厚度油石组合的圆锥滚子凸度贯穿式超精方法。

背景技术：

圆锥滚子是滚动轴承的一种重要零件，尤其滚子凸度对于轴承中滚子与滚道的接触应力分布和弹流润滑油膜形状都会产生积极影响，对提高轴承性能及寿命可靠性有重要意义。因此，在生产过程中对圆锥滚子的锥面凸度有严格的要求。滚子凸度呈曲线形状，目前公认的最佳凸度曲线是对数曲线，其大小是用微米计量的，其精密加工一直是轴承制造中需要解决的重要技术难题之一。目前，贯穿式超精研是精密圆锥滚子凸度加工的主要工艺，其加工方式是：一对轴线水平且平行配置的螺旋导辊，作定轴同向旋转运动，使得由上料机构连续送入两导辊之间的滚子，可以一边自转，一边以某种固定的或者变动的姿态沿某种轨迹从两导辊之间贯穿通过，其中，两导辊的辊形表面从两侧与滚子的圆锥表面接触，对滚子进行支撑、姿态控制和旋转驱动，前（或后）导辊的螺旋挡边与滚子的球基面接触，推动滚子向前贯穿并将相邻滚子隔离；同时，一排长方块油石从正上方弹性地压在滚子上，并沿导辊轴线方向作高频小幅直线振荡，对滚子锥面进行研磨。超精研加工常常简称为超精加工。

在目前的圆锥滚子贯穿式超精加工中，虽然一排油石的数量有的只有6块，有的多达12块，但油石的厚度却都是一样的，这就制约了超精后滚子凸度形状的改善。在圆锥滚子贯穿式超精加工中，油石的工作面是伴随油石自身磨损自动生成的内凹曲面，其与滚子锥面的接触研磨行为都发生在该曲面范围内。虽然油石工作面与滚子锥面的接触情况随具体工况条件的不同而有复杂的变化，但油石工作面曲面范围的大小在总体上对油石与滚子的接触研磨行为有制约作用。油石厚度的大小直接影响油石工作面的大小，进而对超精研过程中油石与滚子的接触研磨行为和滚子凸度具有重要影响。

目前生产中圆锥滚子贯穿式超精加工常常难以获得良好的滚子凸度，在多油石同时工作的条件下，没有发挥不同厚度油石组合对凸度形状的调节作用是其中的重要制约因素。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出了一种基于不同厚度油石组合的圆锥滚子凸度贯穿式超精方法，以改善滚子的凸度形状，使滚子凸度形状接近对数曲线。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

基于不同厚度油石组合的圆锥滚子凸度贯穿式超精方法，包括一对轴线水平且平行配置的导辊作定轴同向旋转运动，使得由上料机构连续送入两导辊之间的圆锥滚子，一边自转，一边以一种斜置的固定不变的姿态沿着与导辊轴线平行的直线从两导辊之间贯穿通过，其中，两导辊的辊形表面从两侧与滚子的锥面接触，对圆锥滚子进行支撑、姿态控制和旋转驱动，而导辊的螺旋挡边与圆锥滚子的球基面接触，推动圆锥滚子向前贯穿并将相邻圆锥滚子隔离；同时，一排长方块油石从正上方弹性地压在圆锥滚子上，并沿导辊轴线方向作高频小幅直线振荡，对滚子锥面进行研磨的步骤；本发明方法对所使用的一排油石中每块油石的厚度进行选择，形成不同厚度油石的组合，改善圆锥滚子凸度形状，且圆锥滚子以固定不变的斜置姿态沿着与导辊轴线平行的直线从两导辊之间贯穿通过；所述斜置姿态是指滚子贯穿过程中，在水平面内圆锥滚子轴线与所贯穿的直线之间存在一个夹角，即斜置角。

为使圆锥滚子凸度形状接近对数曲线，根据滚子具体几何参数和凸度量要求的不同，所述斜置角的大小在1°-3°范围内选择。滚子凸度量要求越大，选择的斜置角越大。允许最大斜置角受到滚子锥角的制约，滚子的锥角越大，允许选择的斜置角越大。

作为本发明的优选方案，具有8块油石的基于不同厚度油石组合的圆锥滚子凸度贯穿式超精方法，油石厚度组合方案是，从圆锥滚子贯穿入口开始，第一和第二块油石取相同的厚度，第三至第五块油石取相同厚度且厚度值为第一块的0.8-0.9倍，第六至第八块油石取相同厚度且厚度值为第一块的0.6-0.7倍。

根据超精后滚子凸度量和凸度形状的要求调整油石厚度组合的原则是：如果要求凸度量更大一些或凸度形状更陡峭一些，则增加厚油石的比例，也可以同时增大厚油石的压力；反之，若要求凸度量更小一些或凸度形状更平缓一些，则增加薄油石的比例，也可以同时减小厚油石的压力。

本发明的有益效果是：有效改善圆锥滚子贯穿式超精加工的滚子凸度形状，使滚子凸度形状接近对数曲线；调整油石厚度的组合比较容易实现，调整余地也比较大，因此，本发明的方法十分便于应用。

本发明的技术原理如下：

在斜置贯穿式圆锥滚子凸度超精加工中，油石上沿厚度方向不同位置的油石材料，作用在圆锥滚子长度方向的不同位置处，而圆锥滚子长度方向不同位置处所磨除滚子材料深度的差异形成了滚子凸度。作用在圆锥滚子长度方向某一位置的油石材料越多，该位置滚子材料的磨除量越多，相应的材料磨除深度越大。因此，通过对所使用的一排油石中各油石的厚度进行不同的选择并形成某种组合，可以有效改变作用在圆锥滚子长度方向不同位置处的油石材料量，使滚子长度方向不同位置处所磨除滚子材料的深度向着改善凸度形状的方向发生变化，从而取得改善滚子凸度形状的效果。

油石厚度减小对滚子凸度形状的影响还有另外一种机制。超精研中油石对工件材料的磨除量并不是随着时间增加而线性地增加，总的趋势是随着时间增加油石对工件材料的磨除率逐渐减小，而且时间增加到一定程度后磨除率会变得很小。对于斜置贯穿式圆锥滚子凸度超精加工，滚子大端和小端边缘超精区对滚子的研磨都是伴随着滚子边缘材料的磨除逐渐向中部扩展的，因此距离滚子贯穿入口较远处的油石，其对滚子边缘材料的磨除率是比较低的，相应地，其厚度边界附近的油石材料就不容易消耗，由于油石是固结磨具，这会影响厚度中心附近的油石材料发挥研磨作用。将距离滚子贯穿入口较远处的油石厚度减小，可以避免这种负面影响，使滚子中部区域得到更充分的超精，进而改善滚子凸度形状。

基于上述技术原理，通过一排油石厚度的组合可以有效调控凸度形状，取得超精后滚子凸度形状接近对数曲线的效果。

附图说明

图1为基于不同厚度油石组合的斜置贯穿式圆锥滚子凸度超精加工方式示意图；

图2为圆锥滚子-油石接触几何关系示意图；

图3为一种特定圆锥滚子姿态下特定截面的滚子纵向截形示意图；

图4为与图3所示纵向截形对应的滚子-油石接触线形态示意图；

图5为实施例的圆锥滚子-油石接触线图；

图6为实施例的圆锥滚子各纵向截形倾斜程度对比图；

图7为实施例油石厚度为6mm时超精区示意图；

图8为实施例油石厚度为4mm时超精区示意图；

图中标记是：01 、滚子轴线，02 、圆锥滚子，03 油石，04 、导辊轴线，05 、导辊， 06 、滚子贯穿直线，07 、斜置角， 08、滚子上的接触线，09、油石厚度后边界，10、油石上的滚子大端边缘超精区，11、油石上的滚子非边缘边缘超精区，12、油石上的滚子大端边缘超精区，13、油石厚度前边界。

具体实施方式

基于不同厚度油石组合的圆锥滚子凸度贯穿式超精方法，包括一对轴线水平且平行配置的导辊作定轴同向旋转运动，使得由上料机构连续送入两导辊之间的圆锥滚子，一边自转，一边以一种斜置的固定不变的姿态沿着与导辊轴线平行的直线从两导辊之间贯穿通过，其中，两导辊的辊形表面从两侧与滚子的锥面接触，对圆锥滚子进行支撑、姿态控制和旋转驱动，而导辊的螺旋挡边与圆锥滚子的球基面接触，推动圆锥滚子向前贯穿并将相邻圆锥滚子隔离；同时，一排长方块油石从正上方弹性地压在圆锥滚子上，并沿导辊轴线方向作高频小幅直线振荡，对滚子锥面进行研磨的步骤；本发明方法对所使用的一排油石中每块油石的厚度进行选择，形成不同厚度油石的组合，改善圆锥滚子凸度形状，且圆锥滚子以固定不变的斜置姿态沿着与导辊轴线平行的直线从两导辊之间贯穿通过；所述斜置姿态是指滚子贯穿过程中，在水平面内圆锥滚子轴线与所贯穿的直线之间存在一个夹角，即斜置角。

为使圆锥滚子凸度形状接近对数曲线，根据滚子具体几何参数和凸度量要求的不同，所述斜置角的大小在1°-3°范围内选择。滚子凸度量要求越大，选择的斜置角越大。允许最大斜置角受到滚子锥角的制约，滚子的锥角越大，允许选择的斜置角越大。

作为本发明的优选方案，具有8块油石的基于不同厚度油石组合的圆锥滚子凸度贯穿式超精方法，油石厚度组合方案是，从圆锥滚子贯穿入口开始，第一和第二块油石取相同的厚度，第三至第五块油石取相同厚度且厚度值为第一块的0.8-0.9倍，第六至第八块油石取相同厚度且厚度值为第一块的0.6-0.7倍。

根据超精后滚子凸度量和凸度形状的要求调整油石厚度组合的原则是：如果要求凸度量更大一些或凸度形状更陡峭一些，则增加厚油石的比例，也可以同时增大厚油石的压力；反之，若要求凸度量更小一些或凸度形状更平缓一些，则增加薄油石的比例，也可以同时减小厚油石的压力。

本超精方法也适用于两台及其以上数量超精机连线使用的情形。多台超精机连线的情形，可以看做是一排同时工作的油石数量增加了，比如两台超精机连线使用，同时工作的油石数量为16。这样的变动仍落入本专利的保护范围。

下面通过实施例对本发明做进一步说明。

实施例1

一种圆锥滚子半锥角为2°，长度为20mm，小端直径为10mm,要求凸度量为5-7μm,凸度形状接近对数曲线，采用斜置贯穿式超精方法加工滚子凸度，所使用的超精机有8个油石加压气缸，可提供一排8块油石同时工作。

基于不同厚度油石组合的斜置贯穿式圆锥滚子凸度超精加工方式如图1所示。

从圆锥滚子贯穿入口开始，第一和第二块油石的厚度取6mm，第三至第五块油石的厚度取5mm，第六至第八块油石的厚度取4mm；通过超精辊的设计和修磨保证超精加工时滚子的斜置角为1°。这样的选择可使超精后的圆锥滚子凸度形状接近对数曲线，凸度量也满足上述要求。

实施例2

一种圆锥滚子半锥角为1.5°，长度为16mm，小端直径为12mm,要求凸度量为6-8μm,凸度形状接近对数曲线，采用斜置贯穿式超精方法加工滚子凸度，所使用的超精机有6个油石加压气缸，可提供一排6块油石同时工作。

从圆锥滚子贯穿入口开始，第一和第二块油石的厚度取8mm，第三至第四块油石的厚度取6.5mm，第五至第六块油石的厚度取5mm；通过超精辊的设计和修磨保证超精加工时滚子的斜置角为2°。这样的选择可使超精后的圆锥滚子凸度形状接近对数曲线，凸度量也满足上述要求。

实施例3

一种圆锥滚子半锥角为2.5°，长度为25mm，小端直径为20mm,要求凸度量为7-11μm,凸度形状接近对数曲线，采用斜置贯穿式超精方法加工滚子凸度，所使用的超精机有10个油石加压气缸，可提供一排10块油石同时工作。

从圆锥滚子贯穿入口开始，第一至第三块油石的厚度取15mm，第四至第六块油石的厚度取12mm，第七至第十块油石的厚度取9mm；通过超精辊的设计和修磨保证超精加工时滚子的斜置角为3°。这样的选择可使超精后的圆锥滚子凸度形状接近对数曲线，凸度量也满足上述要求。

下面结合附图对本发明的技术原理做进一步说明。

针对圆锥滚子斜置贯穿式超精加工，分别选择横向铅垂截面和纵向铅垂截面，从滚子锥面和油石工作面对应截形形状两个方面，分析滚子与油石的接触方式。纵向是指滚子贯穿直线方向，横向是与纵向垂直的方向。下文中，横向铅垂截面简称横向截面，对应截形称为横向截形；纵向铅垂截面简称纵向截面，对应截形称为纵向截形。图2是滚子-油石接触几何关系示意图。

横向截形分析。油石工作面形状是伴随油石自身磨损自动生成的，油石磨损是其与滚子接触研磨产生的，因此，当滚子在油石下方沿直线贯穿时，油石的工作面应当是沿贯穿直线方向的拉伸面，其每一个横向截形的形状都相同。另一方面，滚子具有锥形表面且其轴线与贯穿直线呈现空间交错关系，因而，滚子锥面的各个横向截形是尺寸互不相同的椭圆。因此，滚子与油石之间的接触几何关系并非像切入式超精研那样简单的面接触关系。

纵向截形分析。图3是一种特定滚子姿态下特定截面的滚子纵向截形示意图，其中小写字母所代表截形的截面位置,在图2中用对应的大写字母表示。先考察滚子锥面的纵向截形。由于斜置角和滚子锥角的存在，在油石厚度范围内，滚子锥面的纵向截形都是一段圆锥曲线，但在横向上随着截面位置的不同，截形的形状和倾斜方向也不同。再考察油石工作面的纵向截形。油石工作面是纵向拉伸面，因而其纵向截形均为水平直线。油石工作面是自身磨损形成的，稳定工作状态下，在油石宽度范围内的每一个纵向截面内，滚子与油石的截形都会有一个接触点。显然，要保证滚子沿水平直线贯穿，这个接触点只能是滚子纵向截形的最高点。因此，滚子与油石是线接触，接触线是滚子所有纵截形最高点连成的空间曲线。

在一定的滚子几何参数及油石的厚度和位置条件下，滚子-油石接触线的具体形态取决于滚子姿态。基于对称性，斜置方向没有影响，因此只考虑滚子小端向后导辊斜置的情形。

先对上述特定滚子姿态下的接触线形态进行定性分析。这种特定滚子姿态是，倾斜角取一个使得滚子上素线小端轻微抬高的值，而斜置角取一个较小的适当值。倾斜角是指纵向铅垂平面内滚子轴线与贯穿直线之间的夹角。当油石的横向位置是其厚度中心截面经过滚子轴线长度中心时，这种滚子姿态下的滚子-油石接触线形态如图4所示。图4为接触线在水平面内的投影。图4中，接触线由折线ABCDEF组成， AB和EF各代表一段滚子大端圆弧，CD代表一段滚子小端圆弧，BC和DE段形状尚不能确定（图中直线是示意性的）。这种接触线的形成机制是：随着纵向截面的位置由A向F 移动，滚子纵向截形（圆锥曲线）的形状和倾斜方向不断变化，其最高点沿折线ABCDEF变动。图3即为这种滚子姿态下一些特定纵向截面的位置和对应截形示意图。图2中的截面位置代号与图4的接触线转折点符号相同的，表示截面位置即为相应的转折点位置。此外，图3中截形o的位置在油石厚度中心，截形p 是DE接触线长度中心截面的截形。

图4所示接触线，AB和EF段称为大端边缘接触线，CD段称为小端边缘接触线，AC和DE段称为非边缘接触线。图4所示接触线形态是接触线段数最多的一种，以此为基础，随着滚子姿态等参数变化，接触线段数以及各段的长度和位置会有所变化，比如，若斜置角增大，则D点向油石厚度后边界方向移动，甚至到达油石厚度后边界上，致使EF段消失甚至DE段和EF段都消失；若滚子小端降低，则CD段可能会变得很小甚至消失；如果滚子小端大幅抬高，CD段可能会变得很大，同时，AB和EF段甚至AC和DE段都可能消失。

假定接触线具有图4所示形态，可以设置坐标系并进一步建立滚子纵向截形方程和接触线方程，对滚子与油石的接触几何问题进行更深入的分析。申请号为201610052176.0的已公开发明专利给出了该纵向截形方程和接触线方程，并说明了如何将其用于滚子凸度分析。对于上述实施例1的圆锥滚子超精加工，当滚子斜置角为1°，倾斜角为2.04°，油石厚度为6mm时，运用该方程绘制的滚子油石接触线如图5所示，滚子各纵向截形的倾斜程度对比如图6所示。

图5中，x坐标方向是横向，也是油石厚度方向，x=0处是油石厚度中心，x为负代表油石后半区，x为正代表油石前半区；z坐标方向是纵向，也是滚子和油石的长度方向，z值为负代表滚子小端一边，z值为正代表滚子大端一边。图5中的粗线部分是接触线，细线覆盖的范围是滚子上的接触区范围。图5表明实施例1情形下滚子-油石接触线形态是“Z”字形。

图6中的z_b坐标方向是纵向，y_b坐标方向是铅垂方向。图6表明，在油石厚度中心位置，滚子纵向截形小端略有太高，以此为界，越靠近油石厚度后半区边界（x取正值且越来越大），滚子纵向截形小端抬高越多；而向着油石厚度前半区边界（x取负值且越来越小），滚子纵向截形倾斜方向很快变为大端抬高并且越来越高。

根据图5所示滚子上的接触线，可将厚度为6mm的油石沿其厚度方向划分为如图7所示3个超精区，即大端边缘超精区、小端边缘超精区和非边缘超精区。大端边缘超精区的油石材料只对滚子大端边缘附近的滚子材料进行研磨，但是，结合图6 可知，由于沿油石厚度方向不同位置处滚子纵向截形倾斜角度不同，因而不同位置磨除的滚子材料深度也不同，其中越靠近厚度边界的油石材料，磨除的滚子材料深度越大，伴随滚子材料的磨除其研磨位置越不容易向滚子中部移动；而越靠近厚度中心的油石材料，磨除的滚子材料深度越小，伴随滚子材料的磨除其研磨位置越容易向滚子中部移动，从而扩大所谓大端边缘附近的范围。小端边缘超精区的油石材料只对滚子小端边缘附近的滚子材料进行研磨，其磨除滚子材料的规律类似于大端边缘超精区。非边缘超精区的油石材料对滚子全长进行研磨。由图7可知，非边缘超精区的油石材料远比大端和小端边缘超精区的少，将材料磨损基本规律用于油石与滚子的接触研磨可知，滚子两端边缘附近被磨除的材料深度远比中部多，因而滚子超精后可形成凸度。

图7对应的油石厚度为6mm，如果将油石厚度减小为4mm并保持厚度中心位置不变，则得到图8所示的超精区。与图7相比，图8中的大端和小端超精区的油石材料都减少了，而且减少油石材料的位置都是对应滚子纵向截形倾斜程度最高的地方，这使得最靠近滚子两端边缘位置的滚子材料减少了磨除机会，从而影响滚子的凸度形状。