一种圆锥滚子超精研用导辊的磨床的制作方法

本实用新型属于轴承加工技术领域，具体涉及一种圆锥滚子超精研用导辊的磨床。

背景技术：

圆锥滚子是滚动轴承的一种重要零件，其锥面需要进行磨削和超精研。圆锥滚子锥面的磨削和超精研通常采用无心贯穿式加工方式，其中超精研时使用的导辊和磨削时用的导轮都是起到主轴作用的重要专用部件，其自身的加工精度直接影响圆锥滚子的加工质量。导辊的主要工作面是与滚子直接接触的两个螺旋工作面，其一是与滚子的滚动面接触的螺旋形面，其二是与滚子球基面接触的螺旋档边。由于导辊螺旋工作面结构特殊，结构参数需要根据滚子型号和超精研加工要求专门设计，而且磨削精度要求高，因此需要专用的导辊磨床进行磨削加工。导辊的这两个主要工作面都容易磨损，磨损后需进行修复性磨削加工才能重新使用。导轮上直接与圆锥滚子接触的工作面具有与导辊类似的结构及使用特征，因此，导辊的磨削方法及磨床也可用于导轮磨削。作为磨削导辊和导轮的专用磨床，要求既可以磨削螺旋形面，也可以磨削螺旋档边。使用导辊的超精研工序总是安排在使用导轮的磨削工序之后，加之导辊长度通常远大于导轮，因此，导辊的磨削要求和磨削难度往往高于导轮。传统上导轮磨床只能磨削导轮，不能磨削导辊。随着超精研工艺的推广，导辊的磨削需求增加，导轮磨床改进后具备了磨削导辊的功能，但目前的名称习惯上还是叫导轮磨床。本实用新型所述导辊磨削方法及磨床适用于导轮磨削及导轮磨床。

现有导辊磨床及导辊磨削方法的特点包括:（1）导辊轴线与工作台移动直线平行；砂轮轴线在水平面内与导辊轴线保持平行，在铅垂平面内是倾斜的，其倾斜角度即为砂轮架垂直摆角，是可调的。（2）采用平形砂轮，砂轮外周面修成单一锥面，砂轮端面不修整。（3）磨削导辊螺旋档边时，根据导辊档边的螺旋升角和档边相对于导辊轴线的倾斜角，调整砂轮轴线在铅垂平面内的倾角，借助砂轮外周锥面大端圆弧线对导辊螺旋档边进行磨削。

现有的导辊磨削方法，不对砂轮端面进行修整的原因是为了避免影响导辊螺旋形面磨削。在导辊螺旋形面磨削时，必须保证砂轮宽度略大于导辊螺旋形面的宽度。如果对砂轮端面进行修整，砂轮宽度会随着修整量的增加而减小，从而影响导辊螺旋形面磨削。

关于现有方法借助砂轮外周锥面大端圆弧线对导辊螺旋档边进行磨削的问题，发表于期刊《轴承》2013年第8期，题名为“圆锥滚子超精研导辊挡边形面分析”的论文（下文简称为公开文献1），进行了详细分析。根据公开文献1，现有方法在磨削导辊螺旋档边时，为了满足挡边相对于导辊轴线倾斜角的要求，需要使砂轮架垂直摆角小于导辊挡边的螺旋升角，从而借助砂轮外周锥面大端圆弧线对档边进行磨削。

现有导辊螺旋档边磨削方法，由于只有砂轮外周锥面大端圆弧线参与磨削，其磨削后的表面质量很差，难以满足精密圆锥滚子超精研加工要求，也影响导辊的使用寿命。在圆锥滚子超精研过程中，导辊螺旋档边与滚子球基面之间存在较大的推力，且处于滑动状态，如果导辊档边的表面粗糙度较大，容易在滚子球基面产生划痕甚至划伤。此外，导辊档边的表面粗糙度越大，其表面越容易磨损，从而影响导辊的使用寿命。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种圆锥滚子超精研用导辊的磨床，以克服现有技术的不足，提高导辊螺旋档边的磨削质量，并同时满足导辊螺旋形面的磨削要求。

本实用新型为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种圆锥滚子超精研用导辊的磨床，所述磨床采用平形砂轮，砂轮轴线在平行于导辊轴线的铅垂平面内有一个相对于导辊轴线的倾斜角ε，在水平面内有一个相对于导辊轴线的倾斜角θ，平形砂轮的外周面修整成宽度一大一小的两个锥面，宽度较大的锥面称为大锥面，用于磨削导辊的螺旋形面；宽度较小的锥面称为小锥面，用于磨削导辊的螺旋档边。

本实用新型所述圆锥滚子超精研用导辊的磨床中，砂轮轴线在水平面内相对于导辊轴线的倾斜角θ的取值范围为10°~20°。

本实用新型所述圆锥滚子超精研用导辊的磨床中，所述砂轮轴线在水平面内相对于导辊轴线的倾斜角θ的取值为15°。

本实用新型的有益效果是：在满足档边倾斜角度以及导辊螺旋形面磨削要求的同时，大幅提高导辊螺旋档边的磨削质量；提高导辊螺旋档边磨削时的效率以及砂轮的耐用度；既适用于普通圆锥滚子也适用于精密圆锥滚子超精研导辊的磨削，也适用于圆锥滚子无心磨削用导轮的磨削，具体表现为：

（1）在磨削导辊螺旋挡边时，现有方法只有砂轮锥面大端圆弧线参与磨削，而且由于砂轮端面不修整会导致大端圆弧线上的磨粒不能全部参与磨削，使得实际参与磨削的磨粒很少，因此其磨削质量差，效率低，砂轮也容易磨钝；相比之下，本实用新型的磨床是经过修整的砂轮小锥面参与磨削，按照砂轮粒度60号，导辊档边宽度1.5-3mm计算，参与磨削的磨粒数至少要比现有方法增加5-10倍，因此磨削质量和磨削效率大幅提升，砂轮耐用度也大幅提高。

（2）依据共轭曲面原理，基于导辊磨削时砂轮与导辊之间的几何关系和相对运动关系，本实用新型磨床磨削后的导辊螺旋档边倾斜角可以满足其设计要求，同时，本实用新型磨床磨削后的导辊螺旋形面也可以满足其设计要求。

（3）本实用新型的磨床磨削导辊螺旋档边的表面质量比现有方法好，也可以满足导辊磨削的其他要求，因此适用于精密圆锥滚子超精研导辊的磨削。同时，与现有磨削方法相比，使用本实用新型的磨床磨削导辊并不附加额外要求，成本也不增加，还提高了效率，因此也适用于普通圆锥滚子超精研导辊的磨削。

（4）本实用新型的磨床也适用于圆锥滚子无心磨削用导轮的磨削，因为导轮与导辊螺旋工作面的结构和使用特征是类似的。

附图说明

图1为本实用新型导辊磨床的布局及砂轮外周面形状示意图；

图2为本实用新型导辊轴向平面内表示的导辊螺旋工作面结构示意图；

图3为本实用新型导辊挡边螺旋径向法平面内表示的导辊螺旋工作面结构示意图；

图4为本实用新型砂轮大小锥面沿砂轮轴向宽度与砂轮轴线倾斜角θ的关系示意图；

图5为本实用新型砂轮大小锥面修整引起大小锥面宽度变化的几何关系示意图；

图6为本实用新型在平行于导辊轴线的铅垂平面内表示的砂轮与导辊之间几何关系示意图；

图7为本实用新型导辊挡边螺旋径向法平面内表示的砂轮与导辊之间的几何关系示意图；

图8为本实用新型砂轮小锥面与导辊挡边接触直线和砂轮轴线及导辊轴线之间的空间几何关系示意图。

图中标记：1、砂轮，2、导辊。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本实用新型的具体实施方式（实施例）进行描述，使本领域的技术人员能够更好地理解本实用新型。

一种圆锥滚子超精研用导辊的磨床，所述磨床采用平形砂轮，砂轮轴线在平行于导辊轴线的铅垂平面内有一个相对于导辊轴线的倾斜角ε，在水平面内有一个相对于导辊轴线的倾斜角θ，平形砂轮的外周面修整成宽度一大一小的两个锥面，宽度较大的锥面称为大锥面，用于磨削导辊的螺旋形面；宽度较小的锥面称为小锥面，用于磨削导辊的螺旋档边。

砂轮轴线在水平面内相对于导辊轴线的倾斜角θ的取值范围为10°~20°。

砂轮轴线在水平面内相对于导辊轴线的倾斜角θ的优选值为15°。

导辊的螺旋形面和螺旋挡边用砂轮的大锥面和小锥面分别进行磨削。

在使用砂轮大锥面磨削导辊螺旋形面时，砂轮大锥面需要修整以保证其磨削性能，同时，砂轮大锥面宽度也要保持一个略大于导辊螺旋形面宽度的适当值。当砂轮大锥面宽度小于适当值时，可修整大锥面使其增大；当砂轮大锥面宽度大于要求值时，可修整小锥面使其减小。

在使用砂轮小锥面磨削导辊螺旋挡边时，砂轮小锥面也需要修整以保证其磨削性能，同时，砂轮小锥面宽度要大于导辊螺旋挡边宽度。当砂轮小锥面宽度小于要求值时，可修整小锥面使其增大。

下面结合说明书附图对本实用新型取得有益效果的技术原理做进一步说明。

（1）本实用新型导辊磨床的布局及砂轮外周面形状

图1是本实用新型导辊磨床的布局及砂轮外周面形状示意图，其中oo是砂轮轴线，o1o1是导辊轴线。如图1所示，砂轮轴线在水平面内有一个相对于导辊轴线的倾斜角θ，在平行于导辊轴线的铅垂平面内也有一个倾斜角ε；平形砂轮的外周面修整成宽度一大一小的两个锥面，其中宽度较大的锥面称为大锥面，用于磨削导辊的螺旋形面；其中宽度较小的锥面称为小锥面，用于磨削导辊的螺旋档边。

（2）导辊螺旋工作面的结构

图2是在导辊轴向平面内表示的导辊螺旋工作面结构示意图。图2中，导辊螺旋形面的轴向截形是一条轻微内凹的倾斜曲线，其相对于导辊轴线的倾斜角度称为辊形斜角，用βg表示；其内凹量通常只有几微米，图中未画出其内凹特征；导辊螺旋挡边的螺旋升角为η，该角度是直线j2j2与导辊轴线之间的夹角；直线j1j1代表导辊挡边螺旋面的切向平面；j2j2代表过导辊螺旋挡边上任意一点法线和径向直线的平面，下文简称导辊挡边螺旋径向法平面；直线j2j2与j1j1垂直。

图3是在导辊挡边螺旋径向法平面内表示的导辊螺旋工作面结构示意图。图3中，导辊螺旋挡边截形是一条倾斜直线，其相对于导辊径向的倾斜角度称为挡边倾斜角，用ωg表示。这里的挡边倾斜角ωg与公开文献1所述的挡边倾斜角ω并不相同。虽然这两个角度都代表导辊挡边相对于导辊轴线的倾斜程度，但两者的参考平面和角度基准线都不同。公开文献1所述的挡边倾斜角ω是在过导辊轴线的平面内以导辊轴线为基准线度量的。

（3）本实用新型磨削导辊时的工作方式

磨削导辊时的工作方式为，砂轮高速旋转；导辊在工作台上做低速定轴旋转运动，并随着工作台做直线移动；磨削导辊螺旋形面时，通过砂轮做横向直线移动，实现对刀和沿导辊径向的进给；磨削导辊螺旋挡边时，通过砂轮横向直线移动与工作台的纵向直线移动相结合实现对刀，通过工作台的纵向直线移动实现导辊轴向的进给。导辊转动和工作台移动之间的匹配关系为：导辊每旋转一周，工作台移动一个导辊导程的长度。导辊轴线与工作台移动直线方向保持一致。

（4）砂轮轴线在水平面内相对于导辊轴线倾斜角θ的优选

图4是砂轮大小锥面沿砂轮轴向宽度与砂轮轴线倾斜角θ的关系示意图。图4中，h1是砂轮大锥面沿其轴向的宽度，h2是砂轮小锥面沿其轴向的宽度，h是砂轮轴向总宽度，ab是砂轮大锥面沿其母线方向的宽度，bc是砂轮小锥面沿其母线方向的宽度，oo是砂轮轴线，o2o2是工作台移动直线，φ1是砂轮大锥面与相邻砂轮端面之间的夹角，φ2是砂轮小锥面与相邻砂轮端面之间的夹角；βs是水平面内砂轮大锥面母线与工作台移动直线，即导辊轴线之间的夹角，约等于导辊螺旋形面的辊形斜角，对于半锥角在0.5°到5°之间的圆锥滚子，该角度约为0.65°到6.5°之间；ωs是水平面内砂轮小锥面母线与导辊径向的夹角，约等于导辊螺旋档边的倾斜角，一般在5°左右。根据图4所示几何关系，h1和h2的计算式为：

其中，quote，quote

从砂轮磨料消耗的角度分析，h代表砂轮磨料总量，h1代表消耗于导辊螺旋形面磨削的磨料数量，h2代表消耗于导辊螺旋档边磨削的磨料数量，h1与h2之和等于h。另一方面，从需要磨除的金属材料量的角度分析，导辊螺旋形面宽度代表导辊螺旋形面磨削时需要磨除的金属材料量，导辊螺旋档边宽度代表导辊螺旋档边磨削时需要磨除的金属材料量。砂轮磨料消耗量与金属材料磨除量之间存在一定比例关系，因此，h1与h2之比应该等于导辊螺旋形面宽度与导辊螺旋档边宽度之比。

导辊螺旋档边宽度数值较小，一般为1.5mm至3mm；考虑到对刀方便等因素，砂轮小锥面沿其母线方向的宽度bc一般要达到3mm至6mm，即bc与导辊螺旋档边宽度的比值k一般在2至4范围内。导辊螺旋形面宽度取决于圆锥滚子长度，其数值往往远大于导辊螺旋档边宽度，而且与砂轮大锥面沿其母线方向的宽度ab值很接近，即ab与导辊螺旋形面宽度的比值约等于1。因此，有h1与h2比值关系式如下：

根据这个h1与h2比值关系式，注意到上述h1和h2的计算式，可得倾斜角θ的优选取值分析式如下：

其中，k为砂轮小锥面沿其母线方向的宽度与导辊螺旋档边宽度之比，取值范围一般为2至4。

根据上述倾斜角θ的优选取值分析式，注意到k、βs和ωs的取值范围，可得倾斜角θ的优选取值范围为10°至20°，因此，取砂轮轴线在水平面内相对于导辊轴线倾斜角θ的优选值为15°。

（5）砂轮大小锥面宽度的保证

用砂轮大锥面磨削导辊螺旋形面时，大锥面沿其母线方向的宽度要大于螺旋形面宽度，但受制于导辊螺旋槽的宽度，砂轮大锥面宽度也不能太大，因此要保证一个适当取值。在使用砂轮小锥面磨削导辊螺旋挡边时，要保证砂轮小锥面沿其母线方向的宽度大于导辊螺旋挡边的宽度。

砂轮大锥面或者小锥面的修整，都会使砂轮大小锥面宽度同时变化。图5是砂轮大小锥面修整引起大小锥面宽度变化示意图，图中，ab是砂轮大锥面宽度，bc是砂轮小锥面宽度，cd是砂轮小锥面相邻端面，ae是砂轮大锥面相邻端面，oo是砂轮轴线，a1b1是砂轮大锥面修整后的宽度，b1c1是砂轮小锥面修整后的宽度。由于ab与ae之间的夹角以及ab与bc之间的夹角均为钝角，bc与cd之间的夹角也是钝角，因此，a1b1大于ab，b1c1大于bc。这意味着，大锥面修整会使大锥面宽度增加，同时也会使小锥面宽度减小；小锥面修整会使小锥面宽度增加，同时也会使大锥面宽度减小。

根据上述砂轮修整引起的砂轮大小锥面宽度变化趋势，在使用砂轮大锥面磨削导辊螺旋形面时，若砂轮大锥面宽度小于要求值时，可修整大锥面使其增大；若砂轮大锥面宽度大于要求值时，可修整小锥面使其减小，从而保证砂轮大锥面宽度满足磨削要求。在使用砂轮小锥面磨削导辊螺旋挡边时，若砂轮小锥面宽度小于要求值，可修整小锥面使其增大，从而保证砂轮小锥面宽度满足磨削要求。

（６）磨削后导辊螺旋挡边倾斜角设计要求的满足

本实用新型用砂轮小锥面磨削导辊螺旋挡边时，通过砂轮架垂直摆角和砂轮小锥面半锥角这两个参数的合理选择，可满足挡边倾斜角的设计要求。

记砂轮架垂直摆角为ε2，砂轮小锥面的半锥角为β2。β2和ε2的选择既要满足导辊螺旋挡边倾斜角设计要求，也要保证砂轮小锥面参与磨削，而不能像现有方法那样砂轮上只有一个圆弧参与磨削。为此，使砂轮轴线位于导辊挡边螺旋径向法平面内，并且使该平面内砂轮小锥面截形直线相对于导辊径向的倾斜角等于导辊挡边倾斜角ωg。这种情形下，砂轮小锥面上与导辊螺旋挡边接触处的线速度方向，刚好是导辊螺旋挡边螺旋面的切线方向，砂轮小锥面与导辊螺旋挡边可以保持线接触，接触线就是砂轮小锥面的轴向轮廓线，因此，一方面可以保证砂轮小锥面参与磨削，另一方面可以保证磨削后的导辊挡边倾斜角，等于导辊挡边螺旋径向法平面内砂轮小锥面截形直线相对于导辊径向的倾斜角ωg。

在平行于导辊轴线的铅垂平面内表示的砂轮与导辊之间的几何关系如图6所示。在导辊挡边螺旋径向法平面内表示的砂轮与导辊之间的几何关系如图7所示。砂轮轴线位于导辊挡边螺旋径向法平面内，因此，在图6所示平行于导辊轴线的铅垂平面内，砂轮轴线与导辊轴线的夹角等于导辊挡边的螺旋升角η；在图7所示导辊挡边螺旋径向法平面内，砂轮小锥面截形直线与导辊挡边截形直线一致，两者重合部分就是砂轮小锥面与导辊挡边的接触直线，其相对于导辊径向的倾斜角等于导辊挡边倾斜角ωg，其相对于砂轮轴线的倾斜角等于砂轮小锥面半锥角β2。

砂轮小锥面与导辊挡边接触直线和砂轮轴线及导辊轴线之间的空间几何关系如图8所示，图中，p2p2是砂轮小锥面与导辊挡边接触直线，oo是砂轮轴线，o1o1是导辊轴线。

据图8所示几何关系，已知θ，η和设计要求的ωg值，就可以计算出β2和ε2的值。这样，根据计算的β2和ε2的值选择砂轮架垂直摆角和砂轮小锥面半锥角，就可以保证挡边倾斜角ωg达到设计要求值，同时保证砂轮小锥面参与磨削。

（７）导辊螺旋挡边磨削质量和磨削效率的提升

在磨削导辊螺旋挡边时，现有方法只有砂轮锥面大端圆弧线参与磨削，而且由于砂轮端面不修整会导致大端圆弧线上的磨粒不能全部参与磨削，使得实际参与磨削的磨粒很少，因此其磨削质量差，效率低，砂轮也容易磨钝；相比之下，本实用新型的磨削方法和磨床是经过修整的砂轮小锥面参与磨削，按照砂轮粒度60号，导辊档边宽度1.5-3mm计算，参与磨削的磨粒数至少要比现有方法增加5-10倍，当砂轮粒度号增大时，参与磨削的磨粒数增加更多，因此磨削质量和磨削效率大幅提升，砂轮耐用度也大幅提高。

本实用新型用砂轮小锥面磨削导辊挡边时，砂轮轴线位于导辊挡边螺旋径向法平面内，因此，砂轮小锥面与导辊挡边只在该平面内构成直线接触，其他位置不接触，从而保证砂轮小锥面参与磨削。

作为对比，现有磨削方法只有砂轮锥面大端圆弧线参与磨削的情况见公开文献1。

（８）磨削后导辊螺旋形面设计要求的满足

本实用新型用砂轮大锥面磨削导辊螺旋形面时，通过砂轮架垂直摆角和砂轮大锥面半锥角这两个参数的合理选择，可以满足其设计要求。

发表于期刊《机械工程学报》2018年11月第54卷第21期，题名为“圆锥滚子凸度超精研锥柱匹配导辊形面分析”的论文，以下简称公开文献2，在其3.1和3.2节，给出了圆锥滚子斜置贯穿式超精研导辊理想形面方程，并说明了理想形面特征，表明导辊螺旋形面的轴向截形是一条轻微内凹的倾斜曲线，其特征可用辊形凹度和辊形锥角（就是本说明书前文所述的辊形斜角βg）两个参数表达。公开文献2所述的滚子斜置角等于零时，即为正置贯穿式超精研。公开文献2对滚子斜置角取值没有限定，因此，其导辊理想形面方程是通用于斜置和正置两这种方式的。这两种方式是圆锥滚子贯穿式超精研的主要方式。

发表于期刊《轴承》2015年8月第8期，题名为“圆锥滚子超精研导辊的磨削辊形及其精密测”的论文，以下简称公开文献3，在其第1节，依据共轭曲面原理，基于磨削过程中砂轮与导辊之间的几何关系和相对运动关系，建立了圆锥滚子超精研导辊磨削后的螺旋形面方程，并说明了其形面特征以及砂轮半锥角、砂轮架垂直摆角等磨削参数对螺旋形面的影响规律，表明磨削后导辊螺旋形面的轴向截形也是一条轻微内凹的倾斜曲线，其特征也可用辊形凹度和辊形锥角（即本说明书前文所述的辊形斜角）两个参数表达；随着砂轮半锥角、砂轮架垂直摆角等磨削参数取值不同，导辊螺旋形面的辊形锥角和辊形凹度随之改变。

根据公开文献3，合理选择砂轮半锥角和砂轮架垂直摆角，可以使得磨削后的导辊螺旋形面，在辊形斜角和辊形凹度两方面都与设计形面非常接近，从而满足设计要求。

从磨削成形原理上说，公开文献3所述磨削辊形的轴向截形之所以具有倾斜和内凹的特征，根本原因在于砂轮外周面为锥面，并且砂轮轴线与导辊轴线之间呈空间交错关系。本实用新型砂轮外周面也是锥面，并且砂轮轴线与导辊轴线之间也呈空间交错关系，磨削后导辊形面的轴向截形也具有倾斜和内凹的特征，因此，通过砂轮架垂直摆角和砂轮大锥面半锥角这两个参数的合理选择，也可以满足导辊形面的设计要求。

本实用新型的磨床磨削导辊螺旋档边的表面质量比现有方法好，同时也可以满足导辊磨削的其他要求，因此适用于精密圆锥滚子超精研导辊的磨削。同时，与现有磨削方法相比，使用本实用新型的方法和磨床磨削导辊并不附加额外要求，成本也不增加，还提高了效率，因此也适用于普通圆锥滚子超精研导辊的磨削。

本实用新型的磨床，也适用于圆锥滚子无心磨削用导轮的磨削，因为导轮与导辊螺旋工作面的结构和使用特征类似。