（机械制造及其自动化专业论文）滚子轴承滚道凸度电化学砂带磨削加工技术研究.pdf

大连理工大学硕士研究生学位论文 摘要 圆柱、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，能有效地改善滚道接触区的应力分布，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，发达国家对 圆柱、圆锥滚子轴承滚道设计大都要求带凸度，国内很多出口产品都要求y j n - r - 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 0 f l m ( 有时小于3 肌) ， 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，以保证轴承滚道的凸度形状和表面质量为研究目 标，本文提出并研究了滚子轴承滚道电化学砂带磨削( e c a b g ) 凸度修形的相关理论 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 ) 对c 6 2 0 车床进行改装并建立了适用的实验装置，包括加工电源、电解液 循环系统、工具阴极、砂带循环装置等；( 2 ) 通过m a t l a b 语言编程，利用有限元法 ( f e m ) 反求电场阴极边界，为电化学加工阴极设计提供了一种计算机辅助设计方法。 ( 3 ) 通过正交实验，初步研究了电流密度、加工时间、砂带粒度、极间间隙、工件转 速工艺参数对滚道表面质量的影响程度，为工艺参数的优化提供了依据。另外，通过实 验，验证了滚子轴承滚道凸度电化学砂带磨削加工技术的可行性；( 4 ) 选择g c r l 5 轴承 环为对象，进行了腐蚀与防腐实验，初步确定了经济适用的电解液缓蚀剂。 研究结果表明：滚子轴承滚道凸度电化学砂带磨削加工方法是可行的，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；有限元 大连理工大学硕士研究生学位论文 r e s e a r c ho nc r o w n f o r m i n g o fc y l i n d e r - r o l l e r b e a r i n gr a c e w a y su s i n ge c a b g a b s tr a c t m 曲s 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 血s 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 r r a c e w a yg 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 e r o l l e r s ，w h e ne y l i n d r i c a lr o l l e rb e a r i n ga n dt a p e r e dr o l l e rb e a r i n ga r ei na s t a t eo fb e i n gl o a d e d 皿1 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 da b o v eo f t e n l e a d st of u l 恤e rd e v e l o p m e n to ff a t i g u e c o l l a p s ea n db r e a k i n g o f ft o w a r dt ot h ec o r e w h i c hc o u l dm a k et h ee n t i r eb e a r i n gf a i l t m s p l a y sa l li m p o r t a n tr o l ei nt h ed e c a y i n go f t h eb e a r i n gl i f ea n d t h er o t a t i o np r e c i s i o n 髓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 f f e c t i v e l yi m p r o v e di ft h e b e a t i n gr a c e w a yi sc 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 l n o to n l yr e d u c et h er o l l e re d g es t l 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 t a l s of a v o u rt h e a q u i dl u b r i c a t i o n ，a l s oi m 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 d b y n 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 dp r o c 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 fb e a r i n g c 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 l lc r o w n a tp r e s e n t i n m o s td 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 f c 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 f t e nr 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 ， p r o v i d e sw i t hi m p o r t a n tt h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c ea n da 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 e a n dc o n v e n i e n tt e c h n i q u ei 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 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 r li st om i l lt h e t h e o r e t i c a l l yr e q u i r e dc r o w nc u r y 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 h a x i s e so fw o r k - p i e c ea n dg 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 y i nd i r e c t i o no fd a t u ml i n eb ys 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 s 5 - 1 0 埘( s o m e t i m e sl e s st h a n3 , u m ) ，w h i c hi sh a r d l yc o n t r o l l e di nc r o w ng r i n d i n g i n a d d i t i o n ，o b l i g a t i n gs u p e r f i o a s hp r o c e s sr e d u n d a n c yw i l lm 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 n m o r ed i 伍c u l t b yr e f e r e n c e o ft h es u c c e s s f u l a 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 ga n d d e f i n i t u d eo fr e s e a r c ha i mt h a te n s u r i n gb e a r i n gr a c e w a yc r o w na n ds u r f a c eq u a l i t y , t h e o r y a n dt e c h n i q u ei ne l e c t r o c h e m i c a la b r a s i v eb e l tg r i n d i n g ( e c a b g ) b e a r i n gr a c e w a yt r i m m i n g i sp u tf o r w a r da l li 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 sp a p e r , t h a th a de s t a b l i s h e dab a s eo f f 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 gb e a r i n gr a c e w a yc r o w n ，h e r e i st h em a j o rw o r k ：1 ) c 6 2 0e n g i n el a t h eh a sb e e nc h a n g e da n da na p p r o p r i a t ee x p e r i m e n t i i i 马玲：滚子轴承滚道凸发电化学砂带磨9 0 加工技术研究 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 f e l e c t r o l y t e ，t o o l c a t h o d ea n dt h er o t a t i v es e t so fa b r a s i v e b e l t ；2 ) t h e f i n i t ee l e m e n t m e t h o d ( f e m ) w a sa p p l i e d 幻s o l v et h ei n v e r s eb o u n d a r yp r o b l e mo ft o o lc a t h o d ei nt h e e l e c t r i cf i e l db ym a t l a bp r o g r a m m i n g ，w h i c hc a l lp r o v i d eo n em e t h o df o rc o m p u t e ra i d e d c a t h o d ed e s i g ni ne c m ；3 ) t h ei n f l u e n c eo ft e c h n o l o g i cp a r a m e t e r s ，s u c ha se l e c t r i cc u r r e n t d e n s i t y , p r o c e s s e dt i m e ，g r 毯u u l a r i t yo fa b r a s i v eb e l t , g a pb e t w e e nc a t h o d ea n da n o d e , w o r k p i e c e r o t a t es p e e d ，h a sb e e nr e s e a r c h e dp r i m a r i l yb yo r t h o g o n a le x p e r i m e n t ，w h i c h p r o v i d et h ef o u n d a t i o nf o ro p t i m i z a t i o no ft e e l m o l o g i cp a r a m e t e r s b e s i d e s ，t h ef e a s i b i l i t yo f t h eb e a r i n gr a c e w a yc r o w ne c a b gi sv a l i d a t e dt h r o u g he x p e r i m e n t s ；4 ) c o r r o s i v ea n d a n t i s e p t i ce x p e r i m e n t su s i n gg c r l 5b e a r i n gr i n gh a sb e e nc a r r i e do u tt od e t e r m i n et h e e c o n o m i c a la n ds u i t e dc o r r o s i o ni n h i b i t o ro f e l e c t r o l y t e 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 la b r a s i v eb e r g r i n d i n g ( e c a b g ) m e t h o di sf e a s i b l e ，i tc a nn o to n l ym e e tt h er e q u i r e m e n to ft r i m m i n g c 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 姆o f b e a r i n g r a c e w a y a tt h es a m et i m e ，t h i s s 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 eaf a v o r a b l ea p p l i c a t i o n p r o s p e c to f i 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 c m ；f e m 一 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均己在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：左芝i日期：皂竺 ：f 三：矽 大连理工大学硕士研究生学位论文 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。 作者签名 导师签名 年月日 犬连理工丈学硕士研究生学彼论文 续论 。 滚子轴承滚遵凸度魏王技术研究韵意义 滚动轴承广泛应用于工业、农业、交通谗输、国防、航空航天、家用电器、办公机 械霸蹇科技等壤壤，鸯藿诗裁生意惠裾关。务类圭橇豹工据精度、，黢戆、寿愈、爵纛牲 和各项经济指标，都岛轴承有着密切的关系；尤其悬随着现代科学技术的发展，各擞油 泵、轿车等圭橇怼辘承箍窭了缀多特殊嚣要求。毒囊承在国民缀济发黢帮国跨建设中菠起 着越来越突出的作用，因此可以毫不夸张地说，轴承制造水平在一寇成度上代表着阐家 整个麓选豹发震承平。 从总体水平上看，我国轴承的承栽能力、使用寿命、噪音水平等技术指标与国外的 产品蠢搜大鲍差罡巨i l - 4 1 。要提嶷我星装备剑遗豹整体水平，必须狠抓鞍承等基础件黝质 量。 辙承滚道袭面质黧差和滚遒素线形状不会理是影螅轴承袋量的璧要原因： 酋先。目前轴承滚道的精加工多采用磨厢超精加工，砂轮、油石易于堵潦，常造成 趣工过程不稳定，进聪使加王表面质璺恶化。磨具与工件相对速度齑，如速了上述问题 的产誊。在中大型滚动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 工余鳖大，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 j 。 裘1 。1 球辘承滚遵表面翟糙度对轴承寿素的影畹 t a b ，1 1i n f l u e n c eo f s u r f a c e f o u g h n e s $ o n b a l l b e a r i n gr a c e w a y 表1 2 圆柱滚子轴承套圈滚邋、滚子工作表面的粗糙度辩轴承寿命的影响 t a b i 2i n f l u e n c eo f s u r f a c er o u 鐾h n e s so nf e r r u l er a c e w a ya n dr o l l e rs u r f a c ei nc y l i n d e r - r o l l e rb e a r i n g l 裹蕊粗糙发黜，辫 套圈 o 4o 2o 10 1 0 0 5i 滚子0 2o 10 10 0 5 0 0 2 5i l 辘承乎均垮命为计锋寿念的疆分数( )i 0 0 2 8 8 3 4 05 6 6 i 轴承滚遒是轴承的工作表面，它的质量好坏将盥接影响轴承的工作性能和使用寿 命。球轴承滚道表面糕糙度对轴承寿命的影喻觅表1 1 ，匮耱滚予轴承套霞滚道、滚子 工作表面的粗糙度对轴承寿命的影响见表1 2 。表中数据表明，随着粗糙度假的降低， 马玲：滚子轴承滚道龋度电化学砂带磨女加工技术研究 辘承毒愈壤煮较大戆挺蹇，实骏认为滚逡表嚣糕糙疫黝蓬在0 。鼹o 。0 4 叠珑较麓会遥， 撙低的袭面粗糙度值对提高轴承寿命的效果不大【1 0 1 。 贯钤，普通豹壹素线滚子辘承麴滚予与滚遵瘸熬旱凝接魅疲劳点镪磐零发生在滚子 或滚道嚣近滚予端部的区域，这是因为随素线滚予轴承在受载厨滚子两端不可避免地存 在边界癍力纂枣，露所谩瓣“边缘效应”。职究表臻，轴承戆寿念与应力数7 次方成反比。 而且，由于这种应力所婵致的疲劳破坏、剥落会向中间发展，以至于最后导致艇个轴承 豹失效，可见，“边缘效应”是造成轴承寿翕积旋转精度下降的重要原嚣l l 。”j 。 国内外一照研究表明，将辅承工作袭面两端的素线设计咸菜种合邋的曲线形状，都 在轴承滚道或滚子上加工出凸甓，会对轴承的使用性能产生明照的影响 1 8 - 2 0 】。豳1 1 绘 出了对外圈滚邀和滚子进行凸度修整聪的匮柱滚子轴承和其它几种类篷西柱滚子轴承 接触应力的分布简图。 通道眈较可以看凄，进行函度修整艏的霹穗滚子辅承的接触应力分布虽然仍有集中 现象，但是杜绝了滚子i 趣缘应力集中的问题，使承载面的应力接近于平均分布，从而有 效建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威力分布，既可谯 较大程发上该多竣滔除滚子静边缘应办集中，裔秘予滚俸滤涛，又霉改善塞予安装蠢魏 工误差簿原因而产生的不同心度及主轴旋转产嫩的挠曲而导致的滚子偏载现象，很多实 验氇邑诞实，暴羯带凸浚努瑟滚莲，胃侵辘承潦会提褰2 3 绥。 mh 皿皿 滚道凸度型滚道平直激滚子全凸型修正线凸度趔 蹦1 1 典型强拄滚子轴承接触应力鲍分布篱燃 f 逗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 f c y l i n d r i c a lm i l e rb e a r i n g c o n t a c ts t r e s s 大连理工犬学硕士磷究生学饿论文 基髓，国鲣发达鼠家对嚣壤、嚣锻滚子辘承滚道产品设计郝要求繁凸度，国杰缀多 出口产晶也都骤求加工出滚道凸度 2 1 2 6 1 。因此，深入研究简便、易行的轴承滚道凸度加 工技术具有重要魏理论意义和应用价像。 1 2 轴承滚道凸度加工现状及典型工艺 6 0 年徒裙期帮串麓，藿际上藏育文献觚纛论上攒斑：滚予轴承在羧蘅获态下，在滚 子和内外滚道綮线的两侧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 由嚣侧蠢孛阉发展。等致轴承豹失效。缀多试验遣邑疆鞠，滚遂带凸瘦静辘承跑在嗣群 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 缝藐耍裳较高豹主辍上豹囊l l 爨，舔要求带凸度戆。 轴承套圈崴线滚邀或滚予的滚动波面纵向几何形状应呈凸形，以避免边缘应力集 孛。凸澎痤包撩螽度壤瓣大小襄凡 霉形状( 又称墨形) 嚣方瑟豹内容。塾度缓鼗是摆 将凸度曲线两端点a 、b 相连，曲线最高点c 与a b 之间的躐离，如图1 2 所示。 a 蹦1 ，2 滚予轴承卦黼的凸度添意匿 f i g ，1 2c r o w ns c h e m a t i cd i a g r a mo f r o l l e rb e a r i n go u t e rr i n g 凸度值的大小与载荷肖关。理想的凸形应当悬一条变曲率曲线( 如对数曲线) ，即曲线 澎状嚣溃较夔，孛阕毙鞍乎缓( 爻 薹0 1 ) 。凸发设计爨烈是：在轻载赞孵，缳涯滚予露 大予5 0 的滚予有效长度处于接触状态，而谯重载荷时，滚予边缘不应有应力集中。 鉴手凸度轴承熬赵好应用髓景，暌尔滨辘承集霾、毅乡执床厂、嚣房店牮美轴承肖 限公司、洛阳轴承研究所、广西轴承厂以及德国、日本等国内外众多厂家投入很大力照 开展稷关技术磺究工传b ”。 马羚：滚予轴承壤道熟度电化学砂带密9 8 加工技术研究 。2 ， 滔肉熬磺竞褒默及典型工艺 ( 1 ) 砂轮轴线倾斜璇工件轴线倾斜【3 2 - 3 7 1 絮鍪l 。3 瑟示，在遮秘工絮方法孛，将工 警辘线缓勰一定焦凄，凌妙轮臻笈磨削王 件，理论上即可加工出双曲线趔凸度索线。类似，将砂轮轴线倾斜一定角度，也可获得 怒样效暴。 计鲜公式如下： 詹。锨一t 型壁垒= 盆( 1 1 ) 占 其中，一滚道镁斜角度，羁一滚道直径，艿一滚道凸度值，丑一滚道宽度 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圃定。砂轮 消耗，嶷径变偬与上式笼关，漱北可以看出，这转工艺方法可行性较麓，生产工人易予 掌握。只要在开始加工前，将工件轴角度一次饿调整好，即可加工出所需要的酗度形状。 但是该方法也存在一定豹局限性，具体表现如下： 加工时调整圃难： 由于现有机床糟度的限制，磨削结果不稳定，凸度值大小和曲线形状变化范豳 大： 改变凸度大小釉素线形状时，加工较豳难。 图1 3 工件轴线倾斜法磨削凸度素线 f 毽1 。3c r o w n d a t u m l i n e o f w o r k p i e c e b y i n c l i n i n g m e t h o d g r i n d i n g ( 2 ) 将砂轮修整成所要求的滚道凸度型面 3 2 - 3 7 】 奁送释工裴方法串，要怒将砂轮修整菇所装求静滚道叠度整嚣，靛妥调整砂轮掺熬 器与砂轮轴线的倾斜角，如图1 4 所示。 大连理工大学硕士研究生学位论文 、爱 g 、 图1 4 砂轮修整方法 f i g 1 4g r i n d i n g w h e e l t r i m m i n g m e t h o d f o r c r o w n p r o c e s s i n g ( 1 2 ) 其中，p 一砂轮倾斜角度，d 。一砂轮外径，占一砂轮凸度修整值，毋一砂轮宽度 从式( 1 2 ) 中可以看出，砂轮直径鼠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： 砂轮修整器本身要求的精度很高，制造困难大； 砂轮修整器的准确安装和调整困难； 改变轴承型号或者改变滚道凸形的形状和大小时，都需更换不同的砂轮修整器， 并重新进行调整； 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： 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： 靠模的准确安装与调整困难； 改变工件形状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 马玲：滚予轴承滚邀凸度电化学砂带詹削女口工技术研究 行嚣鼹麴调整；靠摸的磨损导毁熟工矮量不稳定。 ( 3 ) 用超精加工的手段来加工凸度【3 2 蜘 农超精研枫上，通过改交浊石的截面尺寸( 具傣掰将浊石截面作成两边宽、中闻譬 的马鞍形，或者在油丽中间钻孔) ，程超精加工过程中能使轴承滚道带上凸魔。该方法 存在的主要阉题是： 在加工过程中，无法按照理想的凸度赫线形、状来控制： 凸度的太小也无法控制到理论上所要求的最能值，特别是所臻求的凸度值较大 时加工筻困难； 相对于磨削来说，超耪加工所用油石纳切削性是很差的。因为超精加工豹本来 任务莰仅是用采降低工件的表褥褪糙魔，改善表面震爨。要丽它去承糖改变工件表面几 何形状的任务，使轴承带上凸胰，以弥补磨削加工的缺陷，这本来就魁不合瑗的，不仅 船工震曩无法缣证， 爵置效率低下。 ( 4 ) 采用电化学的方法来加工凸度 我 l 将宅偬学热鼍王艺纛耀鬟辘承滚遂凸发懿蒸王上，在分撰论诞了荬翻工瓣霉纾 性之后，对凸胰加工的基本原理以及加工过程中电力线分布规律进行了研究，也进行了 辘承滚遂毫纯学凸度鸯瑟工基萋窭熬实验磷究。嚣藏，该方法存亵豹闫怒圭要是热工爱熬滚 道表面粗糙度达不到超精加工的要求。另外，凸度形状精度还需要进一步的提高。 ，2 2 凿外静矫究瑗谈及英鏊工艺 ( 1 ) 弹性变形靠模( 德国) 【3 8 l 该加工方法的原臻妻鼙圈l ，5 所示，嚣侧静调整嫘舒决定靠模的方位，使其写滚遭母 线锥角度相吻合，中间的拉紧螺钉决定变形量的大小，从而实现所要求的轴承滚道凸度。 该方法的俊点是，霓换工释鳖号及改变凸度大小辩不宓燹换靠穰；在鸯蠢袄态下， 靠模的工作面为直线，通过研磨可达到较高的精度以满足要求。 存在静簿憨：麸琢理上势辑： 靠模长时间变形会失去弹性留下永久变形而达不到调旌要求： 无法满足枣蠡度戆麓工，嚣控紧螺钌熬控力太小嚣弓| 起不稳定； 靠模的磨损会引起调整后的状态改变。 麸麓遥寒调整角黢来看： 拉紧螺钉的调带精度臻求高( 必须实现微米级尺寸的调整) ，制造和调整困难； 靠摸楗辩内部缀织豹均匀蛙纛热处理嫒度豹均匀牲要浆塞，惩户无法联接靠摸 设备； 火连理工火学硕士研究生学位论文 移轮修整绠曩定子专门麴、憝灵活活磁豹精密导鞔或弹性元俅上，致使结构复 杂，增加误差。 3 4 l 一修整嚣割扳刃繇；2 - - 释性交形靠搂；3 一瀵整螺钌；4 一控鬃螺钉 嘲1 5 弹性变形靠模法加工原理 f i g 1 ，5p r i n c i p l eo f e l a s t i cd e f o r m a t i o no n 4 h e - m o l dp r o c e s s i n g ( 2 ) 凸度袅网h 滚轮( 日本) 脚j 将轴承滚道所要求的凸度綮线形状，精确遣加工黧| 金霞滚轮建索线上，群用它来把 砂轮索线修成凹形，从而进彳予滚道凸度磨削。该工艺地有点照机床调整简单，金刚滚轮 地凸庹索线保特霄闯褶对较长。存在蟪主要阏蘧是： 金剐滚轮的精确成形豳难大； 更换工释鍪号或者改变凸度大夺嚣雩，需要更多懿金雕强度滚稔 金刚滚轮磨损后，修复困难，而且费用较高，一般用户不具有自己修复的能力； 程辊床静级向秘横向交叉滚子导鞔靛薹磷上，滚轮豹嗣逡耩度误嫠窝滚轮靛磨损带 来了谡差，以及滚轮旋转轴线的精度蹴位误熬，相对于微米级的精度要求来说，这三者 帮是不莓怒褪翡，显焱蒙瑾上必然存森嚣。这兰者舔怒在缴蠢器横窝譬魏运袭精度熬基 础上另外增加的误差因素。 豢送，骞入磅究袋震取登檬数蕊於差系绞将砂轮镕整或形豹毒褥蛙。簌联论上攫攀 易想到这种数控系统能够通过特殊的数学方稷和相应的程序，把砂轮修整成理想的索线 形状，劳盈，疑暴毽上谤，这是一条捷径。缎是，一麓工韭技术农平缀毫熬嚣家都没肖 走这条道路，这并不是说他们没有想到，丽是因为避种方寨去具体实践时，在技术上 马玲：滚予轴承滚道鼹度电化学砂带蘑自g 加工技术研究 存在若缀多难淡莞鼹戆爨难与翊题。鬟覆数控壤联豹办法寒获褥理想熬凸发熬线，并不 是一件轻而易举的事情。 总乏，扶技术上漤，嚣蔻毖较会理懿擞法是在磨痣主塞出瑗论上掰簧求的热发夔线， 而在超精加工时，在熬个滚道精线长度上，油石的截两宽度尺寸应该怒相同的。这样， 在超糖艇工中，在整个滚道素线长度上，表瑟矮量的提高才是嗣步的。随着油嚣在使照 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龉线相吻 合。即狂超精加工过程中，只越到提窝正件表蕊质量的作用，两不会破坏工件表面凸殿 曲线的形状。同时，因为在超精加工过程中不褥需要加工凸度，效率会大大掇离，凸庹 的大小、形状以及加工质量才会得到保证。但肉于成晶滚道凸度值通常在5 1 0 r m ( 肖 时小于3 m ) ，这在凸度蘑削中很难控制。另外，因簧求预留超精加工的加工余量，鬣 增加了准确控制凸度的难度。 1 3 本课题的学术思想与特点 + 3 i 邀亿学畿轮修形缱术与稿示 自7 0 年代以来，大连理忑大学一怠致力予电化学齿轮修形方面的研究，在国内处 于领先地位f 弼。通过长期的理论研究，初步的实验结菜表明：宅化学後轮修形可较大圭瞧 降低齿轮噪音( 噪音降低达数分贝) ，同时成倍地提高了齿轮潦命。 齿轮电纯学修形的基本思憨是在电解液中戳齿轮戈阳稷，鞋另一众属侔为阴稷，囊 通以电流后，由于齿轮轮齿形状的特点，在齿黼和齿顶位置的电力线较为集中，而靠i 琏 齿狠部位的电力线剜逐渐稀巯，因诧，齿项部彼翦修形量要大予齿禳部位豹傍澎量，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， 敲齿赣鹃齿霞夜龟纯孥鸯嚣工辩囊藩魏去狳量要多于中灏齿嚣，在一定纛度主氇满足了瓷 向修形要求。 毫纯学齿轮修形撬零翳袋麓瘟耀，给我稻豢来禳多启示，并籍鼗稳遗了鞍承滚逶耄 化学砂带磨削加工凸度修整的基本思想。 3 2 本谍嚣的学术悉您 根据电化学一机械复合加工金属的原理，本课题采用电化学砂带磨削加王方法，程 轴承套豳与电檄体之闽道懿低压直流电，轴承套圈接电源正极，工具阴极接龟源负极， 轴承套圈为阳极，工具电极为阴极，工具电极与轴承爨圈之闯保持一定的间隙，并通以 一定压力和流爨的电解液，轴承套蚕农电纯学豹作霜下发生阳极溶解，在英袭瑟生成 层极薄的氧化膜，它具有一定的硬度，但比基体金属软。由于这层氧化膜电阻较大，会 大连理工大学硕士研究生学位论文 阻碍阳极继续发生阳极溶解反应，当砂带磨除表层的氧化膜后，轴承套圈( 阳极) 表面 得到重新活化，露出新鲜的基体，再重新被电解，又被磨除，如此往复，使滚道表面按 凸度加工要求蚀除，直至达到预期的加工要求，同时，可以清除机加工形成的微小毛刺。 为了能够精确地加工出预期的凸度形状，需要对阴极的轮廓形状进行合理的设计， 本文试图采用有限元法，利用m a t l a b 语言编程，在阴阳极之间建立电场模型，通过 反求拉普拉斯方程，得到工具阴极形状，为电化学加工阴极设计提供一种计算机辅助设 计方法。 1 3 3 本课题的特点 采用电化学砂带磨削加工方法加工滚子轴承滚道凸度的优势在于： 可在精加工后进行，比磨削凸度后进行超精加工更容易控制； 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； 与单纯的机械凸度加工方法相比，电化学砂带磨削工艺加工表面基本没有切削 痕迹、加工变形以及残余应力，不会改变滚道材料原有的机械性质； 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。 和其它磨具相比，砂带有其独特的优点“柔软性”，不会破坏已获得的凸形，并 有利于工件表面质量的保持； 可在加工凸度的同时，清除滚道边缘微小毛刺。 1 4 本论文工作的主要内容 基于以上对轴承滚道凸度国内外研究现状的分析，本文选择“滚子轴承滚道凸度电 化学砂带磨削加工技术”作为研究课题。由此确定本文的研究目标是：利用电化学砂带 磨削加工方法在轴承滚道上加工出合理的凸度，在保证凸度形状的同时，还要保证加工 的表面质量。为了达到研究的目的，本文在前人有关滚子轴承滚道凸度电化学加工的基 础上进一步研究电化学和电化学砂带磨削工艺的差异；建立加工过程中阴阳极之间电场 的数学模型，试图采用m a t l a b 语言编程，运用有限元法反求出工具阴极形状；用科 学的实验方法分析加工过程中不同的工艺参数对滚道表面粗糙度的影响程度；通过调整 和优化加工工艺参数加工出符合形状精度和表面粗糙度要求的滚道凸度。 着眼于以上研究目标，我们将根据电化学砂带磨削加工自身的特点，着重研究以下 理论问题和技术问题： ( 1 ) 根据国内外滚子轴承滚道凸度加工技术的研究现状，本文将探讨有关电化学砂 带磨削加工技术的基本原理、特点以及工艺参数对加工结果的影响。 马玲：滚子轴承滚道凸度电化学砂带磨削加工技术研究 ( 2 ) 以轴承滚道凸度轮廓形状为圆弧为例，试图用m a t l a b 语言编程，采用有限 元法反求出相应的工具阴极轮廓形状，为电化学加工的阴极设计提供一种计算机辅助设 计方法。 ( 3 ) 根据研究目标和任务的需要，建立滚子轴承滚道凸度电化学砂带磨削加工的模 拟实验装置，选择并确定该装置的控制手段及实验测量方法。 ( 4 ) 由于在轴承滚道凸度电化学砂带磨削工艺加工过程中，不可避免地会存在电解 液对加工设备及工件的腐蚀问题，为解决此问题，准备以g o r l 5 轴承环为对象，进行适 量的电解液腐蚀与防护实验。通过对实验结果的对比和分析，确定出既经济又适用的电 解液防腐剂和添加剂。 ( 5 ) 在以上的基础上，通过大量的实验研究，积累实验数据，完成对加工条件和工 艺参数的优化工作，为以后数据库的建立、稳定工艺规范的形成提供必要的依据。 本文将针对以上五个方面的内容，运用理论和实践的方法，对滚子轴承滚道凸度电 化学砂带磨削加工技术进行初步的研究。 大连理工大学硬士研究生学位论文 2 滚子轴承滚道型嚣彩状的确定 2 ， 孳l 言 为了提高臌柱滚予轴承的性能和寿命，必须解决轴承滚子和滚邋接触边缘应力集 中、滚学歪麓秘瓣承轻羧努潺簿闰遂。零文戬内霾双掇逮、井疆滚遵黪凸疫熬藏礁滚予 轴承( 以下简称外圈滚道带凸度的圆械滚子轴承) 为例，研究解决上述问题的方法。本 章将罄蓬疆究毒囊承滚邋瓣素线惑凄形炊，疆缝骥骥滚遴垫度修整量戆分毒鬏掺。另签， 将确定滚道素线凸度的测量方法。 2 2 滚道塑两凸度的确定 2 。2 ，1 轴承结桷形式的确定 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 戆基磁上，按照褰速、轻载熬搜遥工激进行改遴设诗，其缝枚必：内潮双档边，岁 圈滚 道带凸度，内嘲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幽 豳2 1 滚遂带凸皮的圆柱滚子轴承 f i g 2 1c y l i n d r i c a lr o l l e rb e a r i n gw i t hc r o w n o p - o u t e rr a c e w a y 圈2 2 因偏载造成滚子篷籀 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 度母线，既可旋较大稷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 因而产生的不闽心以及由主辅旋转产舷的挠黼度而导致的滚予俯载现象。 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，有剿予减少滚子打滑，也耐避免偏载造成滚子歪瓣( 图2 2 ) 。 2 ，2 2 滚遵型嚣及凸震懂的确定 ( 1 ) 理论基础 碧艇予分= l 野，可将轴承钤疆滚遂、内圈滚道、滚孑均视为弹蛙半突闯体【4 0 】。为消除 马玲：滚予轴承滚道热度毫化学砂带磨削加工技术研究 接熬压力匏毒舅性，缓缮到蚕2 。3 聚示戆接皴爨力参农，鄄辘囊势恒定嚣力分蠢，攘囊 为椭圆形分布。相应地，在半空间体表面产生个下凹量，如图2 4 所示。 麓2 3 受宠分毒捧耀瓣半交鬻 f i g 2 3s i m i s p a c el o a d e db yd i s t r i b u t e df o r c e 1 2 x l 、彩矿 z 图2 4 半空间体寝面变形 f i g 2 。4 a r e a l d e f o r m a t i o n o f s e m l i n f m i t e b o d y x 踅2 。5 修正型事空闰表露 f i g 2 5s u r f a c eo f m o d i f i e ds e m i s p a c e 大连理工大学硕士研究生学位论文 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v 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 ) = 圪。( y = o ，工= d ) 一v ( y = o ，曲0 x 工2 ( 2 1 ) ( 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r ，长度为三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曲线为 式中：b 为接触区域半宽，k o 为材料常数， = 警+ 警 ( 2 3 ) 式中：巨、e 2 、h 、鸬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 采用下列凸型： 圆弧凸型。母线为以r 为半径的圆弧( 如图2 6 所示) ，母线方程为 z ( z ) = r 一( 凡一工2 ) ( 2 ，4 ) 圆弧修正线型。母线由一长度为2 c 的直线段两端与以半径r 的圆弧分别相交而 成( 如图2 7 所示) ，母线方程为 i z ( x ) = 0 lz ( x ) = ( 碍一c 2 ) “2 一( 碍一x 2 ) “2 o - i x 。l - c ( 2 5 ) c h s l 2 凶 蜘