高精度轴承关键部件精密超精密加工技术

高精度轴承精密超精密加工技术的现状与发展

Precisionandultra-precisionmachiningtechnology2018.092021/5/91目录引言一高精度轴承各部件加工工序概述二高精度轴承的精密超精密加工技术高精度轴承精密超精密加工技术的发展趋势三四CONTENTS精密·制造2021/5/92一、引言精密·制造

轴承作为机械工业中一种精密且难加工的机械基础件，广泛应用于工业、农业、交通运输、国防、航空航天等各个领域。高精度轴承是重大设备及精密装备的核心部件，很多机械设备的故障都源于此处，据有关研究分析表明，大约有30%的机械故障是由旋转部件中的轴承失效所导致。表1为失效轴承的数据统计，据检测的结果显示大约80%的轴承由于接触疲劳而失效。而套圈的沟道是滚动轴承使用时承受负荷的工作表面,轴承套圈加工质量的好坏直接影响到轴承使用时的工作性能和寿命。轴承失效形式百分比（%）内圈失效13外圈失效58滚子失效3显微疲劳4氧化5其它17表1-1失效轴承数据统计2021/5/93一、引言精密·制造影响轴承疲劳寿命的因素：轴承材料本身；轴承表面质量等。所以轴承表面加工质量对于轴承成品的影响很大。因而，对其进行精密超精密加工从而改善其表面加工质量进而提高轴承的工作性能和使用寿命具有重要意义。点蚀裂纹2021/5/94目录引言一高精度轴承各部件加工工序概述二高精度轴承的精密超精密加工技术高精度轴承精密超精密加工技术的发展趋势三四CONTENTS精密·制造2021/5/951常用滚动轴承的类型主要型号深沟球轴承圆锥滚子轴承推力调心滚子轴承调心滚子轴承Nu/Nj推力球轴承角接触球轴承调心球轴承1223圆柱滚子轴承567精密·制造二、高精度轴承各部件加工工序概述2021/5/962轴承的结构（深沟球轴承）精密·制造二、高精度轴承各部件加工工序概述2021/5/97洛阳汇普轴承加工流程图精密·制造二、高精度轴承各部件加工工序概述3轴承加工工艺流程2021/5/98保持架原材料——剪料——裁环——光整——成形——整形——冲铆钉孔

用以隔离滚动体，通常还引导滚动体并将其保持在轴承内。精密·制造二、高精度轴承各部件加工工序概述2021/5/99滚动体原材料—冷镦—光磨—热处理—表面强化处理—硬磨—初研—精研1—精研2滚动体是滚动轴承中的核心元件，由于它的存在，相对运动表面间才有滚动摩擦。精密·制造二、高精度轴承各部件加工工序概述2021/5/910套圈原材料—锻造—退火—车削—淬火—回火—磨削（油石超精）—装配通常内圈装在轴颈上，配合较紧，并与轴一起旋转；外圈装在机架或者零件的轴承孔内，一般固定不动，起支撑作用。精密·制造二、高精度轴承各部件加工工序概述2021/5/911目录引言一高精度轴承各部件加工工序概述二高精度轴承的精密超精密加工技术高精度轴承精密超精密加工技术的发展趋势三四CONTENTS精密·制造2021/5/912超声振动辅助磨削加工技术镜面超精加工技术超精密车削加工技术轴承精密超精密加工技术普通磨削加工技术三、高精度轴承的精密超精密加工技术钢球精研加工技术精密·制造油石超精研加工技术ELID磨削加工技术2021/5/913磨削是指用磨料，磨具切除工件上多余材料的加工方法。磨削加工是应用较为广泛的切削加工方法之一。1磨削加工技术加工工艺：根据工艺目的和要求不同，磨削加工工艺方法有多种形式，为了适应发展需要，磨削技术朝着精密，低粗糙度，高效，高速和自动磨削方向发展。磨削加工方法的形式很多，生产中主要是指用砂轮进行磨削，为了便于使用和管理，通常根据磨床产品的磨削加工形式及其加工对象，将磨削加工方法划为四种方式：按磨削精度分粗磨,半精磨,精磨,镜面磨削,超精加工.按进给形式分切入磨削,纵向磨削,缓进给磨削,无进给磨削,定压研磨,定量研磨.按磨削形式分砂带磨削,无心磨削,端面磨削,周边磨削,宽砂轮磨削,成形磨削,仿形磨削,振荡磨削,高速磨削,强力磨削,恒压力磨削,手动磨削,干磨削,湿磨削,研磨,珩磨等.按加工表面分外圆磨削,内圆磨削,平面磨削和刃磨齿轮磨削和螺纹磨削.三、高精度轴承的精密超精密加工技术精密·制造2021/5/914三、高精度轴承的精密超精密加工技术可达到的表面粗糙度精密磨削：Ra25-1000nm超精密磨削：Ra8-25nm1.内圆端面磨削磨床2.内圆磨削砂轮3.内圈外滚道磨削砂轮4.外圆磨削磨床精密·制造2021/5/915卧式超精车床主要技术参数：表面光洁度：Ra0.1-0.4um几何精度：0.2-2um尺寸精度：＜2um适用于轴承端面和外圈的精密加工。三、高精度轴承的精密超精密加工技术2超精密车削加工技术精密·制造2021/5/9163镜面超精加工技术三、高精度轴承的精密超精密加工技术精密·制造

来自乌克兰的镜面超精加工技术的原理是利用轴承钢具有冷塑性的特点，通过计算机仿形制图和自动轨迹控制等技术，利用高硬度、高刚性的触头对轴承滚道表面进行仿形研磨、强化和微小的形变加工。避免传统油石超精加工中影响轴承滚道轮廓度的缺点；不需要使用研磨剂；可以在滚道表面产生压应力，从而提高轴承滚道表面的耐磨性和疲劳强度；镜面超精加工可一次走刀将工件的表面粗糙度从Ra6.3um降低到Ra0.1um以下；加工后轴承滚道表面显微硬度可以提高20%以上。娄丽君等用镜面超精加工技术对轴承内圈滚道进行加工，得到表面粗糙度Ra0.13um，轮廓度0.0028um的加工样件。加工形状精度高，对复杂曲面加工更具优势2021/5/9174油石超精研加工技术三、高精度轴承的精密超精密加工技术精密·制造

目前轴承超精密加工中广泛采用的是油石超精研加工，简称超精加工，一般是指用低压弹性地将细粒度磨料的油石压在工件加工表面上，工件做旋转运动，油石在垂直于工件旋转方向上按一定规律做快速往复摆动，并提供良好的润滑与冷却条件，降低加工表面粗糙度，提高几何精度。油石加工轨迹是正弦曲线，有利于消除油石的形状误差，加工精度高；机床结构复杂，调整费时，工人劳动强度大；油石易堵塞；油石超精研加工会影响轴承滚道的轮廓度，进而影响轴承的疲劳寿命。加工表面粗糙度：Ra0.04-0.1um甚至更低2021/5/9185钢球精研加工技术三、高精度轴承的精密超精密加工技术精密·制造

精研加工是在钢球研磨机上进行的，钢球置于两块铸铁研磨盘之间。这两个研磨盘，一个是转动研磨盘，一个是固定研磨盘，转动研磨盘上车有同心的沟槽，沟槽截面成V型。固定研磨盘没有沟槽，是平的。在钢球精研时，需要加入研磨剂，研磨剂一般由磨料和研磨液组成。钢球精研一般会有两道精研工序，这样划分是使钢球在精研一工序获得比较好的质量，以便在精研二工序加工时，各批钢球与研磨盘沟槽圆弧保持良好的吻合性能，从而获得满意的球形精度。2021/5/9196超声振动辅助磨削加工技术三、高精度轴承的精密超精密加工技术精密·制造

它的原理是将超声振动施加于普通磨削加工中的工件或砂轮上。轴向超声振动辅助磨削就是在轴向方向（即Z向）给磨粒施加规律的、可控的高频振动。磨粒运动的轨迹改变;实际切削路程比普通磨削路程要长;实际的切削宽度增加，增大金属去除率，提高生产效率;单颗磨粒的运动轨迹为正弦曲线，一个砂轮上拥有多颗磨粒，相邻的磨粒运动轨迹便会重叠，使被加工工件表面成网状结构，有利于提高工件的表面质量。磨削力比普通磨削要小，这样便可以提高加工的稳定性，减小磨削热的产生，减轻或避免工件表面烧伤的问题。加工表面粗糙度Ra可达80-100nm。图6轴向超声振动辅助磨削单颗磨粒运动轨迹示意图2021/5/9207ELID磨削加工技术三、高精度轴承的精密超精密加工技术精密·制造

在线电解修整（ELID）磨削技术是近几年来金属结合剂超硬磨料修整技术的一项新成就，具有加工精度高、效率高、表面质量好、砂轮廓型保持性好、装置简单以及适应加工材料范围广等特点，被广泛应用于各种金属和非金属材料的磨削加工中。目前ELID磨削技术已经成功地应用到轴承端面、内圆、外圆表面的超精密加工中，并且能够很好地解决内圆磨削中由于磨削条件差而导致的砂轮极易阻塞等问题。2021/5/9217ELID磨削加工技术三、高精度轴承的精密超精密加工技术精密·制造●ELID磨削加工的原理ELID磨削系统由脉冲电源、电解液、铸铁基砂轮、修整电极等组成。砂轮采用具有导电性的铸铁结合剂金刚石（CBN）砂轮，砂轮与ELID专用直流脉冲电解电源的正极相连，作为阳极；与砂轮形状相匹配的电极与电源负极相连，作为阴极。在电极和砂轮之间留0.1-0.3mm的间隙，往间隙中喷ELID专用电解磨削液，形成一个闭合回路。2021/5/9227ELID磨削加工技术三、高精度轴承的精密超精密加工技术精密·制造●ELID磨削加工的原理

在ELID磨削加工过程中：砂轮作为阳极发生溶解效应，表面的金属结合剂不断地溶解，露出内部锋利的磨粒，实现对砂轮的在线修锐。溶解的金属变成阳离子与磨削液中的阴离子结合在砂轮表面形成一层氧化膜，覆盖在砂轮加工表面，阻碍内部金属结合剂过度电解，氧化膜还可以对加工表面起到研磨的作用。随着磨削的进行，磨粒被磨掉，氧化膜便开始被磨削去除，原本被氧化膜包裹的铸铁基体继续被电解，砂轮就会重新被修锐。以上过程循环进行，砂轮就会保持锋利的磨削性能。加工表面粗糙度可达10nm。2021/5/923目录引言一高精度轴承各部件加工工序概述二高精度轴承的精密超精密加工技术高精度轴承精密超精密加工技术的发展趋势三四CONTENTS精密·制造2021/5/924

目前，轴承关键部件超精密加工技术已取得一定的成绩，不过仍在继续发展中，主要呈现出以下几个发展趋势：2134加工精度、加工效率不断提高在线检测、实现加工测量一体化复合加工、行成新的组合工艺智能化、自动化、实现定制加工四、高精度轴承精密超精密加工技术的发展趋势精密·制造2021/5/925

随着先进技术的发展，加工精度不断提高，目前有很多超精密加工技术可以加工出亚微米级甚至是纳米级的轴承关键部件，虽然可达到很高的表面质量但大多是以牺牲加工效率达到的，所以今后要探索能兼顾效率和精度的超精密加工技术。四、高精度轴承精密超精密加工技术的发展趋势1加工精度、加工效率不断提高图4-1加工精度发展精密·制造2021/5/926

目前轴承套圈超精密加工技术有很多，但都不够完善，特别是在线检测技术。考虑到实际生产时，有很多道工序，进行每一道工序之前都需要相应的检测，在这个离线检测的过程中会浪费很多时间，且还会影响装夹精度，进而影响加工精度。所以从生产的角度来讲，实现在线检测技术对于提高产品质量和加工效率都很重要。四、高精度轴承精密超精密加工技术的发展趋势2在线检测，实现加工测量一体化图4-3粗糙度/轮廓测量机图4-2加工测量一体化机床（数控复合磨床MFK2110）2021/5/927

随着科学技术的发展，多种加工技术可以相互复合，弥补各自的不足，形成复合加工技术，产生新的组合工艺。四、高精度轴承精密超精密加工技术的发展趋势3复合加工，形成新的组合工艺双电解磨削加工技术电化学机械光整加工技术精密·制造2021/5/928四、高精度轴承精密超精密加工技术的发展趋势3复合加工，形成新的组合工艺电化学机械光整加工技术精密·制造电化学机械光整加工结合了电解加工和磨削加工两种技术。可加工表面粗糙度40nm的外圆表面1-电解液喷头；2-工件；3-工具电极；4-磨头夹具；5-磨头图7电化学机械光整加工示意图2021/5/929四、高精度轴承精密超精密加工技术的发展趋势3复合加工，形成新的组合工艺双电解磨削加工技术精密·制造双电解磨削加工技术是在线电解修整（ELID）磨削技术及电化学磨削技术（ECG）的结合。可加出表面粗糙度