![]()
《轴承》2024年 第10期
引文格式：
卢聪爽，高作斌，王晓亮，等.圆锥滚子球基面的立式无磁磨削[J].轴承，2024（10）：9-17.
LU Congshuang，GAO Zuobin，WANG Xiaoliang，et al.Vertical Non-Magnetic Grinding of Spherical Reference Surface of Tapered Rollers[J].Beairng,2024（10）：9-17.
点击文后“阅读原文”下载全文
圆锥滚子球基面的立式无磁磨削
卢聪爽 ![]()
高作斌 ![]()
王晓亮王志民
（河南科技大学 机电工程学院，河南 洛阳 471003）
DOI：10.19533/j.issn1000-3762.2024.10.002
摘 要 圆锥滚子立式球基面无磁磨削具有效率高、导盘不偏载且方便多工位布局的优点，在滚子制造领域日益受到重视。针对该磨削方式，分析了球基面的磨削成形原理、砂轮轴线与滚子公转轴线错位的必要性、隔离盘转速波动及其影响等，结果表明：该磨削方式不存在原理性加工误差，其砂轮轴线与滚子公转轴线有必要错位，从而使砂轮工作面由球面变为圆环面，实现了滚子球基面的线接触磨削；隔离盘转速存在波动，将进料管设置在距离磨削区尽量远的位置并对隔离盘设置转动阻尼，有利于避免隔离盘转速波动产生的负面影响。关键词 滚动轴承；圆锥滚子；成形；磨削；砂轮；线接触圆锥滚子轴承是新能源汽车等主机的重要部件，随着主机的快速发展，对圆锥滚子轴承低摩擦性能的要求越来越高，由于圆锥滚子球基面对轴承摩擦性能有重要影响，其加工质量日益受到重视。圆锥滚子球基面主要有单粒磨削和通过式连续磨削2种磨削方式：单粒磨削时，滚子定轴转动，其定位精度和旋转精度较高，加工精度也较高［1］，然而磨削效率较低，适用于高精度滚子的小批量生产；通过式连续磨削时，滚子的运动为自转加公转，其定位精度和旋转精度不如单粒磨削， 然而磨削效率较高，适合滚子的大批量生产，是主流加工方式。按滚子驱动力和夹紧力的施加方式，通过式连续磨削又分为有磁磨削和无磁磨削2种方式，有磁磨削通过电磁力施加滚子的驱动力和夹紧力［2］，无磁磨削则直接通过双导盘夹持施加滚子的驱动力和夹紧力。无磁磨削是在有磁磨削之后开发的，首先出现了卧式结构［3］，双导盘轴线水平布置，两轴线共面但有一个小夹角，导盘之间仅不到一半的区域有滚子，使导盘受力偏载，对磨削不利，且难以多工位布局；近年又出现了立式结构，双导盘轴线铅垂布置，完全同轴，导盘之间基本可以布满滚子，受力均匀，且导盘周围空间方便利用，从而实现了粗磨加精磨或磨削加超精的双工位布局，因此越来越受重视。立式无磁磨削与卧式无磁磨削的工作原理并不完全相同，关于立式无磁磨削的研究很少。鉴于此，本文以圆锥滚子球基面立式无磁磨削为研究对象，深入分析其球基面的磨削成形原理、砂轮轴线与滚子公转轴线错位的必要性、隔离盘转速的波动及其影响等。需要说明的是，立式无磁磨削包括圆柱形砂轮端面磨削、杯型砂轮端面磨削和平形砂轮外圆磨削，其中圆柱形砂轮端面磨削和杯型砂轮端面磨削的球基面成形原理相同，本文仅研究圆柱形砂轮端面磨削方案。圆锥滚子球基面立式无磁磨削方式如图1所示。滚子通过入料管连续进入旋转的双导盘（下盘为支承盘，上盘为压紧盘）之间，在其驱动下一边自转，一边绕导盘轴线公转；当公转至磨削区后，滚子球基面受到砂轮端面的磨削；当公转至设置在磨削区后的出料管时，滚子被出料挡板拨出并进入出料管［4］。压紧盘将滚子压紧在支承盘上，并与支承盘做反向运动，且其转速小于支承盘，从而实现滚子的自转和公转［5］。压紧盘与支承盘轴线设置为铅垂同轴。![]()
图 1 圆锥滚子球基面立式无磁磨削方式示意图Fig.1 Diagram of vertical non-magnetic grinding method for spherical reference surface of tapered roller在压紧盘与支承盘之间设置有隔离盘，隔离盘在滚子公转运动带动下转动，起到隔离滚子并对滚子进行姿态约束和定位的作用。隔离盘与压紧盘和支承盘同轴。砂轮设置在支承盘圆周外侧位置，其轴线水平布置，利用砂轮端面对滚子球基面进行磨削。隔离盘圆周设置有一根金刚笔，每转一周可对砂轮端面修整一次。支承盘圆周外侧的非加工区域还设置有若干限位板对滚子轴向位置进行限制，入料管和砂轮之间的限位板（图1）要保证滚子进入砂轮磨削区时，其轴向位置与砂轮端面的位置一致，该位置按滚子球基面半径要求设置。滚子的定位和夹紧方式如图2所示。限位板限定了滚子的轴向移动；滚子锥面在其下素线位置与支承盘锥面接触，在其侧素线位置与隔离盘齿槽前侧（沿着隔离盘公转方向向前的一侧）接触，2条接触素线限制了除滚子自转外的其他4个自由度。支承盘与滚子接触面为锥面，两者半锥角之和等于90°，从而保证了滚子轴线处于水平面内。隔离盘齿槽前侧面（平面）方位要保证其与滚子锥面侧素线接触后，滚子轴线经过隔离盘转动中心。压紧盘与滚子接触面也为锥面，两者半锥角之和也等于90°，从而保证了其与滚子锥面素线充分接触并将滚子压紧在支承盘锥面上。![]()
图2 滚子的定位和夹紧方式示意图Fig.2 Diagram of roller positioning and clamping method在立式球基面磨削中，砂轮轴线水平，滚子公转轴线垂直，但两轴线错位并不相交，如图4所示，在过砂轮轴线和滚子自转轴线的水平面内用e表示砂轮轴线与滚子公转轴线的错位量。![]()
图4 砂轮轴线与滚子公转轴线错位示意图Fig.4 Diagram of misalignment between axis of grinding wheel and revolution axis of roller先分析砂轮轴线与滚子公转轴线不错位时的球基面磨削成形原理，再分析错位的必要性。砂轮轴线与滚子公转轴线不错位时的球基面磨削成形原理如图14所示，其与单粒磨削（图15）的球基面磨削成形原理［8］相同，两者砂轮工作面均为与滚子球基面半径相等且球形位置重合的球面，滚子球基面形成方法理论上均为成形法，砂轮端面和滚子端面的轴向截形是同一圆弧，该圆弧绕滚子轴线旋转形成滚子球基面，绕砂轮轴线旋转形成砂轮的球形端面。![]()
图14 不错位时的通过式连续磨削球基面成形原理图Fig.14 Forming principle diagram of continuous through-feed grinding of spherical reference surface without misalignment![]()
图15 单粒磨削球基面磨削成形原理图Fig.15 Principle diagram of single forming grinding of spherical reference surface如图15所示的单粒磨削，滚子和砂轮均为定轴转动，滚子轴线与砂轮轴线相交于滚子球基面的球心，砂轮端面是滚子球基面球形面的一部分。图15中圆弧![]()
绕砂轮轴线旋转所得球形曲面为砂轮端部的磨削工作面，绕滚子轴线旋转所得球形曲面为磨削所得滚子球基面。如图14所示的砂轮轴线与滚子公转轴线不错位时的通过式连续磨削方式，砂轮为定轴转动，滚子为自转加公转。然而，滚子公转过程中，滚子轴线始终经过砂轮端面球形工作面的球心，因此，在砂轮磨削区域内滚子公转的任意位置，滚子球基面磨削成形原理均与单粒磨削相同。如图14所示，当滚子公转到其球基面完全进入砂轮磨削区后，砂轮端面与滚子球基面的形状完全吻合，两者为面接触，会产生大量磨削热，且难以散热，因此其磨削条件差，容易产生磨削烧伤和表面粗糙度差的问题。与不错位相比，错位后砂轮工作面由球面变为圆环面，其与滚子球基面形状不完全吻合，接触关系也由面接触变为线接触，改善了磨削条件，有利于避免磨削烧伤并降低表面粗糙度。需要说明的是，单粒磨削时，虽然砂轮与滚子球基面也是形状完全吻合的面接触，但其磨削条件要好的多，因为其磨削区面积仅占滚子球基面总面积的一小部分，产生的磨削热也较少，而且会随着滚子的自转实现散热。如1.2节所述，隔离盘不仅对滚子起到分隔作用，还对滚子起到定位作用，滚子的良好定位状态是其侧素线与隔离盘前齿槽面接触良好。然而，滚子的自转和公转均由支承盘和压紧盘的转动驱动，而隔离盘的转动又由滚子公转驱动，如何保证滚子定位良好，需深入分析。隔离盘转动由滚子公转驱动，这意味着一定有滚子与隔离盘前齿槽面接触并推动其转动。另一方面，从入料管刚进入隔离盘齿槽的滚子初始公转速度为零，因此隔离盘会对其公转起推动作用，由此可以推断，刚进入隔离盘的滚子一定是与隔离盘后齿槽面接触的。滚子在隔离盘齿槽中且其轴向位置正确时，滚子侧面与齿槽之间有一定间隙，以便滚子自转。为保证滚子定位良好，位于磨削区的滚子必须与前齿槽面接触良好（线接触而不是滚子某一端的点接触），由此可见，任意一个滚子从进料位置到进入磨削区之前，其在隔离盘齿槽内存在一个沿隔离盘圆周方向的位置变动，这与隔离盘转速有关。本节将对相关问题进行分析。滚子在隔离盘中的姿态理论上分为滚子与隔离盘前齿槽面接触、滚子与隔离盘后齿槽面接触、滚子与隔离盘前后齿槽面均不接触、滚子两端分别与隔离盘前后齿槽面接触。滚子与隔离盘前齿槽面线接触是正确的滚子定位状态，能加工出正确的球基面形状，而其余3种姿态会导致滚子球基面产生形状误差。滚子与隔离盘前、后齿槽面的接触示意图如图16所示。![]()
图 16 滚子与隔离盘齿槽面接触示意图Fig.16 Contact diagram between roller and tooth groove surface of spacing disc假如滚子与支承盘和压紧盘之间不打滑，则滚子将保持恒定名义公转转速，相应地，隔离盘也将在滚子公转驱动下保持滚子名义公转转速旋转，然而，这显然不符合实际。如前文所述，从滚子进料位置到磨削区之间，滚子在隔离盘齿槽内存在一个沿隔离盘圆周方向的位置变动，这就要求隔离盘转速要略低于滚子名义公转转速，从而使刚进入隔离盘并与后齿槽面接触的滚子可以在公转到磨削区之前移动到与前齿槽面线接触的位置，实现良好定位。由此可见，隔离盘实际转速并不等于滚子名义公转转速，而是以滚子名义公转转速为上限，周期性向下略有波动的转速，如图17所示，这是由于滚子间歇性从进料口进入隔离盘，对隔离盘公转形成周期性的阻力。隔离盘公转转速波动周期是相邻2个滚子进入隔离盘的时间间隔。![]()
图 17 隔离盘转速波动示意图Fig.17 Diagram of rotational speed fluctuation of spacing disc理想状态下，每当有一个新滚子从入料管进入隔离盘时，其首先与隔离盘后齿槽面接触并受到推力作用，该推力的反作用力使隔离盘轻微减速，使隔离盘中未与前齿槽面接触的滚子（包括刚进入隔离盘与后齿槽面接触的滚子）会向前齿槽面方向轻微移动，这样，新进入隔离盘的滚子在进入磨削区之前通过多次轻微移动，可到达与前齿槽面完全接触的位置，从而实现磨削区滚子的良好定位。同时，在隔离盘轻微减速期间，隔离盘已与前齿槽面接触的滚子会相对支承盘和压紧盘产生轻微打滑，因此，新滚子进入导致隔离盘减速要在短时间内完成，并且在下个新滚子进入之前隔离盘转速要恢复到滚子名义公转转速（图17）。隔离盘没有独立驱动系统，其转速变化取决于所受到的滚子作用力，而受力情况又与实际工况有关，因此，不确定隔离盘实际转速能否达到理想状态。试验现场拍摄的隔离盘齿槽前后侧面磨损如图18所示，前、后齿槽面的磨损无显著差异，磨损带宽度基本均匀，这表明隔离盘中可能有相当大比例的滚子与后齿槽面接触，显然，这些滚子不应该包括磨削区的滚子。![]()
图 18 隔离盘前后齿槽面磨损实物图Fig.18 Wear picture of front and rear tooth groove surfaces of spacing disc隔离盘转速波动会影响滚子定位以及滚子与导盘之间的滑动，基于上述隔离盘转速波动分析，提出降低隔离盘转速波动负面影响的措施：1） 将进料管设置在距离磨削区尽量远的位置，新进入的滚子就有更多的时间向隔离盘前齿槽定位面趋近，越有利于滚子在进入磨削区之前实现良好定位。2） 对隔离盘设置转动阻尼，可以增加滚子公转对隔离盘的驱动力，使隔离盘前齿槽面（滚子定位面）与滚子之间的接触力增大，进而保证滚子定位的稳定可靠。此外，还可减小隔离盘转速的波动幅度，从而减小磨削区滚子自转和公转转速的扰动，提高滚子球基面的磨削质量，减少滚子与导盘之间的滑动，进而减轻导盘磨损。1） 圆锥滚子立式球基面无磁磨削不存在原理性加工误差，其球基面成形原理为：砂轮轴线与滚子公转轴线错位，使得砂轮工作面被金刚笔修整为圆环面，在滚子自转加公转的过程中，砂轮圆环工作面始终与滚子球基面保持线接触，接触线就是砂轮圆环面圆弧素线的一部分，该圆弧接触线绕滚子轴线旋转形成滚子球基面。2） 砂轮轴线与滚子公转轴线不错位时，砂轮工作面是与滚子球基面形状完全吻合的球面，其磨削虽然没有原理性加工误差，但表面粗糙度较差，也容易产生烧伤。3） 隔离盘转速以滚子名义公转转速为上限周期性小幅波动。将进料管设置在距离磨削区尽量远的位置并对隔离盘设置转动阻尼，可避免隔离盘转速波动导致磨削区滚子定位不良，也有利于减轻导盘磨损。1. 朱战旗，石永，王涛，等.滚子球基面曲率半径误差分析［J］.轴承，2014（1）：25-26.
2. 林炳成.3MT4300系列圆锥滚子球基面有磁贯穿磨床隔离盘的设计［J］.轴承，2017（9）：18-20.
3. 林炳成.圆锥滚子球基面磨床隔离盘转动运动分析与应用［J］.轴承，2007（12）：19-20.
4. 高明远，张玉玲，徐剑，等.高铁滚子球基面加工误差分析与改进［J］.轴承，2019（8）：16-18.
5. 朱文博，黎康顺，朱欢欢，等.圆锥滚子球基面磨削力模型及实验研究［J］.中国机械工程，2020，31（6）：679-687.
6. 陈小雕，雍俊海，郑国勤，等.圆环面/球面求交算法［J］.计算机辅助设计与图形学学报，2005，17（6）：1202-1206.
7. 周良德.关于回转抛物面与圆柱面相交的研究［J］.工程图学学报，2000，21（3）：139-146.
8. 刘旗，郭培锐，高武正.滚子球基面加工工艺参数及检测方法改进［J］.科技创新与应用，2022，12（3）：97-99，103.
Vertical Non-Magnetic Grinding of Spherical Reference Surface of Tapered Rollers
LU Congshuang ![]()
GAO Zuobin ![]()
WANG XiaoliangWANG Zhimin（School of Mechatronics Engineering， Henan University of Science and Technology， Luoyang 471003， China）Abstract: The vertical non-magnetic grinding of spherical reference surface of tapered rollers has the advantages of high efficiency， no partial load on guide disc and convenient multi-station layout， which has been paid more and more attention in the field of roller manufacturing. For vertical non-magnetic grinding method， the grinding forming principle of spherical reference surface， the necessity of misalignment between axis of grinding wheel and revolution axis of the rollers， the rotational speed fluctuation of spacing disc and its influence are analyzed. The results show that this is a grinding method without principle machining error， and the axis of grinding wheel and revolution axis of the rollers must be misaligned， so that the working surface of grinding wheel changes from spherical surface to circular surface， and the line contact grinding of spherical reference surface of the rollers is realized； as the rotational speed fluctuation of spacing disc， the feed pipe is set as far away from grinding area as possible and the rotational damping of spacing disc is set to avoid the negative impact of rotational speed fluctuation of spacing disc.
Keywords: rolling bearing；tapered roller；forming；grinding；grinding wheel；line contact
![]()
作者简介：卢聪爽（1998—），男，硕士研究生，E-mail：lucongshuang98@163.com。
通讯作者：高作斌（1966—），男，博士，教授，主要研究方向为滚动轴承精密加工理论与技术，E-mail：gaozuobinly@126.com。
基金信息： 2021年产业基础再造与制造业高质量发展专项（TC210H02Q）
中图分类号： TH133.33+2； TG581+.1
文章编号：1000-3762（2024）10-0009-09
文献标识码： B
收稿日期：2024-01-23
修回日期：2024-04-14
出版日期：2024-10-05
网刊发布日期：2024-10-08
