基于圆柱面加工轨迹均匀包络原理的高精度轴承圆柱滚子高一致性加工方法研究

【摘要】：轴承是装备制造业中应用广泛的精密基础零部件,圆柱滚子是轴承关键零部件,其形状精度、表面质量及其批一致性对滚动轴承的运动精度和使用寿命产生重要影响。目前无心磨削等轴承圆柱滚子外圆加工方法存在加工精度批一致性差等技术难题,为此本文提出了基于圆柱面加工轨迹均匀包络原理的高精度轴承圆柱滚子高一致性加工方法,即将双平面研磨抛光技术应用于轴承圆柱滚子外圆成形,以实现高形状精度、高表面质量和高一致性。圆柱面加工轨迹均匀包络是圆柱滚子外圆成形的必要条件。因此本文重点对双平面方式下圆柱外圆加工过程的工件运动状态、圆柱面加工轨迹均匀性、研磨盘磨损轨迹均匀性以及它们的影响因素等关键问题进行了研究。主要研究工作如下:本文以几何运动学为理论基础,构建了双平面方式下圆柱外圆加工系统以及工件几何运动学模型,描述了工件各个几何参数和运动参数之间的数学关系。通过圆柱工件运动状态的观测实验和数据分析基本验证了该理论模型的有效性。滚动角速度是描述圆柱工件滚动行为的关键指标。经仿真研究发现,滚动角速度随时间变化是条非标准的余弦曲线,夹具公转转速和自转转速、工件放置位置以及工件放置偏角是影响圆柱滚动角速度的重要因素。工件放置位置的影响最大,其次是各转速之比,工件放置偏角的影响最小。夹具公转转速应设置在低速,夹具自转转速应设置高速,相比行星式,偏心式使圆柱滚动更加稳定。本文针对双平面方式下圆柱外圆加工系统,提出了一种圆柱面加工轨迹的仿真及其均匀性定量评价方法。基本步骤是,在工件几何运动学模型基础上,计算加工轨迹的坐标点矩阵,仿真圆柱面加工轨迹;将圆柱面划分为若干个单元网格,计算每个单元网格内的加工轨迹密度,进而计算它们的标准差,以此作为圆柱面加工轨迹均匀性的定量评价指标。研究结果表明,工件放置位置对加工轨迹均匀性的影响程度最大,其次是各个转速之比,工件放置偏角的影响不大。偏心式的加工轨迹均匀性优于行星式,行星式加工轨迹形态呈鱼鳞状,偏心式加工轨迹形态呈织网状。本文针对双平面方式下圆柱外圆加工系统,对研磨盘磨损轨迹进行仿真,并以轨迹密度标准差作为评价指标对磨损均匀性进行定量分析。研究结果表明,各转速之比和工件放置位置是影响研磨盘磨损轨迹均匀性的两大因素,两者影响程度相当。偏心式和行星式的磨损均匀性相差不大,但磨损轨迹形态完全不同,行星式为交错型摆线,偏心式为拉伸型摆线。较高的夹具自转转速有助于改善研磨盘磨损轨迹均匀性。本文基于圆柱面加工轨迹均匀包络原理自主研制了双平面方式下圆柱外圆加工实验平台。以轴承钢GCr15圆柱滚子为加工对象,通过行星式和偏心式的研磨加工实验和对比研究发现,较小粒径的磨料有助于获得更低的圆度和表面粗糙度,偏心式的整体加工效果优于行星式。采用偏心运动方式,在优选的加工条件下,经过机械去除的精研以及化学机械去除的粗抛和精抛阶段,一批工件的平均圆度达到0.36μm,偏差达到0.13μm,单个工件的圆度最小达到0.295μm,表面粗糙度Ra最小达到8nm。经过上述工艺流程,工件的形状精度、表面质量及其批一致性得到明显改善。