CN117464499A - 一种提升轴承寿命的轴承滚道高速磨床的改制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于金属切削机床技术领域，公开了一种提升轴承寿命的轴承滚道磨床的改制方法及其性能测试方法，提升轴承寿命的改制滚道磨床包括：高速电主轴、高速砂轮、工件夹持装置；高速电主轴设置在高速砂轮中心，工件夹持装置设置在高速砂轮旁边。本发明解决了现有的滚道磨床生产的轴承寿命低，砂轮线速度无法高于40m/s的问题，本发明通过改善滚动轴承内圈滚道表面完整性关键指标，提高了轴承的使用寿命，本发明使用高速电主轴替代传统电机和皮带的驱动方式，采用了不同材质的砂轮，成本低、改善效果优秀，有效的解决了现有技术中存在的缺陷。

Description

一种提升轴承寿命的轴承滚道高速磨床的改制方法

技术领域

本发明属于金属切削机床技术领域，尤其涉及一种轴承滚道高速磨床的改制方法及其性能测试方法，以提升轴承尤其是高端轴承的使用寿命。

背景技术

与国际品牌相比，国产滚动轴承的使用寿命具有很大差距。其主要原因在于，国产轴承在加工过程中，不考虑轴承滚道等重要特征的表面完整性关键指标，也不具备用以改善和提高表面完整性关键指标的轴承滚道高速磨床及其相关条件。

现有的轴承滚道磨床都是由皮带轮带动变速箱，再驱动砂轮进行轴承滚道磨削的专用磨床，砂轮的最高工作线速度一般为40m/s，轴承使用寿命很低，一般为进口轴承寿命的1/4～1/8。究其主要原因是，现有的轴承滚道磨削大多采用砂轮速度为40m/s的专用磨床。相关研究表明，采用高速磨削可以提高轴承滚道的表面完整性关键指标，进而提高轴承的使用寿命。然而，现有轴承滚道专用磨床的磨削速度只有40m/s，不能支持砂轮线速度高于40m/s的磨削试验。因此，将轴承滚道磨床线速度提升到50m/s以上，如50、60、70、80m/s甚至更高，同时具有良好的运动精度和工作平稳性精度，变得极为需要和迫切。因此，必须设计和制造出满足上述要求的轴承滚道高速磨削专用磨床。但是，设计并制造出轴承滚道高速磨削的专用机床，不仅需要很长的研发周期，而且还需要投入大量的资金。因此，对现有轴承滚道磨床进行相关改制，满足开展轴承滚道高速磨削试验条件是极其重要和必须的。

现有技术和机床不能支撑高速磨削试验和改善轴承滚道表面完整性指标的主要问题包括以下几个方面：

1.低的砂轮线速度：现有轴承滚道磨床的砂轮主轴采用普通电机和齿轮变速机构，因此砂轮的工作线速度一般为40m/s，不支持高于40m/s的工作线速度。

2.砂轮材料：由于砂轮工作线速度为40m/s，因此现有轴承滚道磨削用的砂轮均为白钢玉或棕刚玉。

3.不检测轴承滚道的表面完整性指标：现有的轴承滚道磨削后，仅检测轴承滚道的加工精度和表面粗糙度，不检测、不控制轴承滚道的表面完整性指标。然而，轴承滚道的表面完整性关键指标，如轴承滚道表面的微观组织、表面微裂纹，以及表面残余应力等，这是直接影响和制约轴承实际使用寿命的主要原因。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种提升轴承寿命的轴承滚道高速磨削机床的改制方法及其性能测试方法。

本发明是这样实现的，一种提升轴承寿命的轴承滚道高速磨床的改制方法，包括：专用于滚道高速磨床的高速电主轴以及相关配套装置；高速砂轮；轴承内圈滚道高速磨削时用的主动定位、夹紧装置；以及被磨削后自动安全离开工位的专用装置。高速电主轴与高速砂轮同轴，工件自动输送、主动定位和夹紧装置则安置在高速砂轮附近。

进一步，所述轴承内圈的定位夹紧装置包括：轴承内圈的端面定位基准、孔定位基准；其中轴承内圈孔依据定位轴主动定位，旋转轴设置在环形口中心端面定位基准设置在工件夹持装置的环形口表面，纵向定位块和横向定位块设置在环形口外部，用于调整轴承加工的位置。

进一步，所述高速电主轴具有30000RPM的高速旋转能力，可以驱动高速砂轮实现40～80m/s砂轮线速度，且通过测试和精度补偿，保持很高的运动精度及其工作稳定性。

进一步，所述高速砂轮的工作线速度在50～80m/s之间，高速砂轮最高线速度为高于90m/s。

进一步，所述高速砂轮的表层材质为CBN。

本发明的另一目的在于，提供一种实施所述提升轴承寿命的轴承滚道磨床的性能测试方法，包括以下步骤：

S101，通过加速度传感器、位移传感器和声发射传感器，采集磨削过程中的相关信号；

S102，通过信号分析模块，对相关信号进行预处理和相关分析，剔除无效信号，避免无效数据的干扰，保证信号处理的原始信号是有用信号，用于分析的数据是有效数据；

S103，通过高速轴承滚道磨床工作精度分析模块，对有效数据进行综合分析，得出运动精度、工作平稳性精度的分析报告及其评价结果有效性的有用信号和有效数据。

本发明的另一目的在于提供一种计算机信号采集设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有专用的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行所述提升轴承寿命的轴承滚道磨床的改制方法及其性能测试方法的步骤。

本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行所述提升轴承寿命的轴承滚道高速磨床的性能测试方法的步骤。

结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

第一、本发明解决了现有砂轮线速度仅为40m/s的滚道磨床，不能解决和控制轴承表面完整性指标等问题。采用本发明可以改善滚动轴承内圈滚道表面完整性关键指标，可以提高轴承的工作性能及其使用寿命。本发明使用专门研制的高速电主轴替代传统电机和皮带的驱动方式，以及采用了CBN砂轮和高速磨削方法与工艺，有效解决了现有轴承滚道磨床及其工艺技术中存在的缺陷。

第二，本发明通过使用轴承滚道高速磨床，以及轴承滚道高速磨床工作性能测试方法能有效提供和保证轴承滚道高速磨削工艺，形成轴承滚道高速磨削工艺参数的最优或较优组合方案，通过使用轴承滚道高速磨床和高速磨削工艺，有效改善和提高高端轴承的良好工作性能和使用寿命，保证了高端轴承实际运行的长期稳定性，并缩小与进口高端轴承质量的差距。

第三，本发明的技术方案填补了国内外业内技术空白：通过采购国内外轴承，测试考察了国内外相关轴承企业最高等级的精密滚动轴承。其中，与国际品牌滚动轴承相比，如SKF、NSK、FAG、IKO等国际品牌轴承，传统国产轴承的使用寿命具有很大差距，通常只有国际品牌轴承寿命的1/10。

采用本发明技术后，两家企业的轴承表面完整性指标和轴承使用寿命得到明显提升。其中：一家民营轴承制造企业，采用传统轴承滚道磨削工艺与专机，轴承平均寿命大约为43小时，通过对滚道磨床进行测试和优化调整后，采用50m/s的砂轮极限线速度(未对砂轮主轴系统进行改造，只能进行少量的磨削试验)，以及优化改进后的工件线速度和每分钟进给量等，其寿命测试试验的结果是，75％的轴承寿命为51.3h，25％的轴承寿命为65h。另一家外资轴承制造企业，采用传统轴承滚道磨削工艺与专机，采用传统40m/s轴承滚道磨削速度的轴承寿命测试结果表明，轴承平均寿命为54.75h；采用本专利提出和实现的80m/s轴承滚道高速磨削后，轴承寿命测试结果是，轴承的平均寿命为101.25h，提高了一倍之多。

本发明的技术方案解决了人们一直渴望解决、但始终未能获得成功的技术难题：本发明使国内所生产的滚动轴承使用寿命提高一倍之多，但要进一步全面考虑轴承材料、热处理，以及全部机械加工工艺及其装备等诸多方面的问题，

本发明的技术方案克服了技术偏见：通过大量的研究与实践，在本发明的技术方案中，将传统砂轮线速度仅为40m/s的轴承滚道磨床，改造成了砂轮线速度可提升到80m/s的砂轮滚道高速磨床，有效提高了轴承滚道表面完整性关键指标，尤其是高端轴承的使用寿命。本发明使用专门研制的高速电主轴替代传统电机和皮带的驱动方式，采用了CBN砂轮和高速磨削方法与工艺。

附图说明

图1是本发明实施例提供的提升轴承寿命的改制滚道磨床结构图。

图2是本发明实施例提供的工件夹持装置。

图3是本发明实施例提供的提升轴承寿命的改制滚道磨床实物示意图。

图4是本发明实施例提供的提升轴承寿命的改制滚道磨床的工件夹持装置实物示意图。

图5是本发明实施例提供的高速电主轴实物示意图；a为一种高速电主轴实物示意图，b为另一种高速电主轴实物示意图。

图6是本发明实施例提供的CBN砂轮实物示意图。

图7是本发明实施例提供的提升轴承寿命的改制滚道磨床性能测试方法流程图。

图8是本发明实施例提供的磨削过程中的有用信号。

图中：1、高速电主轴；2、高速砂轮；3、工件夹持装置；31、端面定位基准；32、轴承环旋转轴；33、径向V型定位块；34、端面定位块；4、工件入口；5、已磨削工件出口。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明以传统轴承滚道磨床为基础进行改制后得到，提升轴承寿命的改制滚道磨床包括：高速电主轴1、高速砂轮2、工件夹持装置3；高速电主轴1设置在高速砂轮2中心，工件夹持装置3设置在高速砂轮2旁边。

如图2所示，工件夹持装置3包括：端面定位基准31、工件旋转轴32、纵向定位块33和横向定位块34；其中端面定位基准31设置在工件夹持装置3的环形口表面，工件旋转轴32设置在环形口中心，纵向定位块33和横向定位块34设置在环形口外部，用于调整轴承加工的位置。

如图3所示，是本发明使用高速电主轴1和高速砂轮2的实物示意图。

如图4所示，是本发明的工件夹持装置3在实物中设置的位置。

如图5所示，两种电主轴均为本发明使用的高速电主轴1实物示意图，高速电主轴1具有30000RPM(或30000r/min)的高速旋转能力，且高速旋转条件下能保持运动精度和工作平稳性精度。

高速电主轴11是轴承滚道高速磨床的砂轮驱动部件，经过一系列的调试和测试，可以实现40～80m/s砂轮线速度条件下的运动精度及其工作稳定性。

本发明的改制滚道磨床是基于传统轴承滚道磨床进行改制的，主要包括三个部分：高速电主轴1、高速砂轮2、工件夹持装置3。高速电主轴1被设置在高速砂轮2的中心，工件夹持装置3则被设置在高速砂轮2的旁边。

工件夹持装置3的设计包括端面定位基准31、工件旋转轴32、纵向定位块33和横向定位块34。这些设备被设置在工件夹持装置3的环形口内外，用于精确地定位和调整轴承的加工位置。

高速电主轴1和高速砂轮2结合使用可以实现高效的轴承滚道研磨。高速电主轴1具有30000RPM的高速旋转能力，且在高速旋转条件下能保持运动精度和稳定性。

在砂轮驱动部件中，高速电主轴1是关键部件。经过一系列的调试和测试，高速电主轴1可以在砂轮线速度为40～80m/s的条件下保持运动精度及其工作稳定性。

本发明的改制滚道磨床的工作原理是：高速电主轴1驱动高速砂轮2进行旋转，工件夹持装置3准确地定位和固定工件。在高速旋转和精确定位的双重作用下，砂轮可以高效、精确地研磨轴承滚道，从而提高轴承的加工精度和使用寿命。

如图6所示，高速砂轮2使用的是CBN砂轮。

其中，高速砂轮2的工作线速度在50～80m/s之间，高速砂轮2最高线速度高于90m/s。

其中，磨削轴承滚道时，工件夹持装置3的线速度即工件线速度，应满足其与砂轮工作线速度相匹配的工作范围，并使轴承滚道高速磨削时具有良好稳定的运动精度及其工作平稳性精度。

本发明将传统40m/s的砂轮工作速度提高到40～90m/s范围，满足磨削试验的工作速度在40～80m/s的要求。

本发明采用高速电主轴1系统，并对改进后的轴承滚道高速磨床进行一系列调试和测试，以实现40～80m/s砂轮线速度的稳定磨削。

本发明采用与砂轮高速磨削线速度相匹配的轴承内圈滚道的线速度，简称工件线速度，并使轴承滚道高速磨削时具有良好稳定的运动精度及其工作平稳性精度。

如图7所示，提升轴承寿命的改制滚道磨床性能测试方法包括以下步骤：

S101，通过加速度传感器、位移传感器和声发射传感器，采集磨削过程中的相关信号；

S102，通过对相关信号进行预处理和相关分析，剔除无效信号，避免无效数据的干扰，保证信号处理的原始信号是有用信号，用于分析的数据是有效数据；

S103，得出运动精度、工作平稳性精度分析与评价结果有效性的有用信号和有效数据。

如图8所示，是磨削过程中的有用信号的波形。

本发明可通过基于游隙选配原则和游隙控制方法来用于降低提升轴承寿命的改制滚道磨床的滚动轴承径向跳动和轴向跳动，提高轴承的实际工作精度及其工作寿命，即根据高端轴承的使用要求缩小游隙变化，有效降低滚动轴承径向跳动和轴向跳动的轴承装配方法。将型号轴承的工作转速、使用环境等分为若干级别，一般为2～3组。对分组装配的轴承增加标记，根据不同工作转速、不同环境，选择不同工作游隙的滚动轴承，以提高滚动轴承的实际使用寿命。

将本发明应用实施例提供的提升轴承寿命的轴承滚道高速磨床的改制方法及其性能测试方法应用于计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行所述提升轴承寿命的轴承滚道磨床的改制方法及其性能测试方法的步骤。

为了证明本发明的技术方案的创造性和技术价值，该部分是对权利要求技术方案进行具体产品上或相关技术上的应用实施例。

采用本发明技术后，两家企业的轴承表面完整性指标和轴承使用寿命得到明显提升。其中：一家民营轴承制造企业，采用传统轴承滚道磨削工艺与专机，即砂轮线速度为40m/s的磨削速度、与砂轮线速度相匹配的轴承内圈线速度、磨削深度，轴承寿命仅为40小时，通过对滚道磨床进行测试和优化调整后，采用50m/s的砂轮极限线速度(未对砂轮主轴系统进行改造，只能进行少量的磨削试验)，以及优化改进后的工件线速度和每分钟进给量，尤其是有效设计和控制磨屑的最大未变形厚度等，其寿命测试试验的结果是，75％的轴承寿命为51.3小时，25％的轴承寿命为65小时。另一家外资轴承制造企业，采用传统轴承滚道磨削工艺与专机，采用传统40m/s轴承滚道磨削速度的轴承寿命测试结果表明，轴承平均寿命为54.75h；采用本专利提出和实现的80m/s轴承滚道高速磨削后，轴承寿命测试结果是，轴承的平均寿命为101.25h，提高了0.85倍。

本发明实施例在研发或者使用过程中取得了一些积极效果，和现有技术相比的确具备很大的优势，下面内容结合试验过程的数据、图表等进行描述。

与国际品牌滚动轴承相比，国产轴承的使用寿命具有很大差距，如SKF、NSK、FAG、IKO等国际品牌轴承。

本发明已通过国内2家轴承企业(一家民企和一家外企)的试验和成果应用，其中包括开展了高端轴承加工工艺研发，其中包括高端轴承滚道的高速磨削工艺及其工艺参数组合条件设计、轴承滚道高速磨床的改制，以及基于高速磨削工艺和在高速磨床支撑下的高端轴承加工等，并开展了基于本研究成果的轴承滚道高速磨削试验。

首先，通过采购国内轴承，如测试考察了国内某轴承企业最高等级的精密滚动轴承，经寿命测试试验的平均寿命是34.5h。

参与本发明应用测试的合作单位1是一家外企轴承制造企业，采用传统40m/s轴承滚道磨削速度的轴承寿命测试结果表明，轴承平均寿命为54.75h；采用本发明提出和实现的80m/s轴承滚道高速磨削后，轴承寿命测试结果是，轴承的平均寿命为101.25h，提高了一倍之多。

参与本发明应用测试的合作企业单位2是一家民营轴承制造企业，采用传统轴承滚道磨削工艺与专机，轴承平均寿命大约为43小时，通过对滚道磨床进行测试和优化调整后，采用有限的50m/s砂轮线速度(未对砂轮主轴系统进行改造，只能进行少量的磨削试验)，以及优化改进后的工件线速度和每分钟进给量等，其寿命测试试验的结果是，75％的轴承寿命为51.3h，25％的轴承寿命为65h。具体的轴承内圈滚道磨削用的砂轮、主轴驱动方式及其轴承寿命指标的对比分析如表1所示。

表1轴承内圈滚道磨削用的砂轮、主轴驱动方式及其轴承寿命指标的对比分析

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种提升轴承寿命的轴承滚道磨床的改制方法，其特征在于，包括：高速砂轮、高速电主轴装置，以及高速磨削轴承圈滚道用的自动上下料、定位、夹紧等过程的缓冲运动控制方法；高速电主轴与高速砂轮同轴，所磨削轴承环即工件轴线与砂轮轴线保持平行，自动夹紧装置设置在高速砂轮旁边。

2.如权利要求1提升轴承寿命的轴承滚道磨床的改制方法，其特征在于，轴承滚道磨床应达到的主要技术指标包括，砂轮的最高线速度，以及在不同高速磨削条件下，轴承滚道高速磨床的工作平稳性，以及轴承内圈滚道磨削试验或实际磨削用的线速度。

3.如权利要求1所述提升轴承寿命的轴承滚道磨床的改制方法，其特征在于，所述高速电主轴具有30000RPM的高速旋转能力，以保证高速砂轮实现40～80m/s的工作线速度。

4.如权利要求1所述提升轴承寿命的轴承滚道磨床的改制方法，其特征在于，所述工件自动定位与夹紧装置包括：支撑轴承圈端面定位和径向定位的定位元件，即横向和纵向定位元件；驱动轴承环匀速旋转的主轴装置，其中端面定位基准设置在工件定位装置的环形口表面，工件旋转轴设置在环形口中心，纵向定位块和横向定位块设置在环形口外部，用于调整轴承圈自动定位、夹紧、加工的位置。

5.如权利要求1所述提升轴承寿命的轴承滚道磨床的改制方法，其特征在于，所述高速砂轮的工作线速度在50～80m/s之间，高速砂轮最高线速度高于90m/s。

6.如权利要求1所述提升轴承寿命的轴承滚道磨床的改制方法，其特征在于，所述高速砂轮的材质为CBN。

7.一种实施如权利要求1-6任意一项所述如权利要求1所述提升轴承寿命的轴承滚道磨削床改制方法的性能测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

S101，通过加速度传感器、位移传感器和声发射传感器，采集磨削过程中的相关信号；

S102，通过对相关信号进行预处理和相关分析，剔除无效信号，避免无效数据的干扰，保证信号处理的原始信号是有用信号，用于分析的数据是有效数据；

S103，得出运动精度、工作平稳性精度分析与评价结果有效性的有用信号和有效数据。