摘要: 讨论一种滚动轴承结构式加工圆锥滚动体无心磨床砂轮轴精密装配方法，依据自行建立的双列向心短圆柱滚子轴承1: 12 的内孔锥度与轴锥度研合度检验概念，发展和完善孔、轴配合产生角度误差修磨及研合的措施，以其独特的观点剖析误差产生的原因从而引导出解决问题的路径，能够对类似结构的装配提供理论性指导意见，也可供机械加工设备的装配及使用维修借鉴和参考。
   
  

      无心磨床在轴承圆锥滚动体加工过程中占配备设备总量比重较大，作用也显得重要，特别是在配以相应规格导轮的条件下能完成批量和大批量圆锥滚动体外径的作业要求，尤其在滚动体的最终成型高精度磨削时更能凸显出优势。
  

   
      砂轮轴部件和导轮轴部件系无心磨床的两大核心部件，其精度好坏直接关系到产品的优良程度，尤其是砂轮轴对产品的精度影响更大、更直接，因此保持好砂轮轴的精度以及维修过程中的精密装配是确保产品质的首要条件之一。

   
      目前使用的无心磨床规格种类很多，砂轮轴的结构也不尽相同，但基本上可分为滑动轴承式结构和滚动轴承式结构两种。其中滑动轴承式结构设备的占有量较大，滑动轴承是一种滑动摩擦的轴承，它的主要特点是工作可靠平稳，无噪音，润滑油膜具有吸振能力，故能承受较大的冲击载荷，同时由于液体润滑可以大大减小摩擦损失和表面摩擦，对于高转速的机械有着十分重要的意义，因此被广泛应用; 另一种就是滚动轴承式结构，随着双列向心短圆柱滚子轴承制造精度的不断提升，和较之于滑动轴承装配刮研等繁琐操作以及对操作者技能门槛的过高要求，以其具有起动阻力小、精度高、耗油漏油少、轴向尺寸小、维护简单、精度可调、同规格的轴承易于互换及寿命长等优点被新式无心磨床的砂轮轴结构所采纳。而滚动轴承装配过程的方便性极大地提高了维修效率，加之精密装配方法的配套工艺，使其综合性能指标稳定可靠。

      1 、结构分析及角度误差的产生

      1． 1 结构分析

     如图1 所示为某型圆锥滚动体无心磨床砂轮主轴结构装配简图。通过图中具体结构可以看出，砂轮主轴左右各装有一套双列向心短圆柱滚子轴承，同时左侧配有一套、右侧配有两套单列向心推力球轴承，这一结构是由于其双列向心短圆柱滚子轴承虽具有高的径向精度和径向承载能力但承受轴向力的能力较差，相应配以单列向心推力球轴承后可形成既有很高的径向精度又能承受很大轴向力的总体布局。

     由图1 可以看出其左右两端结构大体相同，以左端为例外面由密封盖、推力球轴承外圈、支承外套、密封外套组成，轴部装有弹簧卡、单列向心推力球轴承、双调整螺母、张紧套、双列向心短圆柱滚子轴承、调整套、骨架密封圈、内圈拆卸调整螺母组成。

     这一结构的关键点是双列向心短圆柱滚子轴承装配精度控制着砂轮主轴运行质量。双列向心短圆柱滚子轴承的内孔是1: 12 锥度表面，就是这一锥度表面与轴的锥度外表面研合度精度与整个砂轮主轴精度密切关联。这里将重点讨论它。

     1． 2 角度误差的产生

     这里所说的角度误差是指轴承锥度内孔或砂轮主轴锥度外径偏离零件加工工艺的状态，不含工艺范围内的角度偏差。

     无论存在角度误差或者不存在角度误差，在正式装配之前都要采取“预装配”的方法作初步判断，以确定方案，达到精密装配的目的。

      根据文献 可以得知角度关系可能出现3 种状况。如图2 所示，在背帽3 背紧时，反复用手沿左右方向交替施力于轴承的外圈1，直至外圈不能沿轴向移动后，再加大力度后确认外圈不能脱离，再进入检验程序 。

     这时可通过手动来驱使轴承外圈旋转，观察外圈运动状态用直观的方式来判断孔与轴锥度的研合效果。实践表明，转动的结果只会出现下列3 种情况之一 。

      图2a 所示，轴承外圈左移。轴的锥度偏大，即锥角α 大于标准锥度，可通过磨削减小锥角α 的方式来解决 。

      图2b 所示，轴承外圈旋转后不偏不移占中，说明孔轴锥度相符，不用调整 。

      图2c 所示，轴承外圈右移，说明轴的锥度偏小，可通过增大锥角α 的方式解决 。

      应该指出的是在文献 中描述的观点过于理想化，只把双列向心短圆柱滚子轴承内孔1: 12 锥度作为模范看; 且第一种现象中的“可通过磨削减小锥角的方式来解决”，经过实践证明也过于简单。

     实际操作中观察发现，装配前单件可能存在( 1) 轴承锥度内孔的角度误差; ( 2) 主轴锥度外径的角度误差; ( 3) 轴承锥度内孔和主轴锥度外径同时存在的角度误差。

     装配时两件相对可能存在: ( 1) 锥度α 角同时偏大; ( 2) 锥度α 角同时偏小; ( 3) 锥度α 角一个偏大而另一个偏小; ( 4) 锥度α 角一个合格另一个偏大或偏小; ( 5) 锥度α 角都合格等。

     从而可以衍生出多种配合状态，当然研合时不排斥孔轴锥度α 角同时等值偏大或偏小的，但前提是偏大得合适或偏小得合适。

     一般地，轴承锥度内孔出现误差的情况较少，这是由轴承批量化生产规模较大、轴承产品制造设备精密度高及检测手段专业等特点所决定。砂轮主轴的生产规模与轴承加工方式无法相比，单靠磨床角度调整刻度和简易质量控制措施是无法实现高的精度，因此砂轮主轴产生角度误差的概率较大。

     另外，当砂轮主轴产生角度误差如何修补研合过去未作详细的探讨，其实这是一个至关重要的环节，将在下节中详细分析。

     2 、砂轮主轴总体结构的精密装配

     2． 1 砂轮的拆卸和更换步骤

    ( 1) 砂轮主轴总体吊装过程要轻起轻放，以免主轴变形或影响轴承精度。

    ( 2) 在夹盘拧上吊环螺钉前应先拆卸下前、后轴承的压盖。

    ( 3) 要将砂轮主轴整体吊出，应先从砂轮主轴传动装置后端把拉手拉出，脱开渐开线花键轴。

    ( 4) 把砂轮主轴放置在预先准备好的支承座上直立固定，并使其垂直，拧下螺丝，卸下砂轮端盖，便可更换砂轮;

     ( 5) 新砂轮装上前，应检查质量是否合格，如有破损、裂纹等不良情况，绝对不能使用，否则砂轮工作时碎裂会危及安全或使主轴受强力冲击而报废。若砂轮有受潮或局部淋水现象，必须待其干燥后再作安全检查方可使用。

     ( 6) 新砂轮装上夹盘后，必须进行静平衡，然后方可装在机床的主轴上进行正常运转试验和修整。

      2． 2 砂轮主轴的装配过程

      ( 1) 砂轮主轴轴承在总体装配过程中都已调整好，在使用一段时间至重新装配之间可能需要作多次精度调整，包括重新装配的工作，这时注意切忌用铁锤进行敲打，因为主轴安装有1: 12 的双列向心短圆柱滚子轴承且精度比较高，否则很容易丧失精度。

     ( 2) 砂轮主轴的长期运行，使得双列向心短圆柱滚子轴承的滚动体与内圈和外圈的接触面磨损使其间隙变大，致使轴承不能使用，需要拆卸更换轴承，这时要利用砂轮主轴上的拆卸调整螺母4 推动调整套3 将1: 12 的轴承内圈卸下( 见图1) ，并建议同时更换单列向心推力球轴承。

     ( 3) 清洗砂轮主轴，将准备更换的新双列向心短圆柱滚子轴承和单列向心推力球轴承上的防锈润滑脂用煤油清洗晾干。

     ( 4) 按类似于正常装配过程进行“预装配”检验轴承锥度内孔或砂轮主轴锥度外径的研合程度，这时会有: ①研合度好直接装配; ②研合度差需要研磨合格后才能装配( 下节精密装配要领详述) 。

      ( 5) 当认定可以装配后，需要重新进行测量，经过计算将调整套3 磨至计算的厚度，厚度不够应加垫或重新换套，然后进行轴承的装配。最好将轴承的内套与主轴接触面的相对位置，以及轴承外套与支承外套的接触面的相对位置，做好记号，以便重新组装时，按原位置进行装配，这样可以避免由于不在原始位置而产生新的不必要的误差。
 

      2． 3 砂轮主轴的精密装配要领

     轴承锥度内孔与砂轮主轴锥度外径的研合，即砂轮主轴的精密装配，其具体步骤如下:

     ( 1) 检查孔轴间相互差大小，若角度误差大( 这种现象可能出现在孔或轴误差相互达到相反极限条件下，即一个偏最大而另一个偏最小) 时，看一下砂轮主轴两端顶尖孔的完好程度，按60° 中心孔( GB145—85) C 型带螺纹的中心孔所规定的标准判断，如顶尖孔完好可以采取磨床直接磨削加工，配以双列向心短圆柱滚子轴承的内圈着色检查，直到合格为止。
  

     ( 2) 通常状况下大多可能出现角度相互差很小，磨床直接加工很难调准微小角度。这时，消除这种角度误差的办法经实践检验，采取白刚玉微粉WA，粒度W10 ～ 5( GB2476—2483—83) ，用适度的煤油调和，再配以用过的角度比较标准的轴承内圈作研具来研磨主轴锥度，效果良好。这个方法经过多个实例分析总结是可行的最佳方案，也是本文要讨论的核心内容。应该说明的是煤油选择洗涤煤油即可，虽然各种煤油的质量依次排序降低为: 航空、动力、溶剂、灯用、燃料、洗涤煤油，但已基本满足研磨条件。煤油作为研磨用的润滑剂具备通过其调和的研磨剂要能均匀地粘吸在研磨工具上，它的粘度和稀释力好，并有良好的润滑性能且能起到冷却作用，无腐蚀，易洗涤。

      其中，研具可按如图3a 所示的结构制作，以能够使用方便为宜; 研磨方法可按如图3b 所示的方法操作，即第1 步沿顺时针方向旋转半周，第2 步沿逆时针方向旋转半周，第3 步绕整个圆周旋转1 圈，依此类推，以确保避免在操作的水平等份轴线轴外径有研磨盲区。

     ( 3) 根据砂轮主轴的技术要求分析: ①1: 12 锥面用着色法检查，实际接触长度与工作长度的接触比不低于85% 且靠近小端; ②除螺纹等处外热处理条件D0． 5—900。
 

      标注的D0． 5—900，其中D 为氮化处理代表符号，0． 5 是渗氮层深度为0． 5 mm，900 为维氏硬度( 相当于洛氏硬度68 HRC 左右) 。渗氮的生产率低、成本高，要获得0． 5 mm 厚的渗层，普通氮化一般需50 h 左右，也就是说每小时渗层厚只能在0． 01 mm 左右。为使生产周期缩短，采用离子氮化或在NH3 的分解气体中进行气体氮化等都能提高其生产率。虽然38CrMoAlA材料相对其它轴件材料及热处理费用偏高，但从材料的优良性和砂轮轴使用效果及总体成本的权衡上还是利远远大于弊。

      砂轮主轴采用的材料为38CrMoAlA，是专用于强化氮化的钢种。所谓氮化处理，也称渗氮，就是指将工件放在渗氮气氛中，加热到500 ～ 600 ℃使工件表面渗入氮原子形成氮化层的工艺过程。

      38CrMoAlA 中含有Al 元素与N 能形成颗粒细密、分布均匀、硬度很高而且非常稳定的氮化物，如AlN，从而给予氮化层以极高的硬度和耐磨性，其中与材料中含Cr、W 等合金元素比较，Al 的强化效果最佳。另外材料中含Mo 可以改善钢的组织，提高钢铁强度和韧性，并有消除回火脆性的作用。由此38CrMoAlA 砂轮轴经氮化后可以形成外硬内韧的综合机械性能效果，同时零件抗疲劳强度一般能提高25% ～ 30% 左右。还有一定的热硬性，而38CrMoAlA 在经过氮化处理后，在550 ℃的条件下运行硬度可达915 ～ 925 HV，在600 ℃的条件下运行仍有850 ～ 870HV，是其它材料无法达到的。

      值得思考的是在砂轮主轴其渗氮层深度仅为0． 5 mm，维氏硬度为900 的工艺条件下，如何克服高硬表面而又不失渗氮层厚度且能保证轴与孔研合度符合工艺标准，其研磨操作工艺较难掌握。建议磨量较大硬度较硬可在初始研磨时采用白刚玉微粉WA，粒度W20 粗研磨，下一步采用W10 半精研磨，最后采用W5 精研磨，这样研配效果较好。

      ( 4) 特别强调的是研磨后各个零件务必将研磨磨料用煤油洗涤干净，切忌白刚玉微粉带到装配的结构内，以防轴承等零件加速损坏。

      将研磨清洁后的各个零件及轴承等按正常的工艺过程装配，调试合格后即完成了初步的精密装配工作。

      依据设备的出厂要求，双列向心短圆柱滚子轴承装配后建议使用锂基润滑脂润滑。轴承常用的润滑脂有钙基润滑脂、钠基润滑脂、钙钠基润滑脂、锂基润滑脂、铝基润滑脂和二硫化钼润滑脂等。但经实践中摸索总结添加白色特种润滑脂2 号效果良好，其性能与适用范围: 产品系采用脂肪酸皂稠化精制矿物油，并加入添加剂精制而成。具有优良的氧化稳定性、机械稳定性、胶体稳定性和抗水性。可适用于各种精密机床、仪器等润滑。使用温度范围: － 20 ～ 100 ℃。产品标准: Q/SYRH2149—2008，为800 g /盒袋的盒装产品，推荐使用。轴承中充填润滑脂的量，以充满轴承内部空间的1 /2 ～ 1 /3 为适宜。高速时应减少至1 /3。过多的润滑脂将使温升增高。

      润滑脂添加结束后，即可做全面的安装与调试，并用仪表测量支承外套外径径跳等项精度指标，直到合格。

      3、 结语

     上述整个砂轮主轴的精密装配过程，主要是指解决滚动轴承式结构中双列向心短圆柱滚子轴承内圈孔与主轴1: 12 锥度表面产生角度误差的措施及具体操作方法，对其中的用料作以详细说明，是实践中自行创建的工艺规程，值得推广和借鉴。