基于在线电解修整技术的轴承圆柱滚子研磨装置和方法

技术领域

本发明涉及圆柱滚子研磨技术领域，具体涉及基于在线电解修整技术的轴承圆柱滚子研磨装置和方法。

背景技术

轴承是装备制造业中应用广泛的精密基础元件，而滚动体是轴承中最关键、最脆弱的零部件，它承受着轴承的绝大部分载荷，滚动体接触疲劳是滚动轴承失效的主要形式。圆柱滚子作为轴承滚动体中的一种，它与滚道之间的接触形式为线接触，具备承受高负荷的能力，特别适用于重载高速旋转的机械设备，如高速机床主轴、风力发电机、高铁列车齿轮箱、航空发动机等。

圆柱滚子外圆是滚动轴承主要的工作面，其形状精度、表面质量和一致性对轴承的运动精度和工作寿命均会产生极大影响。目前，针对圆柱滚子外圆精加工的方法主要包括无心磨削、无心超精研和定心往复超精研等。研磨过程中，固结磨具的研磨性能是影响滚子外圆柱面加工效率和质量的重要工艺因素之一。固结磨具一般由磨料、结合剂和添加剂三部分组成，其中磨料在研磨过程中起到材料去除的作用，结合剂的主要起到粘结与把持磨粒的作用，除了要保证磨具在磨削时有足够的把持强度之外，它还要保证已磨钝的磨粒适时地脱落，以保持磨具有良好的磨削状态，添加剂主要起到减少磨具堵塞、提高磨具的耐磨性以及润滑等作用。

在圆柱滚子研磨加工过程中，磨粒会不断产生磨损与脱落，这时需要将磨具取下进行修锐，以获得理想的出刃高度。磨具的装载、拆卸与修锐过程依赖人工完成，严重影响加工效率和精度，且传统加工方法材料去除率低，加工后的滚子表面一致性差。综上，传统技术存在以下问题：1)操作人员的劳动强度大；2)磨具的反复的拆装会导致定位精度下降；3)加工效率低；4)难以保证滚子加工后的尺寸与精度一致性。

发明内容

本申请提供了基于在线电解修整技术的轴承圆柱滚子研磨装置，通过在线电解修整技术对磨盘实现在线电解修整，无需进行重复拆装和人工修整，有效减轻操作人员的劳动强度，并提高加工效率；此外，本申请的研磨装置可以实现圆柱滚子批量加工，加工效率高，同时能够保证加工后圆柱滚子尺寸和精度的一致性。对应的，本申请还同时提供了基于在线电解修整技术的轴承圆柱滚子研磨方法。

对于研磨装置，本申请的技术方案为：

基于在线电解修整技术的轴承圆柱滚子研磨装置，包括机箱、下研磨盘组件、加压装置、滑台模组、旋转台组件，以及可编程脉冲电源；所述滑台模组通过龙门架设于所述机箱顶部的台面上方，所述加压装置设于所述滑台模组的滑台上，所述下研磨盘组件设于所述机箱顶部的台面上，所述旋转台组件设于所述机箱内且所述旋转台组件与所述下研磨盘组件连接能够驱动下研磨盘组件旋转；所述加压装置包括上盘、凸轮、升降驱动器和安装板，所述安装板设于所述滑台模组的滑台上可以左右调节位置，所述升降驱动器固定设于所述安装板上，所述上盘与所述升降驱动器连接能够上升或下降，所述上盘上开设有多个注液口，所述凸轮设于所述上盘的下端面，在研磨时所述凸轮与所述下研磨盘组件配合；所述下研磨盘组件包括下盘基体、保持架、弹簧导杆和V形槽磨具，所述下盘基体与所述旋转台组件连接，所述V形槽磨具成组设于下盘基体上并沿下盘基体的径向分布，所述保持架与所述V形槽磨具一一对应设置，所述保持架能够在下盘基体的径向上滑动，所述保持架上设有用于放置圆柱滚子的槽口，所述凸轮在研磨时作用于所述保持架的内侧端部，所述保持架的外端部与所述弹簧导杆连接配合，从而使保持架在研磨时实现往复进给运动；所述可编程脉冲电源的阳极与下盘基体连接，其阴极与上盘连接。

相较于现有技术而言，本发明技术方案的优点在于：本发明的研磨装置，下盘基体和上盘分别与可编程脉冲电源的阳极和阴极连接，可以在研磨过程中对磨具进行在线电解修整，并可以通过调节脉冲电源的输出参数，来调节研磨进程中的电解强度，进而达到对磨具修锐程度进行主动控制的目的；此外，采用特定构造的加压装置和下研磨盘组件，研磨时，上盘对圆柱滚子施加压力，下研磨盘组件由旋转台组件驱动作旋转，圆柱滚子在摩擦力作用下作转动，同时，保持架在凸轮和弹簧连接杆的作用下沿下盘基体径向作往复运动，从而带动圆柱滚子在磨具的V型槽中来回滑动，特定形式的研磨运动，使得研磨均匀性好，材料去除效率高，加工后圆柱滚子表面精度高，批一致性好；且一次可以加工一批零件，加工效率高。

进一步的，所述加压装置还包括定位组件，所述定位组件包括连接板、导杆A和导杆B，所述连接板相对于升降驱动器的伸缩杆固定设置，所述导杆A和所述导杆B与所述连接板通过圆柱副连接，所述导杆A和所述导杆B的下端与所述上盘固定连接。

在本发明技术方案中，连接板的设置用于对导杆A和导杆B起到限位的作用，同时通过导杆A和导杆B与上盘之间的连接，有效缓解研磨过程中的震动影响，防止上盘工作时产生震动进而影响圆柱滚子的研磨加工精度。

进一步的，所述加压装置还包括弹性件、压力传感器、导杆和挡板，所述压力传感器固定设于所述上盘上，所述上盘与所述导杆通过圆柱副连接，所述导杆的下端设有用于托住上盘的限位结构，所述凸轮上对应设有允许导杆穿过的通孔结构；所述升降驱动器的伸缩杆下端与所述导杆上端固定连接，所述挡板设于连接板的下侧，所述弹性件设于所述压力传感器和所述挡板之间。

在本发明技术方案中，弹性件和压力传感器配合用于反馈上盘在下压时的负载力，另外能根据预先设定的参数进行下压负载，实时反馈能根据实际研磨情况进行调整和变化；此外，采用这种结构，上盘相与导杆浮动连接，可以避免加载时对圆柱滚子造成损伤。

进一步的，所述弹簧导杆包括固定座和弹簧连接杆，所述固定座固定设于所述下盘基体的外侧面上，所述弹簧连接杆的一端与所述保持架固定连接，其另一端滑动限位在所述固定座上。在本发明技术方案中，固定座起到固定的作用，弹簧连接杆与保持架连接对保持架起到回弹复位的作用。

进一步的，所述V形槽磨具以可拆的方式设于下盘基体上，所述V形槽磨具包括基板和粘结于基板上的固着磨具本体。从而，方便对V形槽磨具进行拆装和更换，便于后期的维护。

进一步的，所述旋转台组件包括连接法兰、中空转台、减速器、伺服电机和安装架，所述安装架固定设于所述机箱内，所述中空转台固定设于所述安装架上，所述伺服电机与所述减速器连接，所述减速器的输出端与所述连接法兰连接，所述连接法兰与所述下盘基体固定连接。在本发明技术方案中，旋转台组件的设置用于驱动下盘基体转动，旋转台组件采用上述构造易于实施且可靠性高。

进一步的，所述滑台模组还包括导轨、手轮和丝杆，所述导轨固定设于龙门架上，所述丝杆与所述手轮连接且可转动地设于龙门架上，所述滑台滑动设于所述导轨上且与所述丝杆连接配合，所述安装板固定设置在所述滑台上。在本发明技术方案中，滑台模组的设置使得加压装置可以调节水平方向的位置，从而达到调节保持架往复运动行程的目的，能满足不同工艺要求；滑台模组采用上述结构设计，手轮易于操作，丝杆的自锁性使得可靠性好，整体结构易于实施。

对于研磨方法，本申请的技术方案为：

基于在线电解修整技术的轴承圆柱滚子研磨方法，该方法采用前述本发明的研磨装置实现，具体包括如下过程：

圆柱滚子放置于保持架的槽口中；加压装置下压与圆柱滚子接触并且对圆柱滚子施加设定的负载力；调节可编程脉冲电源的输出参数至设定值，并打开可编程脉冲电源；将电解液沿上盘的注液口注入；最后启动旋转台组件；

研磨时，可编程脉冲电源通过周期性启停产生脉冲电流，对磨具进行在线电解；旋转台组件驱动下盘基体转动，圆柱滚子与上盘的摩擦作用下自转；同时，下盘基体转动，凸轮与保持架接触配合，结合弹簧导杆的作用，保持架连同圆柱滚子在下盘基体上沿径向作往复运动。

相较于现有技术而言，本发明技术方案的优点在于：利用可编程脉冲电源周期性启停的在线电解修整技术(脉冲电流的强度、脉冲周期、占空比可以根据需要设定)，实现研磨过程中的非线性电解作用和磨具表面生成的氧化膜对电解过程产生抑制作用的两者之间的动态平衡，在研磨过程中对磨具进行在线电解修锐，大大减少了加工人员的劳动强度，并提高了生产效率；同时采用本发明技术方案的研磨方法，圆柱滚子作转动的同时沿磨具的V形槽来回滑动，特定的研磨运动使得材料去除效率高、均匀性好，加工后圆柱滚子表面精度高，批一致性好。

图1是本申请实施例中研磨装置的立体图；

图2是本申请实施例中研磨装置的局部结构示意图；

图3是本申请实施例中研磨装置的下研磨盘组件的结构示意图；

图4是本申请实施例中研磨装置的旋转台组件的结构示意图；

图5是本申请实施例中研磨装置的机箱的结构示意图；

图6是本申请实施例中研磨装置研磨时的状态示意图；

图7是本申请的可编程脉冲电源的连接示意图；

图8是本申请的加压装置的结构示意图。

附图中的标记为：1-机箱；2-下研磨盘组件，201-下盘基体，202-保持架，2021-槽口，203-弹簧导杆，2031-固定座，2032-弹簧连接杆，204-V形槽磨具；3-加压装置，301-上盘，3011-注液口，302-凸轮，303-升降驱动器，304-安装板，305-定位组件，3051-连接板，3052-导杆A,3053-导杆B，306-压力传感器，307-弹性件，308-导杆，309-挡板；4-滑台模组，401-滑台，402-导轨，403-手轮，404-丝杆；5-旋转台组件，501-连接法兰，502-中空转台，503-减速器，504-伺服电机，505-安装架；6-可编程脉冲电源，7-操作控制屏；8-圆柱滚子；9-挡圈。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的说明，但并不作为对本申请限制的依据。以下实施例中，没有详细说明的内容均为本领域技术常识。

实施例(参见图1～图8)：

基于在线电解修整技术的轴承圆柱滚子研磨装置，包括机箱1、下研磨盘组件2、加压装置3、滑台模组4、旋转台组件5、可编程脉冲电源6以及控制器7；滑台模组4通过龙门架设于机箱1顶部的台面上方，加压装置3设于滑台模组4的滑台401上，下研磨盘组件2设于机箱1顶部的台面上，旋转台组件5设于机箱1内且旋转台组件5与下研磨盘组件2连接能够驱动下研磨盘组件2旋转；加压装置3包括上盘301、凸轮302、升降驱动器303和安装板304，安装板304设于滑台模组4的滑台401上可以左右调节位置，升降驱动器303固定设于安装板304上，上盘301与升降驱动器303连接能够上升或下降，上盘301上开设有多个注液口3011，凸轮302设于上盘301的下端面，在研磨时凸轮302与下研磨盘组件2配合；下研磨盘组件2包括下盘基体201、保持架202、弹簧导杆203和V形槽磨具204，下盘基体201与旋转台组件5连接，V形槽磨具204成组设于下盘基体201上并沿下盘基体201的径向分布，保持架202与V形槽磨具204一一对应设置，保持架202能够在下盘基体201的径向上滑动，保持架202上设有用于放置圆柱滚子的槽口2021，凸轮302在研磨时作用于保持架202的内侧端部，保持架202的外端部与弹簧导杆203连接配合，从而使保持架202在研磨时实现往复进给运动；

在具体实施例中，可编程脉冲电源6阳极通过导电滑环与下盘基体201连接，其阴极与上盘301连接。(图1中没有画出可编程脉冲电源6，加工时，可编程电源6可以置于机箱1顶部的台面上)

在具体实施例中，凸轮302呈锥形(即侧面呈倾斜状)，在上盘下降过程中，凸轮的侧面与保持架202内端接触后具有导引作用，避免与保持架202发生干涉，使得加载较为方便。

在具体实施例中，研磨装置配有控制器7，控制器7设置在机箱1的一侧用于设置各项研磨参数(下盘转速0～60r/min、加载压力0～40N、研磨时间10～30min)，控制旋转台组件5和加载装置3工作。另外，在机箱1的上表面还设置有挡圈9，下研磨盘2位于挡圈9内，在研磨时，挡圈9能对液体起到止挡作用，防止研磨时液体污染台面。

在具体实施例中，V形槽磨具204以可拆的方式设于下盘基体201上，V形槽磨具204包括基板和粘结于基板上的固着磨具本体，可编程脉冲电源6的正极连接到下盘基体201(作为阳极)，负极连接到上盘301(作为阴极)，研磨时，在上盘301的注液口3011处注入电解研磨液，打开可编程脉冲电源6的开关，可编程脉冲电源6输出的脉冲电流使磨具发生阳极氧化，在圆柱滚子的摩擦作用下，氧化层被去除，实现在线电解修锐；同时上盘301在升降驱动器303的作用下对圆柱滚子提供负载力，在研磨时使圆柱滚子在磨具的V形槽中转动，同时保持架202在凸轮302和弹簧连接杆2032的作用下，下盘基体201转动时，保持架202作往复运动(往复行程可以通过滑台模

组4调节)，使圆柱滚子在磨具的V形槽中来回滑动。

在具体实施例中，加压装置3还包括定位组件305，定位组件305包括连接板3051、导杆A3052和导杆B3053，连接板3051固定设于安装板304的下端，导杆A3052和导杆B3053与连接板3051滑动连接，导杆A3052和导杆B3053的下端与上盘301固定连接。

其中，导杆A3052和导杆B3053分别设在上盘301的两端，导杆A3052和导杆B3053与连接板3051滑动配合，加压装置3工作时，升降驱动器303驱动伸缩杆下压上盘301时，导杆A3052和导杆B3053在连接板3051的两个通孔上同步滑动，研磨工作时，导杆A3052和导杆B3053与连接板3051配合，通过连接板3051对导杆A3052和导杆B3053起到限位的作用，防止上盘301工作时的震动，提高稳定性。

在具体实施例中，加压装置3还包括定位组件305，定位组件305包括连接板3051、导杆A3052和导杆B3053，连接板3051相对于升降驱动器303的伸缩杆固定设置，导杆A3052和导杆B3053与连接板3051通过圆柱副连接，导杆A3052和导杆B3053的下端与上盘301固定连接。加压装置3还包括弹性件307、压力传感器306、导杆308和挡板309，压力传感器306固定设于上盘301上，上盘301与导杆308通过圆柱副连接，导杆308的下端设有用于托住上盘301的限位结构，凸轮302上对应设有允许导杆308穿过的通孔结构；升降驱动器303的伸缩杆下端与导杆308上端固定连接，挡板309设于连接板3051的下侧，弹性件307设于压力传感器306和挡板309之间。本实施例弹性件307为弹簧，连接板3051与导杆308固定连接，在研磨时圆柱滚子8会给上盘301向上的作用力，进而通过弹性件307的形变使压力传感器306反馈加载力，达到精确加载的目的。

在具体实施例中，弹簧导杆203包括固定座2031和弹簧连接杆2032，固定座2031固定设于下盘基体201的外侧面上，弹簧连接杆2032的一端与保持架202固定连接，其另一端滑动限位在固定座2031上。V形槽204与下盘基体201为螺纹可拆卸连接，保持架202滑动设置在V形槽磨具204上。

在具体实施例中，旋转台组件5包括连接法兰501、中空转台502、减速器503、伺服电机504和安装架505，安装架505固定设于机箱1内，中空转台502固定设于安装架505上，伺服电机504与减速器503连接，减速器503的输出端与连接法兰501连接，连接法兰501与下盘基体201固定连接。

在具体实施例中，滑台模组4包括丝杆401、导轨402、手轮403和滑块404，导轨402固定设于龙门架101上，丝杆401与手轮403连接且可转动地设于龙门架101上，滑块404滑动设于导轨402上且与丝杆401连接配合，安装板304固定设置在滑块404上。

在具体实施例中，基于在线电解修整技术的轴承圆柱滚子研磨方法，具体包括如下步骤：

将圆柱滚子8放置于保持架202的槽口2021中；加压装置3下压与圆柱滚子8接触并且对圆柱滚子8施加设定的负载力；调节可编程脉冲电源6的输出参数至设定值(电流阈值可以设为0.05～0.2A/cm

利用可编程脉冲电源6周期性启停的在线电解修整技术，在研磨过程中对磨具进行在线电解修锐，大大减少了加工人的劳动强度；另外研磨主运动以及往复进给运动的结构，实现对圆柱滚子8的批量加工，提高了加工效率，提高圆柱滚子8加工精度的一致性；此外还具有主动控制电解程度的功能，可以根据不同的需求进行电流参数设置，达到理想的加工效果。

通过设置对比实验来验证对圆柱滚子研磨粗糙度(Ra)的影响，具体如下：两组实验采用的装置分别为：传统无心研磨装置和本实施例的在线电解研磨装置；分别使用同一批次生产的青铜基结合剂CBN固结磨具进行加工研磨，研磨加工的对象为一组(10个)相同尺寸(直径20mm、高度30mm)的GCr15轴承钢圆柱滚子，在研磨加工时设置的研磨盘转、负载力、研磨液等参数均相同，实验参数见表1，实验结果数据(滚子圆柱面加工后的粗糙度Ra)见表2。

表1：实验参数

根据实验结果数据，传统无心研磨的圆柱滚子粗糙度一致性较差，加工出的一批滚子粗糙度不均匀，最大的为45.5nm，最小的为23.3nm，而本实施例的粗糙度一致性较好，最大的为33.2nm，最小的为26.2nm，圆柱滚子加工的粗糙度更均匀；另外无心研磨装置只能单个圆柱滚子进行加工，加工效率较低，而本发明技术可一次性加工多个滚子，加工效率有明显优势。

表2：实验结果数据

上述对本申请中涉及的发明的一般性描述和对其具体实施方式的描述不应理解为是对该发明技术方案构成的限制。本领域所属技术人员根据本申请的公开，可以在不违背所涉及的发明构成要素的前提下，对上述一般性描述或/和具体实施方式(包括实施例)中的公开技术特征进行增加、减少或组合，形成属于本申请保护范围之内的其它的技术方案。