超精加工砂轮、使用该砂轮的超精加工方法和球轴承的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种超精加工砂轮、使用该砂轮的超精加工方法以及球轴承。该砂轮(10)在前端部(11)具有大致呈V字状相交的第一倾斜面(12a)和第二倾斜面(12b)，该第一倾斜面(12a)和第二倾斜面(12b)从厚度方向观察时，相对于从中央部向两侧的跨度方向，以3°以上且5°以下的倾斜角延伸。第一倾斜面(12a)和第二倾斜面(12b)具有从跨度方向观察时呈圆弧形的形状。另外，砂轮(10)是通过陶瓷结合剂将由对工件具有化学反应性但不有切削性的软质磨料和对工件具有切削性的硬便质磨料构成的复合磨料结合而成。
【专利说明】超精加工砂轮、使用该砂轮的超精加工方法和球轴承
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种对工件进行超精加工的超精加工砂轮，特别是适于对球轴承的滚道进行超精加工的超精加工砂轮，使用该砂轮的超精加工方法以及球轴承。
【背景技术】
[0002]在对球轴承的滚道面进行超精加工时，通常使用专用超精加工机床。在使用该超精加工机床来对球轴承的内圈滚道或外圈滚道进行超精加工时，通过使内圈或外圈旋转，将把持于砂轮架的砂轮按压到滚道上且进行摆动，使其沿着滚道在一定角度范围内往复移动进行超精加工。此时，与磨削作业不同，超精加工砂轮没有加工初期的修整或打磨等砂轮成形工序，因此，需要预先将砂轮工作面的形状整形为与所加工的滚道的圆弧曲面相应。
[0003]另外，球轴承的滚道是利用超精加工前的磨削来预加工成截面圆弧状。在超精加工中，在维持该磨削的预加工精度的同时，短时间且高效地将滚道抛光为例如0.01 μ mRa以下。
[0004]并且，在加工中，与滚道接触的砂轮能够通过每当出现磨损也不会中断加工，而只是通过将砂轮从砂轮架中以相应的磨损量推出，总是修正其位置。在球轴承的超精加工中，在工件为内圈的情况下对外周面、在为外圈的情况下对内周面采用各自的加工方式实施超精加工。
[0005]在现有的外圈滚道的超精加工中，使用了如图7所示的前端部具有与滚道的圆弧曲面相当的直径尺寸的凸状圆弧面101的砂轮100，如图9所示，将凸状圆弧面101沿着外圈2的外圈滚道3配置，使外圈2旋转，并且在使砂轮100沿外圈2的旋转轴方向摆动的同时进行外圈滚道3的超精加工。
[0006]另外，如图8所示，在专利文献I中记载有如下内容:将砂轮200的前端部做成包括圆筒面部分201和尖细部分202的形状，其中，圆筒面部分201的曲率半径比外圈滚道的曲率半径稍大，尖细部分202与该圆筒面部分201的轴向两侧接续。并且，通过使砂轮200的形状如上所述，减小了外圈滚道与砂轮的接触面积，从而提高了表面压力，使得磨料容易脱落。由此，使砂轮的形状在短时间内接近外圈滚道的形状，也就是使得接触变为连续。其结果是，不会产生磨削痕迹，消除了因精度不高造成的不合格加工品的废弃和再加工，使得砂轮更换后的第一个轴承开始就是合格品。
[0007]另外，除了专利文献I以外，还已知有多份与砂轮有关的在先技术文献(专利文献2 ?6)。
[0008]专利文献1:日本实用新型登记第2600506号公报
[0009]专利文献2:日本特开2006-130635号公报
[0010]专利文献3:日本特开平5-329780号公报
[0011]专利文献4:日本实开昭57-189774号公报
[0012]专利文献5:日本实开昭59-12561号公报
[0013]专利文献6:日本实开平3-130367号公报
【发明内容】
[0014]发明要解决的课题
[0015]但是，上述任一在先技术文献所述的砂轮均不是砂轮的易试研磨度(以下也称为试研磨性)方面令人满意的制品，仍有改善的余地。在超精加工中通过砂轮使用之初的工件进行试研磨作业时，存在批量生产工序中的生产率低或者因形成不充分的砂轮工作面而引发不合格率等诸多问题。
[0016]另一方面，为了提高砂轮的试研磨性，也考虑采用富有破碎性的磨料或软质超精加工砂轮，该情况将使得砂轮磨损量增多、砂轮形状变形或砂轮寿命变短，且无法实现期望的表面精度，很少的加工作业量便需更换砂轮。
[0017]超精加工砂轮中的使用超硬质立方晶氮化硼(CBN)磨料或金刚石(SD)磨料的陶瓷结合剂砂轮的实用化的发展，正代替现有的氧化铝(WA)磨料或绿碳化硅(GC)磨料砂轮。
[0018]特别是对于轴承钢，广泛选择含有超硬质磨料的陶瓷砂轮。但是，超硬质磨料与WA和GC磨料相比价格高，因而要求耐磨损性强或砂轮寿命长的砂轮品质，结果使砂轮磨损量变得极少。例如，每个工件的砂轮磨损量微少到1 μ m以下，而在WA或GC砂轮的情况下，砂轮磨损量为其20~30倍。
[0019]因此，特别在使用了超硬质磨料的超精加工中，加工初期的试研磨性成为重要的课题。即使在将砂轮工作面整形为完整三维形状的情况下，滚道的预加工磨削而成的圆弧中心在安装于超精加工机床的状态下，也未必与砂轮中心线一致，在发生偏心的情况下，即使该偏心量很微小，也有可能造成砂轮的变形、缺损等，导致超精加工精度、效率的降低。
[0020]在砂轮更换中，当工件与砂轮的位置关系存在偏心时，在含有超硬质磨料的陶瓷砂轮的情况下，尽管也基于砂轮尺寸(砂轮工作面的大小)，需要例如砂轮工作面积为10~15mm2,试研磨个数为10~20。
[0021]本发明是鉴于上述状况而作出，其目的在于提供一种易于对工件进行试研磨的超精加工砂轮、使用该砂轮的超精加工方法以及球轴承。
[0022]解决课题的手段
[0023]本发明人等发现了满足提高试研磨性的砂轮品质和砂轮精加工性能这两个相反的砂轮要求的超精加工砂轮以及使用该砂轮的超精加工方法，从而完成本发明。
[0024]本发明的上述目的通过下述方案来实现。
[0025](1) 一种超精加工砂轮，其特征在于，在前端部具有大致呈V字状相交的第一倾斜面和第二倾斜面，上述第一倾斜面和上述第二倾斜面从第一方向观察时，相对于与上述第一方向正交的第二方向从中央部向两侧以3°以上且5°以下的倾斜角延伸，
[0026]上述第一倾斜面和上述第二倾斜面具有从上述第二方向观察时呈圆弧形的形状，
[0027]使用陶瓷结合剂将复合磨料结合，该复合磨料包括:具有对工件具备化学反应性但不具备切削性的软质磨料；和对上述工件具备切削性的硬质磨料。
[0028](2)根据(I)所述的超精加工砂轮，其特征在于，当将作为沿着上述第二方向的长度的第二方向长度设为B(mm)，并将上述第一倾斜面与上述第二倾斜面之间的上述倾斜角设为α (° )时，则以下式(I)表不的最大试研磨量d为0.13mm~0.22mm,
[0029]d = (B/2) X tan α(I)。[0030](3)根据(I)或⑵所述的超精加工砂轮，其特征在于，按照混合体积比，上述复合磨料含有上述软质磨料10?40%和上述硬质磨料60?90%。
[0031](4)根据⑴?(3)中任一项所述的超精加工砂轮，其特征在于，上述硬质磨料是选自立方晶氮化硼磨料和金刚石磨料中的至少一种的硬质磨料，上述软质磨料是选自氧化铈、硫酸钡、氧化硅、氧化锆中的至少一种的软质磨料。
[0032](5) 一种超精加工方法，其特征在于，其使用(I)?(4)中任一项所述的超精加工砂轮对球轴承外圈的外圈滚道的超精加工，以将上述第一方向作为上述外圈的旋转轴线方向、并将上述第二方向作为上述外圈的圆周方向的方式来配置上述超精加工砂轮，在进行超精加工作业之前，在上述超精加工砂轮的临界压力为90±5%的压力下对上述超精加工砂轮进行试研磨作业。
[0033](6)根据(5)所述的超精加工方法，其特征在于，上述超精加工作业中的砂轮表面压力低于上述试研磨作业时的压力。
[0034](7) 一种球轴承,具有内圈、外圈和配置于上述内圈与上述外圈之间并能够自由滚动的多个滚珠，其特征在于，上述外圈的外圈滚道经过了如(5)或(6)所述的超精加工方法来进行的超精加工。
[0035]发明的效果
[0036]根据本发明，由于前端部的砂轮工作面的形状由大致呈V字状相交的第一倾斜面和第二倾斜面构成，所以扩大了与切削面强力接触部分的接触面积，相反缩小了轻接触部分的接触面积，由此，以最小限度的试研磨个数使砂轮工作面全面接触，提高了试研磨性。另外，通过使软质磨料分散配位，形成不具备切削性、质地软且不易脱落的润滑物质层，进一步提高了试研磨性，且减少了砂轮磨损量。由此，能够同时满足提高试研磨性的砂轮品质与砂轮加工性能这样相反的砂轮要求。
【专利附图】
【附图说明】
[0037]图1是本发明一实施方式的超精加工砂轮的前端部的立体图。
[0038]图2 (a)是从跨度方向(图1中的IIA)观察超精加工砂轮前端部的示意图，图2 (b)是从厚度方向(图1中的IIB)观察超精加工砂轮前端部的示意图。
[0039]图3是从厚度方向观察使用滚子式砂轮修整器制造的本发明一实施方式的超精加工砂轮的前端部的示意图。
[0040]图4是用于说明使用滚子式砂轮修整器制造图3中的超精加工砂轮的方法的示意图，其中，图4(a)是说明第一次切入加工的说明图，图4(b)是说明第二次切入加工的说明图。
[0041]图5是说明使用了以图1中的制造方法制造出的超精加工砂轮来进行球轴承外圈的外圈滚道的试研磨作业的说明图。
[0042]图6是表示试验砂轮的工作面的照片的图，其中，(a)表示BaSO4磨料的情况，(b)表示CeO2磨料的情况，(c)表示ZrO2磨料的情况，(d)表示SiO2磨料的情况，(e)表示CBN磨料的情况。
[0043]图7是现有的超精加工砂轮的前端部的立体图。
[0044]图8是专利文献I中所述的超精加工砂轮的前端部的立体图。[0045]图9是说明使用了现有的超精加工砂轮进行球轴承外圈的外圈滚道的超精加工作业的说明图，(a)是沿着(b)的A-A线的剖视图，(b)是从轴向观察到的图。
[0046]图10是表示全面接触的超精加工砂轮的砂轮工作面的状态的图。
[0047]符号说明
[0048]2 外圈
[0049]3 外圈滚道
[0050]10超精加工砂轮
[0051]11前端部
[0052]12a第一倾斜面
[0053]12b第二倾斜面
[0054]α 倾斜角
[0055]B 跨度宽度(第二方向长度)
[0056]d 最大试研磨量
【具体实施方式】
[0057]本发明人着眼于工件的切削面与砂轮工作面接触的状态下的砂轮与切削面强力接触部分和轻接触部分。在强力接触部分，当受到砂轮强作用力的情况下，容易发生磨具气孔堵塞，相反在受到柔和作用力的情况下，砂轮磨损量变大。因此，本发明人发现:砂轮的试研磨性可以通过在砂轮强力接触部分增大砂轮工作面积，在砂轮轻接触部分减小砂轮工作面积，提高整个砂轮工作面积的试研磨性。在本发明中，通过在砂轮工作面与切削面强力接触部分着重于砂轮试研磨性，提高了整个砂轮工作面的试研磨性。
[0058]如图10中的斜线部所示，外圈滚道的超精加工用砂轮的砂轮工作面在砂轮中央部持续强力接触，在砂轮中央部以外的周缘部间歇性轻接触。因此，通过在砂轮中央部扩大砂轮接触面积，提高砂轮的试研磨性。
[0059]以下，参照附图，对基于上述技术思想而制作的本发明一实施方式的超精加工砂轮进行详细说明。
[0060]图1是表示本发明一实施方式的超精加工砂轮的前端部的立体图，图2(a)是从跨度方向(图1中的IIA)观察超精加工砂轮前端部的图，图2(b)是从厚度方向(图1中的IIB)观察超精加工砂轮前端部的图。
[0061]在将正交的两个方向中的一个方向作为厚度方向(图1中的IIB方向)、另一方向作为跨度方向(图1中的IIA方向)时，从厚度方向观察时，本实施方式的超精加工砂轮10 (以下简称为砂轮10)在前端部11具有从中央部向两侧以相对于跨度方向以倾斜角α延伸的第一倾斜面12a和第二倾斜面12b (参照图2(b))。第一倾斜面12a与第二倾斜面12b在跨度方向中央部交叉而形成顶部13。顶部13具有尖细的大致呈V字的形状，其随着靠近前端而跨度宽度逐渐变小。此外，厚度方向与对球轴承外圈2的外圈滚道3实施超精加工作业(包括试研磨作业，下同)时的外圈2的旋转轴线方向相对应，跨度方向与对球轴承外圈2的外圈滚道3实施超精加工作业时的圆周方向相对应(参照图5)。
[0062]另外，如图2(a)所示，从跨度方向观察时，第一倾斜面12a和第二倾斜面12b呈圆弧形状。更具体而言，从跨度方向的一侧观察时，第一倾斜面12a的前端部具有圆弧形状，从跨度方向的另一侧观察时，第二倾斜面12b的前端部具有圆弧形状。圆弧形状的曲率根据被切削工件来设定，在对球轴承外圈的外圈滚道进行超精加工时，将其设定为与外圈滚道的圆弧大致相等的曲率。
[0063]在此，将倾斜角α设定为3°以上且5°以下。通过将倾斜角α设定为3°且以上5°以下，前端部11成为与外圈滚道形状近似的形状，增大了砂轮接触面积，从而提高了试研磨性。当倾斜角α小于3°时，形成倾斜面的效果小，当倾斜角超过5°时，后述的最大试研磨量变大，达到沿着外圈的外圈滚道的圆弧形状时需要花费时间。倾斜角α优选为3.5°以上且4.5°以下，更优选为大约4°。
[0064]当将作为前端部11的跨度方向的宽度设为跨度宽度B时，则前端部11的倾斜量、即砂轮中央部的最大试研磨量d(mm)由下式(I)表示。
[0065]d = (B/2) X tan α(I)
[0066]因此，当前端部11的跨度方向宽度B—定而倾斜角α变大时，则最大试研磨量d成比例变大。为使最大试研磨量d具有最优值，当跨度方向宽度B变大时，需要减小倾斜角α，反之，当跨度方向宽度B变小时，需要使倾斜角α变大。通常，在砂轮工作面积小于1Omm2的情况下，容易进行试研磨作业，在其面积为1Omm2以上的情况下，不容易进行试研磨作业。最大试研磨量d优选为0.13mm~0.22mm,更优选为大约0.175mm。
[0067]其结果是，在砂轮工作面上，促进了与加工面持续接触的砂轮中央部的磨损，随着砂轮工作面积的增大而快速达到整个砂轮的试研磨。以往，即使在将砂轮工作面整形为完整的三维形状的情况下，外圈滚道的预加工磨削而成的圆弧中心在安装于超精加工机床的状态下，也未必与砂轮中心线一致。在发生偏心的情况下，即使该偏心量很微小，也有造成砂轮的变形、缺损等，并导致超精加工精度和效率的降低等不利情况之虞。
[0068]在本发明中，通过增大切削面与砂轮工作面强力接触部分的砂轮工作面积，促进砂轮磨损，而容易形成精度高且稳定的砂轮试研磨面，即使在出现了偏心的情况下，也能实现工件与砂轮的正确装配状态。
[0069]该砂轮10的前端部11能够利用滚子式砂轮修整器来成形。图4是砂轮10的前端部11用滚子式砂轮修整器来成形的成形方法的一例。
[0070]首先，以相对于与滚子式砂轮修整器50的中心轴线O正交的正交线X呈水平断错的状态配置砂轮10的中心线Y。具体而言，使砂轮10的中心线Y保持与正交线X平行，并向跨度方向上方偏移相当于砂轮10的跨度宽度(T)的例如一半的长度(T/2)的位置的状态进行配置。将该偏移量设定为使所形成的第一倾斜面12a倾斜角为3°以上且5°以下。在该状态下，进行使砂轮10与正交线X相平行地移动至滚子式砂轮修整器50这一侧，并被按压到滚子式砂轮修整器50的修整槽51进行成形的第一次切入加工。由此，将砂轮10的前端部11的一侧的面16成形为圆弧状，在前端部11的一侧形成第一倾斜面12a。
[0071]接着，使砂轮10沿跨度方向上下反转，将砂轮10配置在相对于滚子式砂轮修整器50为相同位置。即，在相对于与滚子式砂轮修整器50的中心轴线O正交的正交线X，向跨度方向上方偏移相当于砂轮10的跨度宽度(T)的一半长度(T/2)的位置，使砂轮10的中心线Y —致。此时，通过使砂轮10反转，使第一倾斜面12a朝向跨度方向上方，未成形的另一侧的表面18朝向下方，配置到滚子式砂轮修整器50附近。该偏移量也设定为，使所形成的第二倾斜面12b的倾斜角为3°以上且5°以下，且与第一倾斜面12a为同等的倾斜角。在该状态下，进行使砂轮10与正交线X平行地移动到滚子式砂轮修整器50侧，并按压到滚子式砂轮修整器50的修整槽51进行成形的第二次切入加工。由此，砂轮10的前端部11的另一侧的表面18也成形为圆弧状，前端部11的另一侧也形成第二倾斜面12b来制造砂轮10。
[0072]如图3所示，如此使用滚子式砂轮修整器制造出的砂轮10，将使得第一倾斜面12a和第二倾斜面12b因滚子式砂轮修整器的曲率而稍下凹弯曲，如图3所示，该情况下的倾斜角α是从厚度方向观察时，连结顶部13的前端与一侧面16的端部的连线相对于跨度方向所成角度；以及连结顶部13的前端与另一侧面18的端部的连线相对于跨度方向所成角度。
[0073]接下来对砂轮10的组成进行说明。
[0074](I)组成以及制法
[0075]砂轮10是由不具切削性的软质磨料与具有切削性的硬质磨料的复合磨料用陶瓷结合剂结合的复合磨料陶瓷结合剂砂轮。
[0076]硬质磨料为立方晶氮化硼(CBN)、金刚石(SD)(新莫氏硬度均为14、15)等，软质磨料为氧化铈(CeO2,硬度4?5)、硫酸钡(BaSO4,硬度3?4)、氧化锆(ZrO2,硬度8?9)、以及氧化硅(SiO2，硬度7?8)等。混合体积比为:硬质磨料60?90%，软质磨料10?40 %。更优选的混合体积比为硬质磨料70?80%、软质磨料20?30%。
[0077]为了使具有化学反应性的软质磨料不因化学反应或受热而改性，用于本发明砂轮10的结合剂优选为调整至规定的软化温度以下、由80?95重量％的低熔点无机玻璃和5?20重量％的高熔点无机矿物构成的物质。
[0078]砂轮10是通过将除了上述磨料、结合剂以外，还将气孔剂、其它助剂均匀混合后，经粉体调节而成形、干燥烧制而制成。砂轮烧制温度为750°C。
[0079](2)软质磨料所带来的精加工特性
[0080]a)机械化学作用
[0081]已知有在利用分别以单质形态将软质磨料CeOjP BaSO4通过陶瓷结合剂固定的砂轮的对轴承钢(SUJ-2，HRC60)的超精加工中，通过固相反应在钢表面形成有氧化膜(Fe203、Fe3O4)。其超精加工机理为，利用精加工摩擦而产生的热能，使得被活化的CeO2或BaSO4磨料将钢表面的突出部氧化，利用含有软质磨料的粘结熔剂来将突出部除去。
[0082]b)试研磨性
[0083](bl)试验砂轮的种类
[0084]为了观察软质磨料单体的试研磨性，制作了陶瓷结合剂砂轮。软质磨料为(A)BaSO4 (平均粒径6.0 μ m)、⑶CeO2 (平均粒径1.4 μ m)、(C) ZrO2 (平均粒径1.0 μ m)以及(D)SiO2 (平均粒径5.0 μ m)，作为比较磨料的超(硬)磨料为(E) CBN (平均粒径3.0 μ m)。
[0085]砂轮内容物为相同的陶瓷结合剂,结合剂量相对于单位磨料量一定,是0.35重量份。此外，成形条件、烧制条件也相同。表I中表示了各种砂轮的RH硬度。RH硬度是根据洛氏试验方法H标尺(Scale)、JIS R 6240得到。在砂轮为软位时，当长针越过30的设定点，进而通过O而停止时，负(-)硬度变为负值。
[0086]超精加工在球轴承的滚道，条件都为定量。机油为硫化脂肪油系非水溶性油。另夕卜，在使用时，以相当于凹槽内表面的截面圆弧形状的半径，将砂轮工作面整形为凸状圆弧面进行使用。以高熔融性蜡对各砂轮的气孔进行填充处理。[0087](b2)试研磨个数
[0088]结果如表1所示。
[0089][表1]
[0090]
【权利要求】
1.一种超精加工砂轮，其特征在于，在前端部具有大致呈V字状相交的第一倾斜面和第二倾斜面，所述第一倾斜面和第二倾斜面从第一方向观察时，相对于与所述第一方向正交的第二方向从中央部向两侧以3°以上且5°以下的倾斜角延伸， 所述第一倾斜面和所述第二倾斜面具有从所述第二方向观察时呈圆弧形的形状， 使用陶瓷结合剂将复合磨料结合，所述复合磨料包括:具有对工件具备化学反应性但不具备切削性的软质磨料；和对所述工件具备切削性的硬质磨料。
2.根据权利要求1所述的超精加工砂轮，其特征在于，当将作为沿着所述第二方向的长度的第二方向长度设为B(mm)，并将所述第一倾斜面与所述第二倾斜面之间的所述倾斜角设为a (° )时，则以下式(I)表示的最大试研磨量d为0.13mm?0.22mm， d = (B/2) X tan α(I)。
3.根据权利要求1或2所述的超精加工砂轮，其特征在于，按照混合体积比，所述复合磨料含有所述软质磨料10?40%和所述硬质磨料60?90%。
4.根据权利要求1?3中任一项所述的超精加工砂轮，其特征在于，所述硬质磨料是选自立方晶氮化硼磨料和金刚石磨料中的至少一种的硬质磨料，所述软质磨料是选自氧化铈、硫酸钡、氧化硅、氧化锆中的至少一种的软质磨料。
5.一种超精加工方法，其特征在于，其使用如权利要求1?4中任一项所述的超精加工砂轮对球轴承外圈的外圈滚道进行超精加工，以将所述第一方向作为所述外圈的旋转轴线方向、并将所述第二方向作为所述外圈的圆周方向的方式来配置所述超精加工砂轮，在进行超精加工作业之前，在所述超精加工砂轮的临界压力为90±5%的压力下对所述超精加工砂轮进行试研磨作业。
6.根据权利要求5所述的超精加工方法，其特征在于，所述超精加工作业中的砂轮表面压力低于所述试研磨作业时的压力。
7.—种球轴承，具有内圈、外圈和配置于所述内圈与所述外圈之间并能够自由滚动的多个滚珠，其特征在于，所述外圈的外圈滚道经过了如权利要求5或6所述的超精加工方法来进行的超精加工。
【文档编号】B24B19/06GK103648719SQ201280001459
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2012年8月29日 优先权日:2012年6月21日
【发明者】美浓孝佳, 中野劝, 丸冈健次, 越智崇夫, 沢下雅则 申请人:日本精工株式会社, 株式会社瑞穗