薄壁外圈斷裂式軸承卡環的壓裝試驗

李兵建，邱晉江，馬萬明

(洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039)

1 試驗原理及方案

薄壁外圈斷裂軸承結構如圖1所示。該軸承屬于薄壁軸承(套圈壁厚系數K=1.09)，保持架為沖壓保持架，引導間隙0.025～0.13 mm，受結構設計方面的限制，在裝配過程中，需對軸承外圈沿軸向進行斷裂，待裝配完成后，在外圈小外徑兩端壓裝卡環，以保證該軸承的完整性和使用性能。在生產制造過程中，外圈卡環的壓裝存在很大的難度。

1—內圈；2—外圈；3—卡環;4—保持架；5—鋼球

1.1 試驗原理

卡環材料為9Cr18，由熱脹冷縮原理可知，圓環形不銹鋼9Cr18在受熱時會沿周向和徑向方向伸長，在一定的溫度范圍內，圓環的周長和直徑隨溫度的升高而增加；待溫度恢復到室溫時，圓環形金屬材料又能夠恢復到原始尺寸[1]。

金屬平均線膨脹系數為[2]

αm=(L2-L1)/[L0(t2-t1)] ，(t1

(1)

式中：αm為金屬平均線膨脹系數，℃-1，常用10-6℃-1表示；L0為環境溫度t0下試樣的原始長度，mm；L1為溫度t1下的試樣長度，mm；L2為溫度t2下的試樣長度，mm。

1.2 試驗方案

軸承外圈結構如圖2所示。壓裝卡環處小外徑(21.25±0.005)mm，倒角最大值0.1 mm；卡環結構如圖3所示。卡環寬0.5+ 0.10mm，內徑21.22 mm，內徑倒角最大值0.1 mm，二者為過盈配合，過盈量最大值0.035 mm。軸承外圈沿斷口處軸向斷裂后，由于存在斷裂縫隙，所以兩者的實際過盈量會大于0.035 mm。壓裝過程中用縮緊后全包容的彈簧夾頭夾持待壓裝軸承外徑既可消除斷裂縫隙，又能保證薄壁軸承的變形量在所要求的公差內。

圖2 軸承外圈 圖3 卡環

卡環用自動控溫加熱平臺MTI3040加熱，使其在加熱狀態下周向和徑向尺寸變大，但由于卡環尺寸小，散熱快，裝卸不方便，故不能夠直接壓裝。現將其裝入一間隙配合的壓裝塊中，使卡環和壓裝塊一起加熱，這樣就能夠很方便地移動卡環并且保證卡環壓裝時的溫度。在壓裝過程中卡環和軸承的同軸度通過安裝在機床尾座心軸壓板上的兩個高精度偏心支承塊來調整，并且在壓裝過程中每壓裝10套軸承，需用調整規校對待壓裝軸承和卡環的同軸度，若出現誤差應及時調整高精度偏心支承塊，以保證兩者的同軸度；通過旋轉高精度機床尾座心軸的手輪，實現卡環和壓裝塊整體的軸向移動，完成卡環的壓裝。

根據軸承外圈小外徑和卡環內徑的最大過盈量，計算自動控溫加熱平臺MTI3040工作時的理論溫度值。

令(1)式中t1為環境溫度，則t1=t0，L1=L0，故(1)式可變為

αm=(L2-L1)/[L1(t2-t1)] ，(t1

(2)

則，t2=(L2-L1)/(αmL1)+t1；

(3)

式中：αm為不銹鋼9Cr18在147～187 ℃時的平均線膨脹系數[2]，αm=10.64×10-6℃-1；L1為室溫t1=20 ℃時卡環內徑周長，mm；L2為滿足壓裝要求時卡環內徑最大周長，mm；t2為卡環內徑最大周長時的溫度，℃。

因L1= 66.663 mm，L2= 66.772 mm，所以t2=174 ℃。滿足不銹鋼9Cr18平均線膨脹系數為10.64×10-6℃-1的溫度范圍147～187 ℃。所以自動控溫加熱平臺MTI3040工作時的理論溫度值為174 ℃。

2 試驗

2.1 壓裝前設備的安裝及粗調整

該壓裝試驗的壓裝結構簡圖如圖4所示。通過內六方螺栓把兩個偏心支承塊安裝在壓力板上，然后把壓力板小軸端安裝在C0620高精度機床尾座上，并鎖緊；選擇合適尺寸的彈簧夾頭，并調整彈簧夾頭的夾緊范圍，使在壓裝過程中彈簧夾頭對待壓裝軸承的周向壓緊力不至于破壞軸承的精度和使用性能；把壓裝塊放到安裝好的工裝上，并對偏心支承塊進行粗調整，使壓裝塊中心與機床彈簧夾頭中心基本重合。

1—彈簧夾頭；2—待壓裝軸承；3—卡環；4—壓裝塊；5—偏心支承塊；6—壓力板；7—機床尾座

2.2 偏心支承塊精調

把壓裝塊放到偏心支承塊上，并使壓裝塊分別與偏心支承塊和壓力板在徑向和軸向壓緊；把調整規裝入彈簧夾頭，使調整規和彈簧夾頭的徑向和內端面均接觸良好；旋轉機床尾座手輪使壓裝塊向調整規靠近，當彈簧夾頭中的調整規剛好裝入壓裝塊端面的環形槽中時(調整規在磨削加工過程中和壓裝塊上的環形槽配磨)，鎖緊偏心支承塊并退回壓力板，完成卡環壓裝前的精確調整。

2.3 卡環壓裝

卡環壓裝過程為：(1)用自動控溫加熱平臺MTI3040對卡環和壓裝塊整體進行加熱，根據試驗獲得的理論溫度值，將加熱器工作溫度設定為174 ℃；(2)把卡環裝入壓裝塊的環形槽中，并使卡環的外徑和端面與環形槽的內徑和端面配合良好，把裝好的壓裝塊和卡環一并放到自動控溫加熱平臺MTI3040上，加熱時間為90 s；(3)把待壓裝軸承裝入彈簧夾頭中，并使待壓裝軸承斷裂縫隙與彈簧夾頭的縫隙相重合，以實現對待壓裝軸承外圈盡可能多的包容，減小軸承的變形；(4)把加熱好的壓裝塊和卡環一并放入調整好的偏心塊上，快速旋轉機床尾座手輪，完成待壓裝軸承和卡環的壓裝。

3 試驗結果及分析

通過對256套合格軸承進行壓裝試驗，結果是：有241套軸承符合要求，徑向游隙為0.013～0.038 mm，內圈軸向跳動≤0.005 mm，外圈軸向跳動≤0.005 mm；13套軸承壓裝后一端面或者兩端面卡環出現毛刺和翻邊現象；2套軸承卡環未壓裝成功。對出現毛刺和翻邊現象的13套軸承進行二次壓裝后，有10套軸承能夠滿足要求。

分析壓裝過程中卡環出現毛刺、翻邊以及未壓裝成功的現象，主要原因如下：

(1)待壓裝軸承外徑和小外徑不同心，調整工裝時以外徑定位并且在壓裝過程中以外徑為基準進行校對；

(2)卡環壁厚較薄，不易加工，且加工后需進行多次修整，容易產生圓度、翹曲、壁厚差過大及內徑尺寸不統一的情況；

(3)待壓裝軸承小外徑倒角和卡環內徑倒角過小，未形成引導面，造成卡環壓偏而擠壓出毛刺或出現翻邊；

(4)待壓裝軸承小外徑圓度過大，壓裝時卡環軸向移動受阻，不易壓裝成功。

試驗結果表明，文中介紹的方法能夠快速、準確地把卡環壓裝到薄壁外圈斷裂軸承小外徑處，壓裝后的合格軸承在結構和使用性能上完全能夠滿足設計要求，壓裝合格率達98%以上。