影響調心滾子軸承合套率的因素分析

趙景周

(洛陽LYC軸承有限公司 大型軸承廠，河南 洛陽 471039)

符號說明

ae——外圈滾道位置，mm

ai——內圈滾道位置，mm

B——內圈寬度，mm

C——外圈寬度，mm

d——軸承內徑，mm

di——內滾道對角線尺寸，mm

D——軸承外徑，mm

Dw——滾子直徑，mm

E——外滾道直徑，mm

F——內滾道直徑，mm

Gr——徑向游隙，mm

re——外圈滾道曲率，mm

ri——內圈滾道曲率，mm

rw——滾子曲率，mm

VDex——外滾道球面度，mm

α——軸承接觸角，(°)

1 存在問題

調心滾子軸承的裝配要保證其合格的徑向游隙和靈活的調心性能，裝配合套率低是大型調心滾子軸承生產加工中出現的主要問題。現行的調心滾子軸承生產中，一次性的裝配合套率在70%左右，裝配合套率低主要表現在：產品零件的理論訂制公差和實際的裝配公差不符，出現較大的偏差，不能使零件順利裝配成合格的產品。由于產品零件的返修率較高，需要反復修配，影響了產品的外觀質量，甚至把產品零件修廢，同時也降低了生產效率，使生產計劃無法保證，為了解決這些問題，進行了大量的跟蹤分析和研究。

2 原因分析

2.1 產品設計尺寸的幾何關系

調心滾子軸承結構如圖1所示。按合套原理，產品設計的合套零件間的相關幾何尺寸關系為E=di+2Dw+Gr，合套零件間的曲率關系為re=ri，rw=0.98re。調心滾子軸承合套過程是用外圈滾道直徑E、內圈滾道對角線尺寸di和滾子直徑Dw的組合來保證成品軸承的徑向游隙Gr，即Gr=E-di-2Dw。

圖1 調心滾子軸承結構示意圖

在這些相關配合尺寸中，在一定的公差尺寸和相應的形位公差內，不論如何改變其中的組成尺寸，只要使上述的等式關系成立且游隙符合現行的國家標準，軸承的合套率應當是很高的。但在實際生產中，由于個別零件相關尺寸測量的可操作性差和加工中產生的形狀及位置誤差偏大，致使產品裝配后游隙的合格率較低。

2.2 加工工藝和尺寸測量分析

2.2.1 外圈

外圈結構如圖2所示。外圈對產品游隙有影響作用的是外滾道直徑E。理想狀態下外滾道的輪廓形狀為球面，過球心的弦處處相等。采用內徑調心機測量外滾道球面直徑時，外圈寬度C對外滾道直徑沒有影響。但實際生產中一般采用D924儀器測量外滾道直徑，寬度對外滾道直徑會有一定的影響。因理論測量的外滾道直徑是外滾道位置點ae處的滾道尺寸，也是外圈滾道的最大尺寸，而ae=0.5C即位置點是外圈寬度中點，故外滾道的位置點是外圈寬度的中點，外滾道直徑是外圈高度中點的滾道尺寸。此時，由于外圈的寬度偏差，測點是外滾道的位置點，但實際測量的點并非是外圈的位置點，而是偏離位置點的滾道尺寸。這就導致了滾道直徑的測量誤差，影響到產品的游隙。

圖2 外圈結構示意圖

實際生產中，外滾道一般采用粗磨和精磨2道工序進行加工。粗磨一般采用切入磨方法，即把磨具(砂輪)修整成和產品曲率相同的弧面進行磨削，以獲得外滾道尺寸和相應的滾道曲率；也有使用擺頭磨進行磨削加工的。精磨一般采用范成法，范成法是用筒狀砂輪的端面進行磨削。筒狀砂輪工作中，內、外徑的圓周速度不一樣，砂輪的組織也比較疏松，砂輪的磨損不同，加工出的球面滾道容易出現曲率半徑小的現象。當滾道出現非球面輪廓形狀時，將影響理論合套公差，如圖3所示。

圖3 外圈滾道曲率變化對裝配游隙的影響示意圖

2.2.2 內圈

如圖4所示，內圈對產品游隙有影響作用的是內滾道對角線尺寸di。由于內滾道的輪廓形狀是雙列對稱球面，對di現階段還沒有十分理想的檢測儀器。目前采用的方法是，分別檢測兩滾道接觸點的位置直徑尺寸F間接地控制與測量di。di和F的關系為

圖4 內圈結構示意圖

F=dicosα。

這種測量方法本身就存在尺寸換算誤差。實際生產中，由于位置點的滾道直徑受位置點的寬度尺寸誤差影響很大，所以一定要準確確定滾道直徑的位置點。此外，由于現行的測量方法是翻面測量，零件的寬度公差會累積到兩滾道的中心距中，同樣也影響到產品的游隙(圖5)。另外，滾道的曲率位置及曲率大小也會影響到產品的游隙(圖6)，故要嚴控產品的寬度偏差和滾道測量位置點的寬度偏差。磨削加工按現行的機床設備一般都是雙滾道切入磨，但也有仍使用擺頭磨進行單滾道磨削加工(特大型調心球面軸承內圈)。不論使用什么設備，要保證滾道直徑和滾道位置，必需首先保證零件的寬度公差，其次要保證滾道直徑測量的位置點準確和滾道曲率位置和曲率大小符合要求。

圖5 內圈寬度變化對產品的游隙影響示意圖

圖6 內圈曲率位置變化對游隙的影響示意圖

2.2.3 球面滾子

球面滾子結構如圖7所示，滾子位置點直徑尺寸為滾子的最大直徑，即滾子的名義尺寸。滾子的對稱度(位置誤差)對產品的徑向游隙有影響，滾子尺寸的測量精度和滾子組的散差對成品游隙也有影響。

圖7 球面滾子結構示意圖

3 解決措施

針對上述分析，進行多次的工藝試驗并跟蹤記錄多批次的調心滾子軸承生產加工和裝配過程，以驗證上述分析的準確性。表1、表2分別為23222C(Φ200 mm×Φ110 mm×69.8 mm)和22230C(Φ270 mm×Φ150 mm×73 mm)的工藝試驗記錄。從中可以看出，通過對相關的技術要求改進后，合套合格率較改進前提高了20%以上。

表1 改進前、后23222C的技術要求及合套合格率

表2 改進前、后22230C的技術要求及合套合格率

通過分析認為，解決調心滾子軸承合套率低的問題應采取以下措施：(1)磨削加工時嚴格控制產品的寬度尺寸公差，為滾道的磨削加工創造條件；(2)磨削加工時嚴格控制內滾道的位置誤差和內、外滾道的曲率偏差；(3)提高內滾道和外滾道的測量精度和內、外圈滾道的幾何精度；(4)應考慮內滾道尺寸測量轉換產生的測量誤差；(5)控制滾子位置誤差和滾子組散差；(6)考慮材料的工藝特性。

4 結束語

影響調心滾子軸承合套游隙的主要因素依次為：內圈和外圈的寬度誤差、內滾道曲率的位置誤差、外滾道曲率誤差、滾子的位置誤差和零件的相關尺寸測量誤差。通過采取相應措施，使調心滾子軸承的合套合格率大幅度提高，取得了良好的經濟效益。