圓錐滾子軸承內圈大擋邊角度測量裝置

張磊，張曉鵬

(1.新昌金濤軸承有限公司， 浙江 紹興 312500； 2.國家軸承質量監督檢驗中心，河南 洛陽 471039)

圓錐滾子軸承內圈大擋邊作為滾子的軸向支承基面，承受一定的軸向載荷，其角度偏差關系到滾子組受力狀況，對軸承的使用壽命有很大的影響。目前,軸承行業較為普遍的擋邊角度檢測方法為樣板光隙法或滾子著色法，此類方法操作簡單，但可靠性差，人為因素導致的誤差大，測量結果難以量化。若采用輪廓儀、三坐標測量儀等精密測量設備，雖然可以得到準確的測量結果，但測量效率低，對測量環境要求高，難以在生產現場推廣使用。為此研發了圓錐滾子軸承內圈大擋邊角度對比測量裝置。

1 測量原理

測量裝置的基本工作原理為：使用角度標準件與產品進行對比測量，通過測量圓錐滾子軸承擋邊錐面不同截面上2點到套圈大端面的高度差變化量來間接測量擋邊角度的偏差，測量原理如圖1所示。

圖1 測量原理

圖1中，固定測頭與活動測頭均安裝在活動懸架上，由于軸承套圈擋邊很窄，無法在同側放置2個測頭，所以將2個測頭分別放置在擋邊錐面中心線的兩側，兩者到中心線的距離不同，差值為d，可稱其為測頭偏心量。2個測頭均可以隨活動懸架的上、下移動實現同步移動，活動測頭上安裝有儀表，用來顯示兩測頭高度差的變化量。

(1)

(2)

用ΔHλ表示因擋邊角度偏差導致的兩測頭高度差變化量，則

(3)

令Δλ=λ′-λ，其表示被測套圈的擋邊角度偏差，實際生產控制中Δλ越小越好。

該測量方案規定：(1)角度偏差測量范圍為|Δλ|≤30′；(2)測量擋邊角度λ≤15°的向心推力圓錐滾子軸承；(3)使用刻度值為0.001 mm的測量儀表。

基于以上3個條件，當λ≤15°，|Δλ|≤30′時，將取值精度精確到0.001，通過極限值計算得到(3)式的簡化關系式為

ΔHλ=dtan Δλ。

(4)

(4)式是該測量裝置的理論基礎，通過測量兩測頭高度差變化量ΔHλ，就可以間接控制擋邊角度偏差Δλ。從(4)式可以看出，擋邊角度偏差引起的兩測頭高度差變化量ΔHλ與擋邊角度偏差Δλ的正切值成正比關系，比例系數d即測頭偏心量，也可以稱其為測量結果放大系數。則由(4)式可計算出擋邊角度定量判定的標準，見表1。測量時可根據放大倍數和擋邊角度控制要求進行查表，與被測產品型號或尺寸無關。

表1 定量控制標準 mm

放大倍數d根據測量精度要求選取，通常條件下建議取d=2，即將活動測頭與固定測頭的偏心量調整為2 mm。如果希望提高測量精度，可以選取更大的放大倍數。標準件擋邊角度的計算和標定也是同樣道理，但要注意測量時選取的放大倍數要與標準件標定時一致。

2 測量裝置設計

依據圖1的測量原理，自行設計的圓錐滾子軸承內圈擋邊角度測量儀如圖2所示。底座測量平臺上安裝有表座立柱和工件徑向定位塊，固定測頭和活動測頭分別通過固定測頭夾和活動測頭夾安裝在活動測量懸架上，共同構成活動測量系統，并可在拉桿的作用下繞懸架旋轉軸旋轉，以實現固定測頭和活動測頭的同步移動。千分表用來顯示測量結果。

1—底座測量平臺；2—工件徑向定位塊；3—固定測頭；4—固定測頭夾；5—活動測量懸架；6—懸架旋轉軸；7—表座立柱；8—千分表；9—活動測頭夾；10—活動測頭；11—被測套圈

測量時，先將擋邊角度標準件放在底座測量平臺上，然后調整定位塊進行徑向定位，徑向定位面取決于產品的加工工藝，可以選擇磨削過的內圈外徑，也可以選擇滾道。通過調整活動測量懸架上固定測頭夾和活動測頭夾的水平位置來選取不同的放大倍數d，以滿足不同產品直徑大小的需要；而通過調整固定測頭夾和活動測頭夾中測頭的高低則可以滿足不同型號產品高度的需要。最后將活動測頭上安裝的千分表示值調零，通過拉桿旋起活動測量懸架，放入待測套圈，開始測量工作。

測量中需將套圈旋轉一周以上，分別記錄最大值和最小值，兩者的平均值(示值中值)即為角度偏差量引起的測頭高度差變化量，當Δλ為負時，即被測套圈擋邊角度小于標準角度時，示值中值為下偏差，反之則為上偏差。將測量值與表1中查得的標準值進行對比，若測量值在標準值范圍內即判斷產品合格，反之則不合格。

3 測量結果分析

上述測量儀操作簡單，測量效率高，但是擋邊高度平行差將會嚴重影響測量結果。

擋邊高度平行差導致了擋邊錐面兩側的高度不嚴格對稱。也就是說，因為擋邊高度平行差的存在，千分表中顯示的測量結果包含有擋邊兩側高度不一致產生的高度差變化量，需對此變化量進行識別和剔除，以提高測量結果的準確性。

如圖3所示，直線AF和直線A′F′同為角度標準件錐面上的素線，與套圈端面的夾角為λ，分別位于標準件對稱位置的兩側。直線GL是被測工件左側錐面上的一條素線，與套圈端面的夾角值為λ′，其高度與標準件高度偏差為e1。K′M′是被測工件右側錐面上的一條素線，與套圈端面的夾角為λ′,其高度與標準件高度偏差為e2，直線KM是直線K′M′在左側對稱位置的影像。

圖3 擋邊平行差對測量結果的影響

(5)

(6)

若用ΔH表示測量工件時兩測頭高度差變化量，則

dtanλ=d(tanλ′-tanλ)+(e2-e1)。

(7)

令Δe=e2-e1，其表示因套圈擋邊高度平行差的存在導致擋邊兩側產生的高度差。將(4)式代入(7)式，可以得到

ΔH=dtan Δλ+Δe，

(8)

當被測套圈放在測量平臺上時，Δe是隨機變化的，最大值即為擋邊高度平行差Sif，最小值則是-Sif。也就是說，將被測套圈放在測量平臺上旋轉一周以上，千分表顯示偏差值存在最大值ΔHmax和最小值ΔHmin，即

ΔHmax=dtan Δλ+Sif；

(9)

ΔHmin=dtan Δλ-Sif。

(10)

示值變動量為

ΔHmax-ΔHmin=2Sif；

(11)

示值中值為

(12)

從上述計算結果可以看出，將被測套圈旋轉一周以上，其示值變動量為2倍的擋邊高度平行差，示值中值正是擋邊角度偏差導致的高度差變化量ΔHλ，故以示值中值為測量結果則可剔除擋邊高度平行差的影響。

4 實際應用

研發的圓錐滾子軸承擋邊角度對比測量儀已經在現場得到了使用，并取得了良好的效果。以某型號圓錐滾子軸承產品為例，使用該測量儀控制內圈擋邊磨工生產過程，調整測頭偏心量為1 mm，按±0.006 mm的檢驗標準對生產過程進行控制，經輪廓儀檢測，產品擋邊角度偏差均在±20′之內，達到了測量裝置開發的預期效果。該測量儀不但可以快速可靠地檢測擋邊角度，有利于軸承質量的提升，其檢測結果也為機床調整提供了量化參考，減少了生產輔助時間，對綜合生產效益的提高有著很好的現實意義。