一種帶油溝的四點接觸球轉盤軸承溝坐標計算方法

張亞平，李建東，王高峰，徐振宇，劉陽

(1.洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039;2.洛陽LYC軸承有限公司 特大型軸承事業部，河南 洛陽 471039)

1 現狀

采用數控機床加工四點接觸球轉盤軸承溝道時，若要加工一段圓弧，需已知起點坐標、終點坐標以及圓弧半徑。工藝編制過程中，通常工藝編制人員根據產品加工余量，按1∶1比例畫圖并測量一段圓弧的起點、終點坐標。由于存在加工余量、人為測量誤差和作圖誤差等因素，易使測量結果出現偏差，嚴重影響溝道形狀。坐標點錯誤時影響溝道形狀的2種情況為：溝道接觸點開口尺寸L發生改變(圖1)，變寬(L1)或者變窄(L2)；接觸點開口尺寸L不變(圖2)，但上、下溝道出現不對稱現象，這2種情況均會使軸承處于卡死狀態。為了正確給出坐標點，下文介紹一種四點接觸球轉盤軸承溝坐標的計算方法，并在Excel中完成計算且通過實例進行驗證。

1，2—實際加工溝道形狀；3—理想溝道形狀

圖2 接觸點非對稱示意圖

2 計算過程

2.1 基本思路

四點接觸球轉盤軸承溝道如圖3所示，圖中a為油溝底部到溝道底部的距離；b為油溝圓半徑；r為鋼球半徑。在工藝編制過程中，需知坐標點(xa,ya)，(xb,yb)，(xc,yc)才能加工溝道形狀。假設鋼球圓心O(0,0)為坐標原點，上溝道圓心坐標為O1(c,-c)，油溝圓心坐標為O2(p,0)。坐標點(xa,ya)是圓O2與圓O1的交點，可通過聯立兩圓方程進行求解；坐標點(xb,yb)為圓O1與x軸交點；點(xc,yc)與點(xa,ya)關于x軸對稱。

圖3 溝道形狀細節圖

2.2 建立方程

鋼球圓方程為

x2+y2=r2。

(1)

四點接觸球軸承的上溝道半徑為

ri=2fir，

(2)

式中：fi為溝曲率系數，可以根據實際情況選取。

故坐標點(c,-c)中

(3)

由圖3所示關系可得圓心O2的橫坐標

p=-(40.81c+a-b)。

(4)

因此，圓O1和圓O2的方程分別為

(x-c)2+(y+c)2=1 748.939c2，

(5)

(x-p)2+y2=b2，

(6)

聯立(5)式和(6)式可得

[1+(c-p)/c2]x2+[(c-p)(1 746.939c2+

p2-b2)/c2-2p]x+{p2-b2+[(1 746.939c2+

p2-b2)/(2c)]2}=0，

(7)

由(4)式和(7)式求出x值，根據圖3所示關系取xa=-|x|min，將其代入(6)式中求出ya。由于坐標點(xb,yb)為圓O1與x軸交點，因此yb=0，將其代入(5)式即可求得xb。

2.3 輸出計算結果

已知參數a，b，r，即可在Excel中求出圖3所示的坐標點。假設(6)式中關于x的二次項、一次項和常數項分別為A，B，C，根據一元二次方程求根公式在Excel中即可求得xa，同理也可求出ya和xb。

3 坐標轉換

數控車坐標示意圖如圖4所示。在溝道工藝加工過程中，已知坐標點(xa,ya)，(xb,yb)，(xc,yc)，溝位置h以及上、下溝道開口距對刀點位置n和m即可加工出此溝道形狀。(1)，(5)和(6)式均以鋼球中心為坐標原點建立方程，故點(xa,ya)，(xb,yb)，(xc,yc)均是相對于鋼球中心的坐標;而加工溝道時，非基面上的對刀點為坐標原點(0,0)，因此要對點(xa,ya)，(xb,yb)，(xc,yc)進行坐標轉換，變為以對刀點為坐標原點的坐標(x′a，y′a)，(x′b,y′b)，(x′c，y′c)。

x′a=xa+ε+Δ，

(8)

y′a=-(h+ya) ，

(9)

x′b=yb+ε+Δ，

(10)

y′b=-h，

(11)

式中：ε為回轉中心到溝道擋邊的距離(在回轉中心左側取“+”，右側取“-”)；Δ為精加工前后溝道尺寸參數徑向單邊余量。

由對稱關系可得

x′c=x′a，

(12)

y′c=-h-y′a。

(13)

粗車溝道時，上溝道圓以鋼球為坐標原點的方程為

(x-c-Δ)2+(y+c)2=1 748.939c2,

(14)

此時軸承擋邊方程為

x=-ε,

(15)

聯立(14)式和(15)式可得

(16)

由圖4所示關系可得

n=h-y，

(17)

m=h+y。

(18)

圖4 數控車坐標示意圖

4 實例驗證

某四點接觸球轉盤軸承在編制工藝時各個參數的測量值如圖5所示。已知Dw=2r=22.225 mm；a=2.4 mm;b=4 mm;h=25.5 mm;ε=1 mm;Δ=0.4 mm。將其輸入Excel中，得到的計算值見表1。由于在加工中需檢驗的溝尺寸均為自由公差，允許計算值相對于測量值存在1/1 000的誤差，由表可知，計算值與測量值的結果一致。

圖5 某軸承外圈數控粗車坐標測量值

表1 計算值與測量值的對比 mm

該方法同樣適用于單排四點接觸球轉盤軸承的內圈坐標計算，由于坐標系方向的原因，在計算內圈坐標時x′a，x′b，x′c均取其相反值。此外，該方法也適用于精車溝道的工藝編制，此時Δ取0。

5 結束語

此溝坐標計算方法適用于數控車溝道工藝編制和校對。采用此方法縮短了工藝編制時間，提高了工作效率，降低了產品溝形誤差，使鋼球與軸承更好地接觸。正確給出溝坐標可有效降低軸承的啟動摩擦力矩，保證軸承質量及其使用要求。