薄壁軸承雙半實體保持架專用電鉚頭設計

李凌鑫，王玉良，師歌，蘇柏萬，楊浩亮

(洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039)

1 雙半實體保持架鉚接工藝

薄壁深溝球軸承雙半實體保持架鉚接工藝是軸承裝配過程中的關鍵工序，鉚接質量直接影響軸承的各項旋轉精度、動態質量甚至軸承的壽命。雙半實體保持架采用長鉚釘進行鉚接(圖1)，由于受保持架兜孔等分差及鉚釘孔傾斜度的影響，難以像鉚接沖壓保持架那樣采用一次成形的方法，將一套軸承中的鉚釘全部鉚完，而是使用電鉚的方法將鉚釘逐個鉚接。

軸承保持架電鉚模具通常由上、下鉚頭組成，其中上鉚頭為工作鉚頭，承受鉚接時的高溫和壓力；下鉚頭為支承鉚頭，要求導電良好。保持架電鉚原理為：下鉚頭安裝在工作臺上，上鉚頭安裝在電鉚機氣缸下的夾具內，上、下鉚頭位置對應；鉚接時鉚釘在上，上、下鉚頭對準單個鉚釘，通電后鉚釘上端加熱到一定溫度(達到塑性狀態或局部熔融狀態)，上鉚頭落下，利用電鉚頭上的球窩使鉚釘上端擠壓成形為鉚釘頭，鉚緊保持架。

1—鉚釘；2—保持架；3—外圈；4—內圈

由于薄壁軸承內、外圈之間的空間極小(如圖1所示尺寸a)，用普通的電鉚模具對其保持架進行電鉚存在諸多困難。

2 薄壁軸承專用電鉚頭設計

2.1 普通電鉚頭存在的問題

普通電鉚機上的鉚頭如圖2所示，球窩為主要工作面，對鉚釘施加壓力形成鉚釘頭，球窩由擋邊支承。由于薄壁軸承內、外圈之間距離小，而電鉚頭工作端必須能伸入其中且不與內、外圈接觸，即b小于a。如果電鉚過程中鉚頭接觸內、外圈會產生電火花，將對套圈造成電擊傷或出現黑皮。因此，普通電鉚頭若用于薄壁軸承的電鉚中，必須選用球窩外徑很小的鉚頭，而球窩直徑不能小于鉚釘頭直徑，這就造成球窩壁厚c很小(以61901軸承為例，c≤0.3 mm)。電鉚過程中發現，球窩外壁在電鉚機正常工作條件下迅速發紅變軟，當上鉚頭隨夾具下落后，球窩在壓力作用下容易發生變形而無法繼續使用，而更換電鉚頭需要對電鉚機進行重新定位調試，影響生產進度。

圖2 普通電鉚頭結構示意圖

2.2 薄壁軸承專用電鉚頭

針對薄壁軸承的結構特點，設計一種雙半實體保持架鉚接專用電鉚頭，如圖3所示。該電鉚頭與普通電鉚頭相比，保留了球窩，增加了一段扇形結構的擋邊，擋邊包括與保持架同心的2段圓弧，其中φd段圓弧比保持架內徑略大，φe段圓弧比保持架外徑略小。

該電鉚頭的強度顯著增加，受力面積和散熱面積增大，因此，球窩與φd和φe段圓弧之間的距離(圖3中g，f)可盡量減小，即該扇形擋邊可以在保證球窩尺寸的前提下盡量變窄。該結構有效降低了電鉚頭與套圈發生干涉的概率，可避免電鉚過程中的意外損傷，提高了電鉚質量。

圖3 專用電鉚頭示意圖

3 電鉚頭溫度場及應力分析

3.1 電鉚頭溫度場分析

電鉚頭所用材料為3Cr2W8，屬于低碳高合金鋼，具有一定的強度和硬度，同時又有良好的耐熱性和沖擊韌度，電鉚頭經淬火后極限耐熱溫度(材料硬度和沖擊韌度無明顯降低時可承受的最高溫度)可達到650 ℃[1]。鉚接過程中，假設電鉚頭本身不發熱，熱量全部來源于電流通過鉚釘產生的電阻熱，電鉚頭與周圍環境(空氣)存在對流換熱。把電流通過鉚釘產生的電阻熱作為熱源，利用有限元分析方法建立電鉚頭傳熱模型，對電鉚頭進行穩態溫度場分析。

以61901軸承所用電鉚頭為例，假設熱源為電鉚頭的極限耐熱溫度650 ℃，將其加載到電鉚頭球窩弧面；將電鉚頭其余面作為對流換熱面與周圍環境進行對流換熱，得到普通電鉚頭穩態傳熱計算結果如圖4所示。以同樣的熱源加載到薄壁軸承專用電鉚頭球窩弧面上，得到穩態溫度分布如圖5所示。

圖4 普通電鉚頭穩態溫度分布云圖

圖5 薄壁軸承專用電鉚頭穩態溫度分布云圖

由圖4可知，普通電鉚頭在鉚釘電阻熱傳導下，整個球窩及電鉚頭小端前半段溫度均達到了材料耐熱極限650 ℃。而由圖5可知，專用電鉚頭僅球窩附近0.2 mm范圍內溫度達到了650 ℃，整個電鉚頭前端溫度較圖4明顯降低。這是因為薄壁軸承專用電鉚頭改變了鉚頭前端結構，大幅增加了對流換熱面積。

3.2 電鉚頭應力分析

電鉚機加熱鉚釘后，電鉚頭隨夾具下落，其工作壓力為0.1 MPa，將壓力沿電鉚頭軸線方向加載到球窩弧面上，在電鉚頭非工作端添加固定約束。經過計算，2種電鉚頭的應力分布如圖6、圖7所示。由圖可以看出，普通電鉚頭球窩內部及周圍應力集中很嚴重，最大應力出現在球窩中心區域；專用電鉚頭應力集中現象明顯減輕，最大應力出現在球窩外壁最窄處。

圖6 普通電鉚頭應力分布

圖7 專用電鉚頭應力分布

通過以上對比分析發現，薄壁軸承專用電鉚頭大大提高了強度，減少了球窩附近的應力集中，同時散熱效果明顯改善。

4 電鉚頭加工方法

薄壁軸承雙半實體保持架專用電鉚頭前端包含2段圓弧面，要求其與保持架內、外徑同心，且尺寸精度很高。由于圓弧面沒有形成完整的回轉體，對其進行加工和測量都存在一定的難度。

針對電鉚頭的特殊結構，設計一套專用的加工裝置，如圖8所示。其采用一個圓形底座，底座端面上定位圓周向均布4個安裝孔，孔徑與電鉚頭后端圓柱面成間隙配合，定位圓直徑等于保持架內、外徑的平均值。底座圓柱面上有均布的4個通孔與4個安裝孔相通。在電鉚頭圓柱面上加工一個定位螺釘孔，加工電鉚頭前端圓弧面時將4個電鉚頭插入圓盤上的安裝孔，旋轉電鉚頭使螺釘孔與圓盤上的通孔對應，擰入緊固螺釘將4個電鉚頭固定。將整個底座圓盤裝在機床夾具上按整圓的加工方法加工φd和φe段圓弧。此方法一次可以同時加工4個電鉚頭或更多(需要圓盤上有更多成中心對稱的孔)，且便于測量(2個對稱電鉚頭在同一直徑上，可按整圓測量內、外徑尺寸)，便于控制2段圓弧的尺寸及同心度。

圖8 鉚頭加工底座示意圖

5 應用效果

采用薄壁軸承雙半實體保持架專用電鉚頭對61901軸承進行電鉚試驗，采用此電鉚頭逐個鉚接一批次軸承的全部鉚釘，所形成的鉚釘頭質量良好，形狀統一，軸承內、外圈無電火花燒傷現象，外觀檢驗全部合格，且電鉚頭完好，球窩未發生變形。

試驗證明，該薄壁軸承專用電鉚頭結構簡單，經久耐用，有效避免了軸承電鉚過程中的電火花燒傷現象；提高了電鉚頭的強度，增強了電鉚頭的散熱能力，降低了工作溫度，延長了電鉚頭工作壽命；保持架裝配效率大幅提高，工人勞動強度降低，且不再輕易更換電鉚頭，節約了生產成本。