圓柱滾子軸承保持架鎖爪變形控制分析

趙燕，李迎麗，王喆，杜杰

(中航工業哈爾濱軸承有限公司，哈爾濱 150000)

圓柱滾子軸承銅合金實體保持架結構緊湊、強度高，運轉性能及抗沖擊能力均優于鋼制組合式保持架，是高速、高溫等高性能軸承常采用的結構。保持架結構設計中，為了將滾子裝入保持架和套圈(內圈或外圈)后，使三者形成不可分離的組件，避免成品軸承發生散套，通常在保持架的外徑面或內徑面部位設計有鎖爪，起到鎖住滾子的作用。

在軸承的運轉過程中，鎖爪部位并不參與軸承的工作，但如果該部位的加工尺寸、形狀控制不當將會影響軸承的正常工作，嚴重時可能會導致保持架斷裂故障的發生。

1 鎖爪的形成過程

目前，國內軸承生產廠家多通過凸模沖壓變形的方式加工保持架鎖爪，這種加工方式稱為劈爪。在劈爪前需形成預劈爪，即使用銑刀將前工序預留的鎖爪位置的中部材料去除(圖1)，改善其結構塑性。預劈爪后再進行劈爪，通過凸模對鎖爪施加力使鎖爪頂部分別向兩側產生少量的塑性變形，同時產生一定的加工硬化，增加局部強度，鎖住滾子(圖2、圖3)。保持架材料的組織、塑性性能以及鎖爪加工方式對鎖爪變形及變形后的強度有重要影響。

圖1 預劈爪前、后鎖爪形狀示意圖

圖2 凸模沖壓鎖爪變形示意圖

圖3 劈爪后的鎖爪形貌

采用該方式加工的鎖爪，要求滾子不得從鎖爪位置掉出，滾子裝入保持架后，應能隨保持架裝入內圈或外圈，在鎖點和滾道的共同限制下，使保持架、滾子和套圈三者形成組件；軸承裝配完成后，受內、外滾道位置的限制，滾子與鎖爪之間有一定的間隙，不會產生接觸，對軸承的運轉無影響。滾子在內、外滾道的限制下與鎖爪的位置關系如圖4所示。

圖4 軸承裝配后滾子與鎖爪位置示意圖

2 出現的問題

2.1 鎖爪斷裂或裂紋

某型圓柱滾子軸承外形尺寸為φ24 mm×φ37 mm×9 mm，鎖爪位于保持架外徑面，單耳結構。軸承轉速為39 800 r/min，徑向載荷為400 N，屬于高速輕載運轉。該軸承使用過程中陸續發生了保持架鎖爪斷裂故障，斷裂的鎖爪均位于兜孔的同一側，且斷裂部位均為鎖爪頂端，形貌如圖5所示。

(a)兜孔同一側鎖爪斷裂

將故障軸承放平觀察，發現鎖爪存在不對稱現象，一側鎖爪變形過大，頂端已與滾子有明顯接觸，且尚未斷裂的鎖爪已出現裂紋(圖6、圖7)。對同批次庫存新軸承進行復查，發現個別軸承也存在鎖爪變形過大,與滾子有明顯接觸的現象。

圖7 鎖爪頂部產生裂紋

通過分析確認故障的產生與鎖爪加工質量有關，若尺寸和形狀控制不當，一側鎖爪變形過大與滾子產生接觸，軸承高速運轉過程中，鎖爪在滾子的不斷碰撞沖擊下會發生斷裂。

除了單耳結構鎖爪的斷裂問題外，在雙耳結構的鎖爪中還曾發現鎖爪的根部存在裂紋的現象(圖8、圖9)。

圖8 雙耳結構鎖爪形貌

圖9 鎖爪根部裂紋

2.2 異常接觸痕跡

除斷裂和裂紋問題外，鎖爪加工質量控制不當還會導致保持架兜孔出現異常接觸痕跡。正常情況下，滾子與保持架橫梁的接觸痕跡如圖10所示，是具有一定寬度的直線狀接觸形貌。異常情況下，如某型圓柱滾子軸承在工作5 h后檢查，即發現保持架同一兜孔中，一側橫梁呈兩點接觸痕跡，另一側橫梁呈一點接觸痕跡(圖11)。

圖10 保持架兜孔正常接觸痕跡示意圖

圖11 保持架兜孔異常接觸痕跡示意圖

通過輪廓儀沿軸向檢測兩側橫梁，結果表明兩側橫梁表面有明顯的凸、凹區域，凸點分別與兩側橫梁的兩點和一點接觸痕跡位置相對應。

經后期分析確認，該異常接觸痕跡的形成，是因為劈爪時凸模進入鎖爪過深，使鎖爪根部變形從而帶動橫梁也隨之發生變形，形成凸凹點，工作過程中滾子與橫梁凸點接觸，出現異常接觸痕跡。

3 原因分析

通過對保持架鎖爪加工過程的排查和分析，確認上述保持架鎖爪裂紋、斷裂或兜孔異常接觸現象的產生與材料性能因素無關，而均與劈爪加工過程中預劈爪加工控制不當、凸模角度選用不合理及凸模行程無限位等因素有關。

3.1 預劈爪位置控制不當

通過銑刀形成預劈爪過程中，銑刀未與鎖爪中心線重合，出現偏離，導致兩側鎖爪厚度有明顯的差異，使在后續裝配劈爪中兩側鎖爪變形不一致，較薄的一側變形過大與滾子產生接觸，在工作過程中滾子與鎖點發生碰撞，產生裂紋或斷裂。

3.2 凸模角度選用不合理

通常保持架預劈爪后，爪間夾角一般為45°～50°，而保持架裝配劈爪的凸模夾角為120°，兩者間的角度差為70°～75°，過大的角度差一方面使劈爪變形跨度過大、變形過快使脆性材質易出現裂紋，另一方面也容易導致劈爪與凸模尖角對中時凸模中心出現偏移，而使兩側劈爪變形不一致，出現不對稱現象(圖12)。

圖12 鎖爪沖壓異常變形

3.3 劈爪時施力不均，凸模受力不一致

劈爪加工是操作者憑借經驗通過手動錘對凸模施加力，使鎖爪頂部向兩側張開產生一定的變形鎖住滾子，工裝如圖13所示。鎖爪的變形應不影響軸承的裝配，對軸承的運轉不產生干涉，但在劈爪過程中若操作者施力過大，凸模完全進入鎖爪與鎖爪根部接觸，在沖擊力的作用下，導致鎖爪根部發生變形，從而帶動兜孔橫梁區域也隨之發生變形，出現凸凹不平現象，使橫梁產生異常接觸痕跡。

圖13 保持架裝配劈爪工裝及凸模形貌

4 解決措施

1)在預劈爪時，對銑刀與鎖爪中心的一致性進行控制，確保兩側鎖爪位置的對稱性和厚度的一致性。

2)減小凸模夾角，將凸模夾角由120°降低到90°，對鎖爪較厚的保持架還可分別采用70°和90°夾角的凸模進行二次劈爪，以避免鎖爪變形過大產生裂紋或對滾子運轉產生干涉。

3)將手動敲擊凸模進行劈爪的方式改為固定模具氣動方式對凸模施加力，確保施力大小的一致性，以控制凸模的行程，避免施力過大使鎖爪根部出現變形，同時也可保證鎖點加工質量的一致性。

4)劈爪后對鎖爪的夾角θ及厚度S1，S2進行檢測，要求S1，S2兩者的厚度差不大于0.1 mm，檢測部位如圖14所示；同時還要求通過熒光磁粉滲透的方式檢查鎖爪裂紋缺陷。

圖14 鎖爪的厚度及夾角

5 結束語

通過以上改進措施,因鎖爪加工質量控制不當導致的鎖爪斷裂、裂紋或異常接觸痕跡等問題得到有效解決，未再發生同類問題，有效保證了鎖爪的加工質量。現已將上述措施應用于多個型號圓柱滾子軸承類似結構的保持架鎖爪加工工藝控制過程中，效果顯著，可為類似結構保持架鎖爪的加工提供借鑒。