角接觸球軸承鎖口高度工藝分析

張曉楊，張振強(qiáng)，張彥合

（1.洛陽(yáng)LYC軸承有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039；2.航空精密軸承國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽(yáng) 471039；3.洛陽(yáng)軸承研究所有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039）

鎖口是角接觸球軸承的重要特征，合理的鎖口高度設(shè)計(jì)是保證軸承質(zhì)量的關(guān)鍵，鎖口過(guò)高會(huì)導(dǎo)致軸承在熱壓合套過(guò)程中出現(xiàn)損傷，影響成品質(zhì)量（如旋轉(zhuǎn)精度、振動(dòng)等指標(biāo)），甚至造成軸承的早期失效；鎖口過(guò)低會(huì)導(dǎo)致軸承在運(yùn)輸和使用過(guò)程中發(fā)生散套，同樣影響軸承的正常使用。根據(jù)需要，鎖口可以設(shè)置在內(nèi)圈或外圈上，由于鎖口的存在，角接觸球軸承內(nèi)部可以裝入比深溝球軸承更多的球，故角接觸球軸承通常承載能力更高。有關(guān)鎖口設(shè)計(jì)已經(jīng)有相關(guān)研究[1-3]，但對(duì)于其加工過(guò)程鮮有介紹，因此，從軸承內(nèi)圈鎖口的實(shí)際加工過(guò)程出發(fā)，分析相關(guān)工藝對(duì)軸承鎖口高度的影響。

1 加工工藝分析

由角接觸球軸承套圈結(jié)構(gòu)特征及鎖口形成機(jī)理可知，影響鎖口形成的加工工序?yàn)闇系滥ハ鳎▓D1a）和斜坡磨削（圖1b）。

圖1 磨削加工示意圖Fig.1 Diagram of grinding

溝道磨削時(shí)砂輪的運(yùn)動(dòng)分為繞砂輪軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和徑向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。繞砂輪軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是去除套圈中多余材料的重要運(yùn)動(dòng)，雖然該運(yùn)動(dòng)促進(jìn)了鎖口的形成，但并不是影響鎖口高度形成的關(guān)鍵因素；而砂輪的軸向進(jìn)給量和徑向進(jìn)給量才是影響套圈鎖口高度的關(guān)鍵因素，故此2種運(yùn)動(dòng)是保證軸承鎖口加工符合設(shè)計(jì)要求的關(guān)鍵。

斜坡磨削時(shí)套圈旋轉(zhuǎn)軸線與砂輪旋轉(zhuǎn)軸線存在夾角β，該角度等于套圈磨削后的斜坡角度，由圖可知，砂輪在磨削過(guò)程中的徑向進(jìn)給量同樣會(huì)引起軸承鎖口高度的變化。

2 溝道磨削工序影響

溝道加工與鎖口高度關(guān)系如圖2所示。由圖可知，在初始狀態(tài)下，軸承內(nèi)圈鎖口高度為t1，內(nèi)圈溝曲率半徑為Ri1，以此狀態(tài)下的溝曲率中心O為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立如圖所示直角坐標(biāo)系，在溝道磨削過(guò)程中，砂輪產(chǎn)生軸向位移a和徑向位移b，內(nèi)圈溝曲率中心移至O′，溝曲率半徑變?yōu)镽i2，此時(shí)軸承內(nèi)圈鎖口高度為t2。

圖2 溝道加工與鎖口高度關(guān)系圖Fig.2 Relationship between grinding and counterbore height

根據(jù)圖示，斜坡所在直線AB的斜率k為

式中：β為斜坡角。

磨削后，內(nèi)圈溝道截面所在圓O′的方程為

聯(lián)立 （2），（3）式，求得 C點(diǎn)坐標(biāo) （Xc，Yc），此時(shí)軸承內(nèi)圈鎖口高度t2為

以某角接觸球軸承為例，內(nèi)圈初始溝曲率半徑為4.17mm，初始鎖口高度為0.2 mm，當(dāng)砂輪僅發(fā)生徑向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，其他參數(shù)完全不變時(shí)，得到如圖3所示關(guān)系。由圖可知，砂輪徑向進(jìn)給量與鎖口高度增加量并不是1∶1的對(duì)應(yīng)關(guān)系，隨著徑向進(jìn)給量的增加，鎖口高度增加；在相同徑向進(jìn)給量下，具有3°斜坡軸承內(nèi)圈的鎖口高度增加量要大于具有30°斜坡軸承內(nèi)圈的鎖口高度增加量。

圖3 砂輪徑向進(jìn)給量與鎖口高度的關(guān)系Fig.3 Relationship between radial feed rate of grinding wheel and counterbore height

當(dāng)砂輪僅發(fā)生軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，其他參數(shù)完全不變時(shí)，得到如圖4所示關(guān)系。由圖可知，內(nèi)圈鎖口高度隨砂輪軸向進(jìn)給量的增加而增加，但是其對(duì)鎖口高度的影響要小于徑向進(jìn)給量對(duì)鎖口高的影響，并且在相同軸向進(jìn)給量下，具有3°斜坡軸承內(nèi)圈的鎖口高度增加量要小于具有30°斜坡軸承內(nèi)圈的鎖口高度增加量。

圖4 砂輪軸向進(jìn)給量與鎖口高度的關(guān)系Fig.4 Relationship between axial feed rate of grinding wheel and counterbore height

上述情況僅存在于溝道首次磨削時(shí)鎖口高度的對(duì)比，事實(shí)上，砂輪在二次磨削過(guò)程中不可能僅產(chǎn)生軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，必須配有徑向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，否則將影響溝道形狀，難以達(dá)到設(shè)計(jì)需求。如圖5所示，當(dāng)砂輪僅產(chǎn)生軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)時(shí)，溝道形狀將不再是一個(gè)圓弧，而是成為兩段圓弧，這在軸承加工過(guò)程中是絕對(duì)不能出現(xiàn)的。

圖5 砂輪軸向進(jìn)給磨削示意圖Fig.5 Diagram of axial feed grinding of grinding wheel

當(dāng)砂輪修形溝R大于設(shè)計(jì)要求時(shí)，假設(shè)套圈磨削后溝底直徑不變，得到如圖6所示關(guān)系。由圖可知，內(nèi)圈初始鎖口高不再為0.02 mm，而是隨著溝曲率半徑的增大而減小，且內(nèi)圈斜坡角度越大，磨削后的實(shí)際鎖口高度越低，但是整體而言，溝曲率半徑變化量對(duì)鎖口高度的影響較小，在實(shí)際生產(chǎn)中可以忽略不計(jì)。

圖6 溝曲率變化與鎖口高度的關(guān)系Fig.6 Relationship between variable groove curvature and counterbore height

3 斜坡磨削工序影響

斜坡加工與鎖口高度關(guān)系如圖7所示，由圖可知，在初始狀態(tài)下，軸承內(nèi)圈鎖口高度為t3，斜坡經(jīng)過(guò)磨削工序后，其位置由AB移至DE，此時(shí)砂輪徑向進(jìn)給量為h，鎖口高度為t4。在圖示直角坐標(biāo)系中，溝道截面所在圓的方程為

圖7 斜坡加工與鎖口高度關(guān)系圖Fig.7 Diagram of relationship between slope grinding and counterbore height

斜坡DE所在直線方程為

聯(lián)立（5），（6）式即可求得 D點(diǎn)坐標(biāo) （XD，YD），此時(shí)軸承內(nèi)圈鎖口高度t4為

同樣以上述軸承為例，在斜坡磨削工藝中，砂輪徑向進(jìn)給量與鎖口高度的關(guān)系如圖8所示。由圖可知，當(dāng)軸承斜坡角度大于零時(shí)，砂輪徑向進(jìn)給量與鎖口高的減少量非1∶1的對(duì)應(yīng)關(guān)系，且套圈斜坡角越小，砂輪徑向進(jìn)給量對(duì)鎖口高度的影響越大。

圖8 斜坡磨削量與鎖口高度的關(guān)系Fig.8 Relationship between slope grinding quantity and counterbore height

4 結(jié)論

1）角接觸球軸承中鎖口的形成是溝道磨削工序和斜坡磨削工序共同作用的結(jié)果，最終的鎖口高度與上述工序的磨削參數(shù)密切相關(guān)；

2）溝道磨削工序中，砂輪的徑向進(jìn)給會(huì)引起鎖口高度增加，軸承內(nèi)圈斜坡角越小，鎖口高度變化量越大；溝道的首次磨削工序中，砂輪的軸向偏移同樣會(huì)引起鎖口高度的變化，并且內(nèi)圈斜坡角度越大，鎖口高度變化量越大；在套圈溝底直徑不變情況下，溝曲率半徑的變化與鎖口高度的變化趨勢(shì)相反，但是相比而言，其變化量對(duì)鎖口高度的影響較小；

3）斜坡磨削工序中，砂輪的徑向進(jìn)給會(huì)引起鎖口高度減小，內(nèi)圈斜坡角度越小，鎖口高度變化量越大。