軸承卷邊防塵蓋壓裝質量改進

馬瑩，張軍，李江斌，曾莉

(1.洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039；2.河南省高性能軸承技術重點實驗室，河南 洛陽 471039；3.滾動軸承產業技術創新戰略聯盟，河南 洛陽 471039)

1 密封軸承裝配及存在問題

卷邊式防塵蓋作為密封軸承中一種常用的非接觸密封形式，由于其剛度高、裝配可靠性好等優點，得到了廣泛應用。

卷邊式防塵蓋裝配時，通常需要利用裝配模具(圖1)[1]。模具直徑d與軸承內徑間隙配合導入，起到定位軸承的作用；模具錐面角α在卷邊接觸位置產生徑向分力Fr和軸向分力Fa，在這2個力的共同作用下，防塵蓋卷邊實現卷曲和入槽。但在生產過程中，由于各種因素的影響，容易造成防塵蓋裝配后出現以下不合格現象：

圖1 防塵蓋壓裝過程示意圖Fig.1 Diagram of press assembly process for shield

1)軸承外徑變形過大，造成尺寸和精度超差；

2)防塵蓋松動，在外力作用下，防塵蓋與外圈之間產生相對轉動或掉落；

3) 防塵蓋表面高出軸承端面；

4) 防塵蓋表面內凹變形。

以62XX-2Z軸承防塵蓋壓裝質量為調查對象，檢測并統計該型號軸承某一批次200套軸承的壓裝質量，結果顯示72套產品不合格，一次壓裝合格率僅為64%。該軸承防塵蓋壓裝不合格項統計見表1。

表1 防塵蓋壓裝不合格項統計表Tab.1 Statistics on unqualified items of pressure assembly for shield

由表1可知，防塵蓋松動和防塵蓋表面凹陷的不合格數量和比例較高。為提高生產效率，縮短加工周期，壓裝時希望不通過分選防塵蓋和外圈防塵槽尺寸，就能達到完全互換性裝配或大數互換性裝配。為達到壓裝質量和生產周期均最優的結果，從人、機、料等方面分析影響防塵蓋壓裝質量的末端因素，繪制因果關系如圖2所示。

圖2 防塵蓋壓裝質量因果圖Fig.2 Cause and effect diagram of press assembly quality for shield

2 末端原因分析

2.1 人為因素

防塵蓋壓裝過程操作簡單，選用合適的模具，調整壓力機參數后可實現批量的軸承壓裝，人員操作方法對壓裝過程質量影響甚小，為非要因。

2.2 防塵槽和防塵蓋加工質量

2.2.1 防塵槽

外圈防塵槽結構如圖3所示，防塵槽位置H、槽鎖口直徑D為防塵槽的主要控制尺寸。H值過大會造成壓裝后防塵蓋與保持架接觸，軸承旋轉阻滯；過小會造成壓裝后防塵蓋高出軸承端面。槽鎖口直徑與防塵蓋外徑為配合尺寸，設計時通常為間隙配合，但槽鎖口直徑過大，防塵蓋壓裝后雖然進入了防塵槽內，但防塵槽斜面不能鎖牢防塵蓋，會存在滑蓋或掉蓋的風險；槽鎖口直徑過小，防塵蓋不能裝入槽中，或裝入槽中后壓裝過程中變形抗力過大，將容易造成軸承外徑變形。

圖3 外圈防塵槽結構圖Fig.3 Structure diagram of outer ring shield groove

目前防塵槽為熱處理前采用成形刀直接車加工成形，使用機床ELITE51，槽的角度α和槽寬度H1由刀具的角度和形狀尺寸保證，能夠保證防塵槽的尺寸精度和一致性。考慮到刀具磨損和熱處理變形會對槽鎖口直徑D和圓度、槽底徑D1和圓度、槽位置尺寸H、防塵槽兩面槽鎖口平均直徑變動量(錐度)產生影響，車加工過程中要求操作工嚴格按照工藝要求及時檢查刀具磨損情況，并隨時更換新刀具；熱處理時嚴格控制加熱溫度和冷卻速度，減小變形。在不考慮成本的前提下，采用熱處理后硬車防塵槽的工藝會極大提高防塵槽加工質量，保證尺寸的一致性。

隨機抽取該批次外圈50件，對上述尺寸和形位精度進行測量，測量結果顯示，尺寸散差和形位精度均可控制在0.1 mm以內。因此，由分析和測量結果可知，防塵槽以現有的工藝水平加工，其質量可滿足互換性壓裝的要求，防塵槽加工質量對壓裝質量的影響為非要因。

2.2.2 防塵蓋

防塵蓋外徑尺寸和表面平整度是影響壓裝質量的主要參數。防塵蓋外徑尺寸由成形模具保證，尺寸散差可控制在0.1 mm以內，防塵蓋表面平整度在壓裝前可通過100%檢驗挑出翹曲較大的零件，因此，防塵蓋加工質量對壓裝質量的影響為非要因。

2.3 壓裝模具

對采用現有模具的防塵蓋壓裝過程進行受力分析(圖4)，接觸點A處受垂直于模具斜面方向的壓力Fn和沿模具斜面方向的摩擦力μFn的合力F的作用，合力F又可分解為徑向力Fr和軸向力Fa。防塵蓋在Fr的作用下實現向防塵槽方向的卷曲，在Fa的作用下實現向下的入槽過程。分析可知

圖4 防塵蓋壓裝過程受力分析圖Fig.4 Load analysis diagram of press assembly for shield

tanβ=μFn/Fn=μ，

Fr=Fatan(α-β)，

式中：μ為摩擦因數，取決于防塵蓋材料、模具材料及潤滑狀況；α為模具的錐面角；β為合力F與垂直于模具斜面方向的壓力Fn之間的夾角。

防塵蓋受力點為接觸點A，防塵蓋壁厚薄，變形較大，在Fr的作用下，防塵蓋卷邊末端B處沒有約束，根據最小阻力定律[2]，末端B處會沿著模具錐面壓向防塵蓋內側，出現圖5所示的防塵蓋向內壓倒現象，造成壓裝后活蓋。模具繼續向下運動時，同時會造成模具斜面尖角壓向防塵蓋斜面，出現防塵蓋表面凹陷變形。因此，模具結構不合理對壓裝質量的影響為要因。

圖5 防塵蓋松動現象Fig.5 Loose phenomenon of shield

2.4 防塵蓋壓裝力

防塵蓋壓裝軸向力Fa由壓力機提供，試調整完成后為確定值，此時Fr的大小與錐面角α成正比，Fr過小，也即錐面角α小，防塵蓋卷曲變形小，可能造成壓裝后松動；Fr過大，也即錐面角α大(圖6)，壓裝后可能出現防塵蓋高出軸承端面。因此，軸向壓力Fa和錐面角α的大小直接影響壓裝質量，為要因。

圖6 防塵蓋高出端面的現象Fig.6 Phenomenon of shield higher than end face

3 改進措施

3.1 壓裝模結構改進

根據末端原因分析可知，模具結構不合理、軸向壓力Fa和錐面角α是影響壓裝質量的要因。為避免出現防塵蓋松動現象，對現有模具進行改進。為防止防塵蓋卷邊末端B處壓向防塵蓋內側，將末端B處設置約束，引導其壓向防塵槽內，最終確定模具結構如圖7所示。

圖7 防塵蓋壓裝模具Fig.7 Mould of press assembly for shield

模具由定位套和壓模通過彈簧和螺栓連接而成，定位套內徑與軸承內圈配合，起到固定軸承和導引壓模的作用，定位套外徑處同時增加了大斜面，斜面角度以不與防塵蓋斜面產生干涉為標準選取，大斜面起到對防塵蓋卷邊末端B處的約束作用，同時杜絕了壓模與防塵蓋斜面的接觸。

3.2 壓裝力優化

軸向壓力Fa分別選取200，300，400 N，錐面角α選取15°，25°和35°，通過2因素3水平的正交試驗L(32)來確定最佳的軸向力Fa和錐面角α，最終經過調試試驗確定軸向壓力Fa為300 N，錐面角α取25°時壓裝質量和合格率最高。

4 改進效果

利用改進后的模具壓裝62XX-2Z軸承200套，軸向壓力取為300 N，模具錐面角為25°，壓裝防塵蓋后合格率達到98%，說明分析改進思路正確。需要進一步說明的是，實際生產過程中，嚴格控制防塵槽尺寸、形位精度和防塵蓋尺寸精度，使其符合工藝要求，是確保防塵蓋壓裝質量的首要前提。