防止外球面軸承外圈變形的密封件沖壓模設計

朱克明

（常熟長城軸承有限公司，江蘇 常熟 215500）

目前，滾動軸承密封件的裝配通常是采用特定的工裝將密封件通過沖壓方式壓入軸承外圈對應的密封槽中，密封件受力變形進入外圈密封槽的同時，密封槽受到作用力，使得外圈直徑有向外擴張的趨勢。由于該裝配沖壓力具有時變特征且各處不均勻，使得軸承外徑向外擴張變形的結果也不一致。通常當密封件被沖壓進入軸承密封槽后，會使軸承外徑尺寸變大，同時伴隨有較大的圓度誤差。

針對密封件裝配引起的外圈尺寸變化問題，一般控制方法是增加外徑整形工序，但存在的不足是：對變形嚴重的工件，整形效果差；對不同外表面（如圓柱面、球面）的軸承，由于密封槽的結構尺寸不同而引起的徑向壁厚不同，整形相對復雜，制造成本增加。因此，以外球面軸承密封件沖壓裝配工藝為例，從研究沖壓模結構設計入手，分析沖壓時該類軸承的外徑受力情況，提出防變形結構的設計原理及實施方式［1］。

1 軸承密封件裝配受力分析

外球面軸承密封件結構及成形受力分析如圖1所示。裝配時凸模向下壓密封件頂部，密封件變形向密封槽內運動，直至完全進入密封槽內。以任一工作截面對工藝過程進行受力分析，圖中，F1為凸模向下的壓力；F2為軸承支承面的反力；F3為密封件在變形進入密封槽時對外球面軸承外徑壓力的合力（忽略截面上的重力）。正是F3造成了外圈外徑的變化。

圖1 外球面軸承密封件裝配受力分析圖Fig.1 Load analysis diagram during assmbly of seals of insert bearing

與同規格的圓柱面軸承相比，外球面軸承密封槽的平均壁厚更小，因此，外球面軸承密封件裝配后外圈外徑更容易產生尺寸和形狀變形。同時外球面半徑的變大，也將嚴重影響軸承與軸承座之間的裝配［2］。

2 沖壓模防變形設計基本原理

為減小密封件沖壓過程中對外圈的變形影響，應采取一定的辦法使密封件在被壓入密封槽并延伸接觸到外圈時，給予一定的反力以平衡F3對外球面軸承外徑的擴張作用。由于外球面軸承外徑面為球面，基于力平衡原理，需要準確判定F3的位置并在外球面對應處形成共線反向的反作用力F4。

依據受力分析，結合現有沖模結構，設計外球面軸承外圈防變形沖壓模如圖2所示。彈簧組件和外環依次套裝在凸模的外表面，將彈簧組件的上端通過鎖緊圈固定在凸模上，彈簧組件的下端與外環的上端面相接觸。外環的內表面設計成階梯狀與凸模外表面的階梯相適配，使外環能夠在凸模的外表面上下移動。為保證外環與外球面軸承外徑面（球面）的可靠接觸，將外環頭部內表面設計為斜面，當凸模下降時，外環同時下降與外球面接觸。用鎖緊圈調節彈簧的松緊，可改變外環斜面與外徑面的接觸位置和施力狀況，不僅能用于調節F3與反作用力F4的共線位置，而且能調節F4的大小［3］。

圖2 外球面軸承密封件沖壓模結構Fig.2 Structure of stamping die for seals of insert bearing

3 沖壓模設計關鍵參數確定

3.1 外環斜面與外圈接觸角α

由于防變形沖壓模外環斜面與外球面軸承外圈接觸點上的反作用力F4具有平衡變形力F3的作用，因此，外環斜面與外圈接觸角α的確定應該力求F4與F3滿足反向、共線的條件。接觸角α分析計算圖如圖3所示。

圖3 外環斜面與外圈接觸角α分析計算圖Fig.3 Analysis and calculation diagram of contact angleα between outer ring oblique plane and outer ring

當α確定后，可根據凸模運動情況及密封圈深度，確定外環斜面高度、厚度等其他尺寸［4］。

3.2 外環結構尺寸與彈簧組件參數

沖壓模平衡反作用力F4的大小通過彈簧組件參數予以調節。外環在凸模下降并與外圈接觸時的任一截面的受力如圖4所示（截面圖中忽略了外環重力）。

由圖4可知，當凸模下降，外環與外球面軸承外圈接觸時，外環受到自身重力W與彈簧壓力F的作用，形成正壓力N作用于外圈，其水平分力形成與F3的平衡力F4。當僅考慮彈簧壓力時，則

圖4 沖壓模外環任一截面的受力分析簡圖Fig.4 Load analysis diagram of any cross section of outer ring of stamping die

式中：k為彈簧的彈性系數；x為彈簧由鎖緊圈與凸模臺階面配合后產生的位移。

由于F3和F4在實際工況中均沿外圈外徑面圓周分布，故考慮在外環上端面沿圓周均布N個彈簧，由此外環斜面給予外圈的總平衡力為

綜合（1）～（3）式，就可以確定外環及彈簧組件的相關數據。實際設計過程一般步驟為：

1）根據密封件結構估算變形力F3；

2）依據F′4＝NF4＝F3的原則，初步估算N，x的值，一般情況下可取N＝6～8，x則視凸模臺階位置及鎖緊圈行程適當選取；

3）根據（1）式確定的α及凸模尺寸，確定外環及彈簧組件的k等相關數據。

4 改進效果

采用205KRRB2新沖壓模具對205KRRB2外球面軸承進行密封圈沖壓裝配，其中，裝配后軸承精度要求為：單一平面平均外徑偏差ΔDmp為0～－13μm，單一平面外徑變動量VDsp不大于20 μm。裝配試驗結果表明（表1），軸承尺寸及精度均合格，說明設計的沖壓模合理、有效。

表1 205KRRB2新沖壓模具沖壓試驗數據Tab.1 Stamping experimental data of new stamping die 205KRRB2 μm

5 結束語

對于密封軸承特別是外圈結構較為復雜的密封軸承，其密封圈沖壓過程中的外徑變形問題，必須從制造工藝分析和工藝裝備改進兩方面進行研究，以解決問題。由于軸承種類及規格繁多，改進設計方案應建立在對產品結構和要求充分理解以及熟練應用工程力學和機械設計等相關理論的基礎上，力求通過試驗及持續改進使制造過程盡可能符合產品技術要求，從而更好地提升制造水平、經濟效益。文中設計的外球面軸承密封圈沖壓模實際應用結果表明：模具裝配調整方便，密封沖壓變形小，質量穩定，較好地解決了外球面軸承密封件沖壓時外圈的變形問題。