外球面球軸承座的軸承插入槽探討

吳清祥，莊有土

(1.黑金剛(福建)自動化科技股份公司，福建 泉州 362000；2.華僑大學 機電學院，福建 泉州 362000)

1 鑄造成型的軸承插入槽

外球面球軸承座的軸承插入槽是為安裝和維修軸承方便而設計。有關外球面球軸承座的相關標準，如ISO 3228:2013“Rolling bearings—Cast and pressed housings for insert bearings—Boundary dimensions and tolerances”以及GB/T 27560—2011《滾動軸承 外球面球軸承鑄造座 技術條件》和GB/T 2809—2017《滾動軸承 外球面球軸承鑄造座 外形尺寸》，均未對軸承座的軸承插入槽對軸承質量的影響給出相關提示或說明，對插入槽外形尺寸也未直接標注。因此，國內外帶座外球面球軸承制造商均在軸承座上直接鑄出軸承插入槽，以方便用塞規綜合檢測軸承座內球面的加工尺寸。具有代表性的P212立式座結構如圖1所示。

圖1 鑄造成型的軸承插入槽

P212立式座2個軸承插入槽的槽底面直徑為φ115 mm，內球面直徑為Sφ110 mm，單邊槽深2.5 mm，立式座壁厚為15 mm。

2 鑄造成型插入槽對軸承座的影響

2.1 直接影響

1)插入槽超越了內球面前后半球的分界線(即赤道線)1 mm，內球面赤道線約有1/4～1/5被插入槽占據， 軸承座在插入槽處為大跨距無支承狀態，容易產生變形，導致軸承運轉時游隙(工作游隙)變化，對軸承的疲勞接觸壽命、溫升、振動噪聲等性能產生影響。

2)插入槽的存在使軸承座內球面不存在任何一根完整的可形成內球面的素線，因而無法準確測量內球面的球徑和形位公差，對軸承座內球面加工質量產生影響。

3)插入槽削弱了軸承座的強度，可能在軸承使用過程中發生斷裂。

4)插入槽的存在是帶座軸承極限轉速比同型號深溝球軸承極限轉速低的原因之一。

2.2 加工質量的影響

由于兩處插入槽的隔斷，軸承座內球面車削(或鏜削)為間斷切削，每轉有2次切入和切出對刀具產生沖擊，容易引起內球面局部加工表面出現振紋，為了減小振紋的深度和面積，加工時通常采用尖刀車削，而不使用帶圓角的轉位車刀，內球面表面粗糙度Ra值難以達到3.2 μm；而且尖刀車削表面是由一系列尖角的頂部構成，在軸承裝配壓力下被壓低以及快速磨損，使帶座軸承的配合性質不穩定。另外，由于需要經常修磨刀具，切削速度不高，生產率低。

2.3 加工精度的影響

2.3.1 尺寸

插入槽為鑄造成型，若退火去應力不充分或者不進行時效處理，內球面車削時鑄造應力釋放不均,容易引起內球面的較大變形。特別是對于立式座，其內球面經數控粗車、半精車和精車后，在工件不重新安裝情況下，對內球面用金剛石磨輪進行范成法磨削，容易在工件插入槽鄰近加工表面出現大面積精車痕跡，有時需徑向磨削量達到0.10 mm才能去除精車留下的條紋。鑄造成型的插入槽加大了鑄造應力變形，可能導致其加工誤差遠遠超出技術要求。

2.3.2 配合

GB/T 27555—2011《滾動軸承 外球面球軸承 技術條件》規定了鑄造座與外球面球軸承過渡配合時的配合力矩，如P212立式座，軸承外徑110 mm，要求最小配合力矩大于3 N·m，最大配合力矩小于150 N·m。由圖2外球面球軸承與其座孔配合公差帶可知，最大間隙可達37 μm，最大過盈為13 μm。外球面軸承與軸承座配合大概率為間隙配合，但依照目前軸承座的形狀誤差，很難在標準規定的最小配合力矩下滿足裝配要求。另外，最大配合力矩150 N·m，估算相當于軸承座與軸承之間的正壓力達到5 000 N以上，此正壓力若能均勻作用于外圈，可減小軸承的徑向游隙，提高軸承性能。但帶座軸承由于插入槽的槽根線超越內球面赤道線1 mm，軸承座在兩插入槽處無法約束軸承外圈向插入槽凸出變形，軸承座對軸承的不均勻壓力相當于一個很大的附加載荷。此附加載荷使軸承外圈在垂直于底面的方向壓緊滾動體，使徑向游隙可能為零或負值，而在平行于底面的方向軸承外圈凸入插入槽，外圈與滾動體的徑向游隙加大。軸承旋轉1周，要2次經歷無游隙及大游隙，會加大帶座軸承的噪聲。

圖2 外球面球軸承與其座孔配合公差帶

4 銑削成形的軸承插入槽

文獻[1]提出軸承插入槽在軸承座內球面精加工完成后由銑削加工成形，解決了鑄造成型軸承插入槽引起的諸多問題。內球面采用帶圓角的轉位車刀車削，表面粗糙度Ra值可穩定達到1.6 μm，形狀誤差也大大下降，公差等級可達到IT6或IT5。

銑削成形軸承插入槽(圖3)設計[2]：

圖3 銑削成形的軸承插入槽

2)采用φ6 mm或φ8 mm立銑刀或金剛石磨輪切削插入槽的底面，因而插入槽兩側有R4 mm或R3 mm的圓角。刀具沿圓周進給的弧長，以軸承能順暢插入為準。

3)插入槽的槽根線不可到達內球面的赤道線，與赤道線距離由內球面直徑、與軸承配合性質決定[3]。對于P212立式座,插入槽槽根線與赤道線距離為1.5 mm左右。即在軸承插入過程中，經過槽根線時軸承受阻，產生0.02～0.04 mm的彈性變形，然后彈入到位。這個距離形成軸承座環赤道線兩側一個特有的連續支承帶，可有效阻擋軸承外圈凸入插入槽，從而減少軸承附加載荷和噪聲[4]。有了這個特有的連續支承帶，軸承座內球面的球徑和形狀誤差才能更準確的測量，帶座軸承的制造質量更有保證[5]。

4)對于軸線需不斷擺動的帶座軸承，內外球面為間隙配合，銑軸承插入槽時可在1或2個側邊加工1 mm深的溝，采用止動球防止外圈轉動。加工的溝不得超過槽根線，確保支承帶連續。

5 結束語

外球面球軸承座插入槽由銑削成形替代鑄造成型，可經濟地使軸承座內球面表面粗糙度Ra值由3.2 μm提高到1.6 μm；公差等級由IT7提高到IT6；特有的支承帶可使軸承的極限轉速顯著提高，噪聲大幅降低。因此，也提出對相關國內標準的建議：用“配合力矩”作為綜合指標檢測帶座軸承內球面的方法不夠合理，支承帶可檢測內球面的尺寸和形狀誤差， 插入槽對軸承的影響較大，應制定相關的標準給予行業引導。