推力球軸承套圈溝道中心徑測量方法

王旭剛，吳迪，叢晨日，羅志剛，金文勝

(中國航發哈爾濱軸承有限公司，哈爾濱 150025)

推力球軸承一般由軸圈、座圈、保持架和鋼球組成，結構特點決定其只能承受軸向載荷。為保證軸承在裝配后正常運行，防止鋼球轉動不流暢或卡滯現象，必須將軸圈與座圈的溝道中心徑控制在一定的公差范圍內。若軸圈與座圈的溝道中心徑超出公差范圍，將導致鋼球與溝道的接觸角發生變化，軸承不能正常運轉，加速磨損，進而降低軸承的使用壽命。

1 常規測量方法存在問題

軸圈與座圈溝道中心徑的常規測量方法有樣板測量法和三球法。

樣板測量法使用溝道中心徑樣板， 通過刮色法或光隙法定性判斷溝道中心徑是否合格。該方法受人為因素影響較大，尤其是當溝道中心徑為極限值時，不同的測量人員對同一個工件會有迥然不同的判定結果。

三球法選取3粒直徑尺寸相同且略大于溝道圓弧公稱直徑的鋼球，將3粒鋼球均布于被測套圈溝道并用壓板將鋼球固定牢靠，用臥式測長儀測量相鄰鋼球之間的最大距離后利用幾何關系計算被測套圈的溝道中心徑。該方法受鋼球固定牢靠程度的影響較大，重復性不好且測量效率低。實際測量發現，當溝道中心徑小于30 mm時，套圈受鋼球固定牢靠程度的影響更明顯，同時溝道會產生變形，直接影響測量的準確性。

另外，還可通過選取與被測套圈溝道圓弧曲率半徑一致的曲率球或曲率片，利用相應的測量裝置定量測量溝道中心徑；但無相應的曲率球/曲率片時將無法測量，局限性較大，而且當溝道中心徑小于30 mm時測量重復性同樣不好。

結合推力球軸承套圈的結構特點以及精準確定最大溝道中心徑位置并測量最大溝道中心徑值的要求，通過反復試驗，研究出2種新的推力球軸承套圈溝道中心徑測量方法：輪廓儀測量法和三坐標測量法。

2 輪廓儀測量法

輪廓儀測量法的主要思路是：先通過鋼球間接確定溝道最大直徑位置，然后利用輪廓儀測量最大直徑位置套圈溝道的2個圓弧，最后通過測量分析軟件得到2個圓弧之間的圓心距離，即被測套圈的溝道中心徑。

2.1 確定套圈溝道最大直徑位置

確定套圈溝道最大直徑位置的方法主要有四球法和一球法。

四球法依據被測套圈幅高及內徑尺寸選擇相應的鋼球，3粒尺寸相對較小的鋼球均布于被測套圈的內孔，1粒尺寸相對較大的鋼球放置在3粒小鋼球上，如圖1所示。由幾何關系可知，只需確定尺寸較大鋼球在輪廓儀y軸方向上的最高點H，經過最高點H且平行于x軸的直線L一定經過溝道的最大直徑位置。

(a) 4粒鋼球的放置

一球法則依據被測套圈的內徑尺寸選取1粒鋼球，放置方法及最高點H如圖2所示。

(a)鋼球的放置

2.2 測量套圈溝道中心徑

在最大直徑位置測量溝道的2個圓弧，其圓心距離即被測套圈的溝道中心徑。以四球法為例說明測量過程：首先，將被測套圈和鋼球放置在工作臺上，目測輪廓儀測針位于被測套圈溝道中心徑最大位置，用工業橡皮泥或熱熔膠將套圈固定；然后，移動輪廓儀測針與尺寸較大鋼球接觸，沿y軸方向移動工作臺，找到鋼球在y軸方向的最高點H；最后，取下鋼球，用輪廓儀測量溝道圓弧1和圓弧2的輪廓(圖3)，通過軟件計算兩圓弧圓心之間的水平距離D，即為該套圈溝道中心徑。一球法的測量原理與此相同。

圖3 被測套圈溝道圓弧及溝道中心徑

在確定溝道圓弧1和圓弧2的圓心時會受到溝形誤差的影響。溝形誤差不好，圓弧截取長度不同則擬合出的圓心位置變化較大，建議選定的溝道輪廓包角等于60°，以此輪廓計算出的圓心作為溝道圓弧的圓心。實際測量經驗表明：當整個溝道的溝形誤差小于1.5 μm時，溝道圓弧圓心位置受圓弧截取長度的影響較小。

輪廓儀測量法通過被測套圈內徑最大位置間接確定最大溝道中心徑位置，是一種理想情況。溝道圓心與內徑圓心存在偏心時測量所得溝道中心徑不是最大直徑，且測量誤差隨偏心程度的增大而增大。另外，使用鋼球確定最大溝道中心徑位置的方法只適用于圖紙規定的內徑為基準的推力球軸承套圈，仍存在一定的局限性。

3 三坐標測量法

三坐標測量法的主要思路是：測量一定數量的溝道圓弧并將其圓心擬合為一個圓，以擬合圓的圓心為坐標系原點，在新坐標系下再次測量一定數量的溝道圓弧并將其圓心再擬合為一個圓，在x軸上測量一條直線或構造一條直線，此直線在Oxy平面內與擬合圓的2個交點之間的距離即被測套圈的溝道中心徑。

根據圖紙要求，以套圈軸線確定z軸方向，以套圈圓心確定Oxy平面零點，以套圈端面確定z軸零點，以套圈內/外徑上任意一點確定x軸的方向。按照右手定則，y軸方向垂直紙面向里，建立的工件坐標系Oxyz如圖4所示。由于溝道圓心與套圈圓心存在一定的偏心，為消除偏心的影響，需將Oxy平面的原點移動到溝道圓心。

圖4 工件坐標系

在工件坐標系Oxyz下，測量溝道圓弧(通常測量12個)。首先，在Oxz平面的x軸上測量第1個溝道圓弧，其圓心的x，y，z坐標分別為公稱溝道中心徑的一半，零，圓弧圓心到套圈端面的公稱軸向距離，圓弧半徑為其公稱溝曲率半徑，包角為60°； 然后， 將此圓弧進行11次陣列復制，測量出12個溝道圓弧，用12個溝道圓弧的圓心(黑色實心圓)擬合成一個圓(溝道擬合圓1)并將其投影到Oxy平面；最后，將Oxy平面的零點平移到擬合圓的圓心，變成新的坐標系O1x1y1z1，如圖5所示。

圖5 平移后的坐標系O1x1y1z1

在O1x1y1z1坐標系下依據被測溝道的精度和測量效率選取測量溝道圓弧的數量，建議定為偶數，目的是定點測量溝道中心徑，即保證被測溝道圓弧中有2個圓弧的圓心同時位于x1軸上。通常建議測量16個以上的溝道圓弧，本文以測量16個溝道圓弧為例進行說明：首先，在Ox1z1平面的x1軸上測量溝道圓弧，其圓心的x1，y1，z1坐標分別為公稱溝道中心徑的一半，零，圓弧圓心到套圈端面的公稱軸向距離，圓弧半徑為其公稱溝曲率半徑，圓弧包角為60°；然后，將此圓弧進行15次陣列復制，測量出16個溝道圓弧，用16個溝道圓弧的圓心(空心圓)再次擬合為一個圓，記為溝道擬合圓2；最后，在x1軸線上測量或構造一條直線l，該直線與溝道擬合圓2在O1x1y1平面的交點記為P1和P2，兩點間距離即被測套圈的溝道中心徑，如圖6所示。

圖6 溝道中心徑

4 試驗驗證

4.1 測量準確性

選取某型號推力球軸承座圈，其溝道中心徑為(72.41±0.03)mm，實際測量中發現，該尺寸座圈的溝道中心徑用常規三球法所得測量值的重復性好，準確度高，因此，以常規三球法定點測得的溝道中心徑作為參考值驗證新方法的準確性。

3種方法的測量結果見表1：輪廓儀測量法、三坐標測量法與常規三球法測量結果的差值分別為-0.005和+0.002 mm，測量誤差分別為公差帶(0.06 mm)的1/12和1/30，均滿足GB/T 3177—2009《產品幾何技術規范(GPS) 光滑工件尺寸的檢驗》中計量器具的測量不確定度小于工件公差1/4的最低要求。

表1 某型推力球軸承座圈溝道中心徑測量結果

4.2 測量重復性

對上述同型號推力球軸承座圈，分別以輪廓儀和三坐標測量法各重復測量10次，結果見表2：由貝塞爾公式計算出輪廓儀測量法、三坐標測量法的試驗標準差分別為1.578和1.080 μm，2種方法的重復性均較好，三坐標測量法略優于輪廓儀測量法。

表2 溝道中心徑測量重復性試驗結果

為驗證2種測量方法對小尺寸座圈的測量效果，選取某型溝道中心徑為(21.51±0.015)mm的推力球軸承座圈，分別以常規三球法、輪廓儀測量法和三坐標測量法各重復測量10次，結果見表3：從測量結果的極差和標準差來看，溝道中心徑不大于30 mm時，三坐標測量法的效果最好，輪廓儀測量法的效果次之，均優于常規三球法。

表3 小尺寸推力球軸承座圈溝道中心徑測量結果

5 結束語

對于推力球軸承套圈溝道中心徑的測量，本文所提2種新方法各有優缺點：輪廓儀測量法可以直接測量溝道中心徑，簡單易行，適用于生產現場檢測，但必須以內徑面為定位基準，同時受套圈與溝道偏心的影響，測量結果的準確性存在一定局限；三坐標測量法以溝道圓弧擬合圓的圓心為坐標系原點，有效消除了偏心的影響，且測量準確性、重復性均更高，測量尺寸范圍更寬(測量上限尺寸取決于三坐標自身的量程)，但三坐標測量法通過擬合圓測量的溝道中心徑是一個平均值，溝道圓度較大時的測值與實際溝道中心徑相差較大；因此，在實際測量中，應根據測量需求合理選擇測量方法。