一種四點接觸球軸承自動裝球裝置

張志華，蔣迪永，李紀元，徐卓然，南建輝

(杭州人本軸承有限公司，杭州 310022)

四點接觸球軸承能承受雙向軸向載荷以及一定的徑向載荷，廣泛應用于冶金、礦山機械、汽車、齒輪箱等領域[1-3]，該類軸承主要以人工裝配為主，效率低，裝配質量不穩定，成本高，有必要改進裝配方式[4-5]。

1 原四點接觸球軸承裝配方法

原四點接觸球軸承采用銅棒敲入球的方式(圖1a)裝配，后根據杠桿原理設計壓球裝置，從內鎖口壓入球(圖1b)。壓入法雖然在一定程度上降低了勞動強度，提高了裝配效率，但每次僅能壓入一粒球，無法實現全自動化生產。此外，目前的2種裝配方法在裝配過程中容易造成球和溝道的損傷等。

2 四點接觸球軸承裝配方法改進

2.1 改進球壓入方式

根據保持架鎖口方向，將球徑向壓入改為圓周側向壓入，如圖2所示。建立有限元模型，固定保持架， 改進壓入方式前后加載同樣的力，得到其變形云圖如圖3所示，圓周側向壓入時保持架變形大于徑向壓入，更利于球壓入。經綜合分析和模擬試驗，確定采用圓周側向壓入。

圖1 原四點接觸球軸承裝配方法Fig.1 Original assembly method for four point contact ball bearing

圖2 球圓周側向壓入示意圖Fig.2 Diagram of circumferential lateral pressing of ball

(a) 圓周側向壓入

2.2 模具結構

通過仿真軟件模擬壓入過程中球的運動軌跡，進而確定模具擬合曲線，根據該曲線設計模具壓裝曲線。分析球、保持架和模具尺寸，模擬落球方式，最終確定球由模具內部落入裝球工位，根據三維模型3D打印出模具，經試驗滿足要求。模具結構如圖4所示。

圖4 模具結構示意圖Fig.4 Structure diagram of mold

根據裝配方式確定壓力為785 N，考慮保持架鎖量偏差，計算得到模具壓力約為797.1 N，假設安全系數為1.8，確定模具旋轉扭矩為10 N·m。經試驗確定最佳模具轉速為120 r/min，根據轉速選擇合適的電動機。

2.3 新型自動裝球裝置

新型自動裝球裝置結構如圖5所示，主要包括自動下球裝置、驅動電動機、裝球機構、夾具、設備床身。

1—自動下球裝置；2—驅動電動機；3—裝球機構；4—夾具； 5—設備床身。圖5 裝置結構示意圖Fig.5 Structure diagram of device

2.3.1 結構特點

1)自動上球機構如圖6所示，通過控制分球器上2個氣缸的距離可調節球的數量，可以滿足該類軸承多規格、小批量的裝配需求。

1—控制球數的氣缸；2—分球器；3—分球器支架；4—氣缸1；5—球盒架；6—球盒。圖6 自動上球機構示意圖Fig.6 Diagram of automatic ball filling mechanism

2)裝球機構如圖7所示，采用雙支承結構，球通過落球管進入模具，落球管可滿足所設計系列軸承球通過，軸承型號改變時，無需更換落球管，僅需更換模具即可。

3)驅動電動機采用高精度步進電動機，實現高精度傳動，確保所有球均能壓入保持架。

1—固定軸；2—大齒輪；3—軸承1；4—連接套筒；5—落球管；6—軸承2；7—模具。圖7 裝球機構示意圖Fig.7 Diagram of ball filling mechanism

4)設計專用夾具，通過氣缸使上下端面壓緊保持架，確保球壓入時保持架始終固定。

5)利用PLC控制步進電動機，實現裝球位置和時間的精準控制。步進電動機控制器可控制扭矩大小，進而滿足工藝要求。此外，控制系統還有自動上球、缺球保護、運行指示、防夾手保護等功能。控制系統設計時，考慮球落入保持架兜孔后模具才開始旋轉，保證球壓入是一個循序漸進的過程，不會損傷保持架。

2.3.2 工作原理

通過氣缸1將球送入分球器，通過氣缸控制夾具夾緊保持架，分球器上氣缸落下，下氣缸抬起，球利用自身重力通過落球管進入模具，電動機帶動模具旋轉，通過模具將球壓入保持架。

3 實際使用效果

采用新的裝配方式后，由每次裝一粒球提高到每套軸承僅需一個動作，實現了半自動化裝配，提高了生產效率；同時也減少了人為主觀意識對裝配質量的影響及軸承裝配過程中的不確定因素，避免了球、外圈溝道及保持架的損傷，提高了裝配質量。