自潤滑關(guān)節(jié)軸承裝配方式及專用裝配工裝的設(shè)計和應(yīng)用

黃文雄

摘要：自潤滑關(guān)節(jié)軸承是現(xiàn)代化機械設(shè)備當中的重要零部件，由于它在內(nèi)外球面之間粘接有自潤滑材料，出于對自潤滑材料的保護，文章在裝配內(nèi)外圈時采用了新的裝配方式，并為之設(shè)計了新型工裝，既保護了自潤滑材料，又提高了裝配效率。

關(guān)鍵詞：自潤滑關(guān)節(jié)軸承；裝配方式；裝配工裝

中圖分類號：TH133 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）12-0025-03

1 概述

關(guān)節(jié)軸承是一種滑動軸承，其滑動表面是球面，主要由兩個零件組成：一個是有外球面的內(nèi)圈，另一個是有內(nèi)球面的外圈。在通常的情況下，關(guān)節(jié)軸承是在作低速度的旋轉(zhuǎn)、擺動或傾斜運動的，普通的關(guān)節(jié)軸承在工作時需要對其球面補充潤滑劑，以減輕內(nèi)外球面在運動時產(chǎn)生的摩擦，隨著技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)生了一種在內(nèi)外球面之間粘接有自潤滑材料的關(guān)節(jié)軸承，其在工作時不用對其球面補充潤滑劑，稱為自潤滑關(guān)節(jié)軸承。襯墊型自潤滑關(guān)節(jié)軸承是一種典型的自潤滑關(guān)節(jié)軸承，其內(nèi)外圈之間粘接有由自潤滑材料制成的襯墊，在眾多的襯墊材料中以聚四氟乙烯（PTFE）纖維編織復(fù)合材料性能較佳，它不僅摩擦系數(shù)低，并且有較高的強度。其自潤滑及耐磨損性能非常好，承載能力高，耐腐蝕，被廣泛應(yīng)用于航空、航天、電力、重載設(shè)備、生物醫(yī)藥和紡織等機械

設(shè)備。

①關(guān)節(jié)軸承外圈；②聚四氟乙烯纖維編織復(fù)合材料

圖1

2 自潤滑關(guān)節(jié)軸承的裝配方式的確定

自潤滑關(guān)節(jié)軸承的外圈與非自潤滑關(guān)節(jié)軸承的外圈是一樣的，同樣具有引裂槽，在內(nèi)圈壓配入外圈前也需要先將外圈進行開縫。非自潤滑關(guān)節(jié)軸承的內(nèi)外圈球面是鋼對鋼接觸，所以非自潤滑關(guān)節(jié)軸承在接下來的工序?qū)?nèi)圈壓配入外圈中較為簡單，通常是將內(nèi)圈放置于外圈上面，利用沖床將內(nèi)圈直接沖壓入外圈完成內(nèi)外圈的裝配過程。但是對于自潤滑關(guān)節(jié)軸承來說，因為其外圈內(nèi)球面粘接有聚四氟乙烯（PTFE）纖維編織復(fù)合材料，如果內(nèi)圈用與非自潤滑關(guān)節(jié)軸承一樣的沖壓方式進行裝配，這時由于內(nèi)圈在滑入外圈的過程中對外圈有一個撐開的作用力，外圈對內(nèi)圈同樣施加一個反作用力，這個作用力與反作用力是比較大的，會對自潤滑材料產(chǎn)生較大的撕扯，輕者對自潤滑材料表面產(chǎn)生破壞，重者可能將自潤滑材料整片撕扯下。所以不能用常規(guī)的裝配方式來裝配自潤滑關(guān)節(jié)軸承。

為了保護外圈內(nèi)球面的自潤滑材料，必須使內(nèi)圈在滑入外圈的過程中對外圈里面的自潤滑材料沒有任何破壞。為此我們想到一個新的裝配方式，其裝配原理如下：設(shè)計一種V形插刃，利用V形插刃的尖刃插入外圈的引裂槽中，利用V形插刃的斜面對引裂槽進行撐開，使外圈端面入口擴大，然后將內(nèi)圈放入已被撐開的外圈中，當外圈的入口直徑大于內(nèi)圈的最大圓截面直徑（約為內(nèi)圈的球徑）時，內(nèi)圈就可以放入外圈中，讓內(nèi)外圈球心基本重合時，再慢慢抽出V形插刃，外圈恢復(fù)原位，這樣，內(nèi)外圈就完成了配套。這種裝配方式其優(yōu)點是在裝配的過程中對自潤滑材料保護較好，不會對自潤滑材料產(chǎn)生損害。但在裝配時應(yīng)注意內(nèi)圈要避免與V形插刃相碰。

3 工裝的設(shè)計

3.1 V形插刃的設(shè)計

V形插刃在裝配過程中主要起到兩個作用：一個是利用尖刃插入外圈的引裂槽，一個是利用斜面撐開外圈的引裂槽，因此V形插刃的關(guān)鍵參數(shù)是尖刃形狀、斜面角度、材料和熱處理硬度。

尖刃形狀：因關(guān)節(jié)軸承外圈的引裂縫只是一條細縫，V形插刃要想插入其中，其尖刃必須呈一字鋒尖，且不能嚴重鈍化或在尖刃上出現(xiàn)平面。

斜面角度：從上面的分析可知斜面的作用是將引裂槽撐開，使內(nèi)圈能放入外圈中。因此斜面角度決定了內(nèi)圈在恰好能放入外圈入口時V形插刃在外圈內(nèi)部所走的位移。正常情況下此位移的量控制在外圈寬度的1/8～1/6，設(shè)外圈的寬度為H，內(nèi)圈最大圓截面直徑為d（約為內(nèi)圈的球徑），外圈的入口直徑為D，V形插刃插入外圈的位移量為S（S=1/8～1/6H），如圖2所示，由三角關(guān)系可知：

圖2

材料和熱處理硬度的選擇：V形插刃在工作時會反復(fù)受到軸承外圈的夾緊力并在滑動中產(chǎn)生摩擦。如果材料太軟或不耐磨，多次使用后易被軸承外圈夾傷或拉傷。軸承外圈的材料通常為GCr15，它是一種合金含量較少、具有良好性能、應(yīng)用廣泛的高碳鉻軸承鋼。經(jīng)過淬火和回火后具有較高的硬度、均勻的組織、良好的耐磨性、較高的接觸疲勞性能。因本公司的GCr15材料較多，根據(jù)“在技術(shù)和經(jīng)濟合理的前提下，保證材料的使用性能與零件的設(shè)計功能相適應(yīng)”的原則，V形插刃的材料也選用GCr15，對照關(guān)節(jié)軸承外圈的淬火硬度為54～60HRc，為提高V形插刃的耐磨性，將其淬火定為HRC64～66。設(shè)計好的零件圖如圖3

所示：

3.2 V形插刃固定座

V形插刃固定座起到三個作用：一個是與液壓機（而不是沖壓機）連接，一個是固定V形插刃，另一個是固定定位壓緊工裝。設(shè)計后的圖形如圖4所示：

3.3 定位壓緊工裝

如前所述，自潤滑關(guān)節(jié)軸承內(nèi)外圈的裝配是采用撐開外圈的方法實現(xiàn)裝配的，在實踐中，此種裝配方式存在著內(nèi)圈易滑動傾斜和內(nèi)圈在無外力助推時會造成合套速度慢的弊端，影響到裝配效率。特別是GEEW…ET、GEEM…ET-2RS型關(guān)節(jié)軸承，因其內(nèi)圈兩邊的各有一個圓柱體端面，使得它們更難操作。因此，有必要設(shè)計一種全新的工裝，使它在撐開外圈的同時既能定位內(nèi)圈，不讓它滑動，又能對內(nèi)圈施加一個外力，推動內(nèi)圈更快更好地合套，減少外圈的撐開量，提高合套效率。

3.3.1 定位功能的設(shè)計。取較難操作的GEEW…ET型關(guān)節(jié)軸承作為分析對象，由圖5可知，當內(nèi)圈放置在外圈上面時，在X、Z方向的自由度受外圈約束，只有在Y方向的自由度沒有被約束，所以當在Y方向的力不平衡時，將使內(nèi)圈產(chǎn)生傾斜。如果在內(nèi)圈端面施加一個水平面約束，使內(nèi)圈端面緊靠水平面，在施加力時保持約束面水平，同時設(shè)計一個內(nèi)圈滑動導(dǎo)向芯軸，并控制好內(nèi)圈與導(dǎo)向芯軸的間隙，一般控制約在0.15～0.30mm之間，一方面使內(nèi)圈沿著導(dǎo)向芯軸滑動，一方面對內(nèi)圈的位移做一個限位，使它在到達與外圈基本同心時停止，這可以通過計算內(nèi)圈中心移動到外圈中心的距離來設(shè)計導(dǎo)向芯軸定位面的高度，其關(guān)系式已在圖6中標示出來，這樣Y方向的力的不平衡就能得到消除，也就能防止內(nèi)圈產(chǎn)生傾斜。

圖5

設(shè)計后的定位工裝如圖6所示：

圖6

3.3.2 壓緊功能的設(shè)計。由于內(nèi)圈的定位約束是選取水平平面，因此壓緊力也必須是通過水平平面施加于內(nèi)圈的，利用彈簧的彈力作用能使水平面產(chǎn)生一個壓緊力，但是彈簧的固定點可以選定在固定支承面（床身）上，如圖7A所示，也可選定在移動支承面（壓軸或插刃具）上，如圖7B所示，當選定在固定支承面上時，隨著水平面的向下移動，根據(jù)公式F=KL可知，彈簧是隨著水平面的向下移動而變長的，壓緊力將隨之減少（如圖7C所示），當選定在移動支承面上時，由于剛開始時插刃具的位移比內(nèi)圈的位移大，彈簧是被壓縮的，彈力增大，隨著內(nèi)圈被壓入外圈，彈簧得到部分釋放，彈力減少（如圖7D所示），用這種方式，可以在剛開始需要推力的時候彈力很大，而在不需要推力的時候，彈力變小，因此用這種方式是比較合

理的。

3.4 外圈支承件和壓緊件的設(shè)計

外圈采用三點支承的方法，設(shè)計一個定位支承塊（圖8A）和一個定位支承座（圖8B），沿著外圈的中心軸面對稱放置，分別支承在外圈端面，定位支承座對外圈的支撐面較大，可以視為有二點的支承，與定位支承塊共同完成對外圈的三點支承。其中定位支承塊配以定位壓緊塊（圖8C）將外圈固定，作為固定點，而定位支承座的支承點不予固定，作為開放點。外圈在放置時要注意將引裂縫所在的端面位置放置在定位支承座上，并且引裂槽要朝上，當V形插刃插入外圈時，外圈繞固定點撐開，使外圈入口變大。為了增加安全性，再設(shè)計兩個輔助壓板（圖8D）從定位支承座旁邊靠近外圈上端面（注意緊貼但不能壓緊外圈），輔助壓板的作用是防止外圈在V形插刃抽回時被向上拉起，增加穩(wěn)定性。整體圖形如圖9所示。

①定位支承塊及定位壓緊塊；②輔助壓板；③外圈支承座

圖9

4 結(jié)語

這次技改是為了解決存在問題而進行的，在投入使用后，已裝配了16000多套產(chǎn)品，使用效果良好，裝配過程中自潤滑材料100%得到保護，沒有發(fā)現(xiàn)損壞現(xiàn)象，工裝性能良好，效率較高，可以廣泛在自潤滑關(guān)節(jié)軸承的裝配中

應(yīng)用。

（責任編輯：吳 濤）