角接觸球軸承套圈溝位置的測(cè)量分析及改進(jìn)

胡曉輝，呂超

(大連大友高技術(shù)陶瓷有限公司，遼寧 大連 116600)

角接觸球軸承套圈溝道寬度(按弧長(zhǎng)計(jì)算)的橫截面輪廓近似于1/4圓周，一般稱(chēng)這種形狀為半溝(深溝球軸承套圈溝道稱(chēng)全溝)。高精度角接觸球軸承要求溝位置的公差在±0.01 mm左右，測(cè)量精度為0.001 mm。在實(shí)際測(cè)量套圈溝位置時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)測(cè)量準(zhǔn)確度及精度達(dá)不到要求的問(wèn)題。

實(shí)際生產(chǎn)中，企業(yè)一般使用D012(測(cè)量外圈)和D022(測(cè)量?jī)?nèi)圈)軸承測(cè)量?jī)x，由于這2種儀器針對(duì)深溝球軸承套圈設(shè)計(jì)而成，在測(cè)量角接觸球軸承套圈時(shí)出現(xiàn)了許多不適應(yīng)及無(wú)法解決的問(wèn)題，而且這些問(wèn)題屬于系統(tǒng)誤差，無(wú)法通過(guò)調(diào)整儀器進(jìn)行修正和消除。在此，針對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行分析并給出改進(jìn)辦法。

1 內(nèi)圈溝位置測(cè)量分析

1.1 用D022儀器測(cè)量

使用D022儀器進(jìn)行測(cè)量會(huì)產(chǎn)生3種不同形式的系統(tǒng)誤差。

由于D022使用兩點(diǎn)接觸式壓頭，該壓頭端頭為圓形平面，而內(nèi)圈溝道橫截面是圓弧形狀，壓頭中心線(xiàn)與溝位置軸線(xiàn)無(wú)法重合，根本不能保證壓頭位置正確。因此測(cè)量前與代用標(biāo)準(zhǔn)件對(duì)表獲取的標(biāo)準(zhǔn)件示值必然存在誤差，這樣就會(huì)形成1個(gè)系統(tǒng)誤差，從而使所有被測(cè)數(shù)值都產(chǎn)生1個(gè)累加偏差ΔL1，如圖1所示。

圖1 內(nèi)圈溝位置示意圖

壓頭頂端使用一段時(shí)間后，銳角被磨掉，測(cè)量時(shí)由于表頭彈力的作用，會(huì)使被測(cè)內(nèi)圈相對(duì)于壓頭向K方向移動(dòng)，壓頭無(wú)法用銳角卡住套圈沿軸向的移動(dòng)。內(nèi)圈沿軸向移動(dòng)ΔL2，而壓頭不動(dòng)，使得壓頭中心線(xiàn)與溝位置軸線(xiàn)之間距離也為ΔL2，如圖2所示。

圖2 儀器壓頭壓力示意圖

在加工過(guò)程中，內(nèi)圈溝道橫截面圓弧半徑R不可能完全一致，R變大時(shí)，在測(cè)量表頭施加的壓力作用下套圈會(huì)向K方向移動(dòng)，直到測(cè)頭前緣卡住內(nèi)圈圓弧為止。此時(shí)壓頭中心線(xiàn)偏離溝位置軸線(xiàn)的距離近似等于ΔL3；當(dāng)R變小時(shí)，誤差方向相反，如圖3所示。

圖3 內(nèi)圈溝位置測(cè)量誤差示意圖(D022)

假設(shè)與代用標(biāo)準(zhǔn)件對(duì)表過(guò)程中沒(méi)有誤差，將測(cè)量?jī)x表對(duì)零后開(kāi)始測(cè)量。設(shè)被測(cè)件在表上的示值為A1，而被測(cè)件溝位置的實(shí)際數(shù)值為

A2=A1+ΔL1+ΔL2+ΔL3,

則溝位置的測(cè)量誤差ΔA為

ΔA=A2-A1=ΔL1+ΔL2+ΔL3。

實(shí)際上，與標(biāo)準(zhǔn)件的對(duì)表過(guò)程中存在誤差ΔL1標(biāo)，ΔL2標(biāo)，此誤差是隨機(jī)的且無(wú)有效約束，其值不能確定,而且此誤差不能與被測(cè)件測(cè)量時(shí)的對(duì)應(yīng)誤差ΔL1，ΔL2相互抵消。因此，使用D022軸承測(cè)量?jī)x測(cè)量角接觸球軸承內(nèi)圈溝位置時(shí)產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差為

δ=ΔL1+ΔL2+ΔL3-ΔL1標(biāo)+ΔL2標(biāo)，

此式為代數(shù)式，當(dāng)假定一個(gè)方向?yàn)檎龜?shù)時(shí)，相反方向即為負(fù)數(shù)。

1.2 用W013儀器測(cè)量

W013儀器測(cè)量?jī)?nèi)圈溝位置的原理如圖4所示。依據(jù)GB/T 307.2—2005《滾動(dòng)軸承 測(cè)量和檢驗(yàn)的原則及方法》，W013是專(zhuān)門(mén)測(cè)量溝位置的儀器，可完全滿(mǎn)足深溝球軸承套圈溝位置的測(cè)量精度要求，而在測(cè)量角接觸球軸承套圈溝位置時(shí)，盡管有定位平面將軸承套圈穩(wěn)定定位，但W013的測(cè)頭中心線(xiàn)仍然很難保證與套圈溝道橫截面軸線(xiàn)重合，因此會(huì)產(chǎn)生1.1節(jié)中的誤差ΔL1。而當(dāng)角接觸球軸承套圈溝道橫截面圓弧半徑R變化時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生1.1節(jié)中的誤差ΔL3。

圖4 內(nèi)圈溝位置測(cè)量誤差示意圖(W013)

1.3 測(cè)量改進(jìn)

秉承“系統(tǒng)越簡(jiǎn)單，所產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差越小”的原則，針對(duì)角接觸球軸承內(nèi)圈的特點(diǎn)，提出以下提高溝位置測(cè)量精度的改進(jìn)方案。

如圖5所示，設(shè)計(jì)了內(nèi)圈溝位置測(cè)量專(zhuān)用裝置，使用時(shí)需將事先制作的專(zhuān)用球支架裝于此裝置的前端，將裝置的測(cè)量端在內(nèi)圈直徑方向上對(duì)準(zhǔn)內(nèi)圈溝道，旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)螺桿，將球支架上的球壓緊于內(nèi)圈溝道底部，然后置于G904儀器上即可開(kāi)始測(cè)量。

首先，將2粒半徑略小于R的鋼球(或陶瓷球)沿徑向用專(zhuān)用裝置壓緊于內(nèi)圈溝道底部。由于球的特性及溝道圓弧形狀，球受到壓力后會(huì)自然向溝底滑動(dòng)，直到與溝底完全吻合，并用螺桿施加一定的壓力，保證球在受到測(cè)量頭的壓力后不會(huì)產(chǎn)生沿內(nèi)圈軸向的移動(dòng)。然后，調(diào)整G904測(cè)量?jī)x，清潔G904底座平臺(tái)，用事先制作好的高度標(biāo)準(zhǔn)件將G904上的千分表對(duì)零。最后，將測(cè)量專(zhuān)用裝置連同內(nèi)圈按圖6所示方式置于G904底座平臺(tái)上，使千分表測(cè)頭接觸球表面，前后左右移動(dòng)測(cè)量專(zhuān)用裝置和內(nèi)圈，千分表的最大讀數(shù)即為內(nèi)圈溝位置值。

圖6 改進(jìn)測(cè)量裝置測(cè)量溝位置示意圖

2 外圈溝位置的測(cè)量分析

2.1 用D012儀器測(cè)量

D012測(cè)量?jī)x需配裝對(duì)應(yīng)規(guī)格的球支架，球支架一般按軸承用球的規(guī)格選擇，即球支架上用來(lái)充當(dāng)測(cè)量頭的球半徑都會(huì)小于外圈溝道橫截面圓弧半徑。

當(dāng)被測(cè)件放置于測(cè)量位置后，測(cè)量球會(huì)自動(dòng)與溝底吻合，從而使球心與溝位置軸線(xiàn)重合。但在測(cè)頭彈力的壓迫下，被測(cè)軸承套圈會(huì)向K方向移動(dòng)，導(dǎo)致測(cè)量球位置發(fā)生變化，使測(cè)量點(diǎn)與溝位置軸線(xiàn)之間產(chǎn)生一個(gè)位置差ΔL1，即測(cè)量時(shí)產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差，如圖7所示。

圖7 外圈溝位置測(cè)量誤差示意圖

使用D012測(cè)量外圈溝位置時(shí)必須用代用標(biāo)準(zhǔn)件將表對(duì)零，而標(biāo)準(zhǔn)件的溝道橫截面圓弧半徑R標(biāo)與被測(cè)件溝道橫截面圓弧半徑R1不相等，假設(shè)代用標(biāo)準(zhǔn)件對(duì)表時(shí)產(chǎn)生的誤差為ΔL標(biāo)1，測(cè)量被測(cè)件時(shí)所產(chǎn)生的誤差為ΔL1，用W1表示任一工件溝位置實(shí)測(cè)值，用W標(biāo)表示標(biāo)準(zhǔn)件對(duì)表時(shí)的溝位置實(shí)際值，則測(cè)量所產(chǎn)生的誤差為

ΔW=(W1-ΔL1)-(W標(biāo)-ΔL標(biāo)1)。

此外，當(dāng)溝道圓弧R的尺寸偏差為正時(shí)，在測(cè)頭壓力作用下，被測(cè)外圈向K方向移動(dòng)，測(cè)量點(diǎn)與溝位置軸線(xiàn)之間產(chǎn)生一個(gè)位置差ΔL2；R的尺寸偏差為負(fù)時(shí)，被測(cè)外圈向K方向的反方向移動(dòng)，測(cè)量點(diǎn)與溝位置軸線(xiàn)之間產(chǎn)生反方向的位置差ΔL2，如圖8所示。這是又一個(gè)測(cè)量時(shí)產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差，此誤差只在批量測(cè)量時(shí)產(chǎn)生。

圖8 外圈溝位置測(cè)量誤差示意圖(D012A)

由以上分析可知，使用D012測(cè)量軸承外圈溝位置所產(chǎn)生的總誤差為

δ=(W1-ΔL1)-(W標(biāo)-ΔL標(biāo)1)+ΔL2。

2.2 用W013儀器測(cè)量

在使用W013測(cè)量角接觸球軸承外圈溝位置時(shí)，外圈在儀器上的安放方式如圖9所示，外圈端面靠緊儀器平臺(tái)平面實(shí)現(xiàn)定位， 實(shí)際測(cè)量時(shí)W013的測(cè)頭中心線(xiàn)仍然很難保證與軸承套圈溝道橫截面軸線(xiàn)重合，因此產(chǎn)生2.1節(jié)中的誤差ΔL1。而在R變化時(shí)，同樣會(huì)產(chǎn)生2.1節(jié)中的誤差ΔL2。

圖9 外圈溝位置測(cè)量誤差示意圖(W013)

2.3 用D012C儀器測(cè)量

使用D012C測(cè)量角接觸球軸承外圈溝位置時(shí)外圈在儀器上的安放方式如圖10所示，由于測(cè)量時(shí)需要用手固定外圈以使D012C的測(cè)腳在外圈的直徑方向定位，而D012C測(cè)頭的頂端也是平頭圓柱形，與D022相似，因此測(cè)頭中心線(xiàn)很難保證與外圈溝道橫截面軸線(xiàn)重合，故會(huì)產(chǎn)生2.1節(jié)中的誤差ΔL1。同樣，當(dāng)R變化時(shí)也會(huì)產(chǎn)生2.1中的誤差ΔL2。

圖10 外圈溝位置測(cè)量誤差示意圖(D012C)

2.4 測(cè)量改進(jìn)

針對(duì)角接觸球軸承外圈的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了外圈溝位置測(cè)量專(zhuān)用裝置(圖11)。使用時(shí)需將事先制作的專(zhuān)用球支架裝于此裝置的前端，并將測(cè)量端在外圈直徑方向上對(duì)準(zhǔn)外圈溝道，旋轉(zhuǎn)手柄轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)螺桿，將球支架上的球壓緊于外圈溝道底部，即可開(kāi)始測(cè)量。

1—專(zhuān)用球支架；2—H形滑塊；3—測(cè)腳軸；4—調(diào)節(jié)螺桿；5—旋轉(zhuǎn)手柄；6—測(cè)腳；7—上彈簧擋圈；8—下彈簧擋圈

在G904儀器上使用專(zhuān)用裝置測(cè)量外圈溝位置的測(cè)量原理如圖12所示。首先，將2粒半徑略小于R的球置于外圈溝道底部，轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)螺桿將球壓緊貼于溝道表面，保證球在受到測(cè)量頭的壓力后不會(huì)產(chǎn)生沿套圈軸向的移動(dòng)。調(diào)整G904軸承測(cè)量?jī)x，清潔儀器底坐平臺(tái)并將表對(duì)零。將測(cè)量裝置與外圈按圖12所示方式置于G904平臺(tái)上，使千分表測(cè)頭接觸球表面，前后左右移動(dòng)測(cè)量裝置和外圈，千分表的最大讀數(shù)即為外圈溝位置值。

1—被測(cè)軸承外圈;2—G904千分表測(cè)頭；3—改造后的球支架;4—正常球支架

3 結(jié)束語(yǔ)

角接觸球軸承套圈溝位置測(cè)量時(shí)有2個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：(1)儀器測(cè)頭無(wú)法對(duì)準(zhǔn)套圈溝道橫截面軸線(xiàn)；(2)測(cè)量系統(tǒng)依靠多個(gè)儀器時(shí)，無(wú)法保證系統(tǒng)的整體精度。為此，設(shè)計(jì)了測(cè)量專(zhuān)用裝置，雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但克服了上述2個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。設(shè)計(jì)的測(cè)量專(zhuān)用裝置也存在不足：(1)溝擺測(cè)量只能采用選點(diǎn)法，無(wú)法快速完成測(cè)量；(2)夾緊過(guò)程中測(cè)量球會(huì)對(duì)溝道形成壓痕，因此這種測(cè)量方法只適用于溝道超精以前的工序。

如果在生產(chǎn)實(shí)際中需要同時(shí)測(cè)量角接觸球軸承的溝位置和溝擺(內(nèi)外圈溝道相對(duì)于端面的平行度)，則需要同時(shí)使用上述裝置與D012A，D022測(cè)量?jī)x。