圓柱滾子軸承保持架鎖爪變形控制分析

趙燕，李迎麗，王喆，杜杰

(中航工業(yè)哈爾濱軸承有限公司，哈爾濱 150000)

圓柱滾子軸承銅合金實(shí)體保持架結(jié)構(gòu)緊湊、強(qiáng)度高，運(yùn)轉(zhuǎn)性能及抗沖擊能力均優(yōu)于鋼制組合式保持架，是高速、高溫等高性能軸承常采用的結(jié)構(gòu)。保持架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，為了將滾子裝入保持架和套圈(內(nèi)圈或外圈)后，使三者形成不可分離的組件，避免成品軸承發(fā)生散套，通常在保持架的外徑面或內(nèi)徑面部位設(shè)計(jì)有鎖爪，起到鎖住滾子的作用。

在軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，鎖爪部位并不參與軸承的工作，但如果該部位的加工尺寸、形狀控制不當(dāng)將會(huì)影響軸承的正常工作，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致保持架斷裂故障的發(fā)生。

1 鎖爪的形成過(guò)程

目前，國(guó)內(nèi)軸承生產(chǎn)廠家多通過(guò)凸模沖壓變形的方式加工保持架鎖爪，這種加工方式稱為劈爪。在劈爪前需形成預(yù)劈爪，即使用銑刀將前工序預(yù)留的鎖爪位置的中部材料去除(圖1)，改善其結(jié)構(gòu)塑性。預(yù)劈爪后再進(jìn)行劈爪，通過(guò)凸模對(duì)鎖爪施加力使鎖爪頂部分別向兩側(cè)產(chǎn)生少量的塑性變形，同時(shí)產(chǎn)生一定的加工硬化，增加局部強(qiáng)度，鎖住滾子(圖2、圖3)。保持架材料的組織、塑性性能以及鎖爪加工方式對(duì)鎖爪變形及變形后的強(qiáng)度有重要影響。

圖1 預(yù)劈爪前、后鎖爪形狀示意圖

圖2 凸模沖壓鎖爪變形示意圖

圖3 劈爪后的鎖爪形貌

采用該方式加工的鎖爪，要求滾子不得從鎖爪位置掉出，滾子裝入保持架后，應(yīng)能隨保持架裝入內(nèi)圈或外圈，在鎖點(diǎn)和滾道的共同限制下，使保持架、滾子和套圈三者形成組件；軸承裝配完成后，受內(nèi)、外滾道位置的限制，滾子與鎖爪之間有一定的間隙，不會(huì)產(chǎn)生接觸，對(duì)軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)無(wú)影響。滾子在內(nèi)、外滾道的限制下與鎖爪的位置關(guān)系如圖4所示。

圖4 軸承裝配后滾子與鎖爪位置示意圖

2 出現(xiàn)的問(wèn)題

2.1 鎖爪斷裂或裂紋

某型圓柱滾子軸承外形尺寸為φ24 mm×φ37 mm×9 mm，鎖爪位于保持架外徑面，單耳結(jié)構(gòu)。軸承轉(zhuǎn)速為39 800 r/min，徑向載荷為400 N，屬于高速輕載運(yùn)轉(zhuǎn)。該軸承使用過(guò)程中陸續(xù)發(fā)生了保持架鎖爪斷裂故障，斷裂的鎖爪均位于兜孔的同一側(cè)，且斷裂部位均為鎖爪頂端，形貌如圖5所示。

(a)兜孔同一側(cè)鎖爪斷裂

將故障軸承放平觀察，發(fā)現(xiàn)鎖爪存在不對(duì)稱現(xiàn)象，一側(cè)鎖爪變形過(guò)大，頂端已與滾子有明顯接觸，且尚未斷裂的鎖爪已出現(xiàn)裂紋(圖6、圖7)。對(duì)同批次庫(kù)存新軸承進(jìn)行復(fù)查，發(fā)現(xiàn)個(gè)別軸承也存在鎖爪變形過(guò)大,與滾子有明顯接觸的現(xiàn)象。

圖7 鎖爪頂部產(chǎn)生裂紋

通過(guò)分析確認(rèn)故障的產(chǎn)生與鎖爪加工質(zhì)量有關(guān)，若尺寸和形狀控制不當(dāng)，一側(cè)鎖爪變形過(guò)大與滾子產(chǎn)生接觸，軸承高速運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，鎖爪在滾子的不斷碰撞沖擊下會(huì)發(fā)生斷裂。

除了單耳結(jié)構(gòu)鎖爪的斷裂問(wèn)題外，在雙耳結(jié)構(gòu)的鎖爪中還曾發(fā)現(xiàn)鎖爪的根部存在裂紋的現(xiàn)象(圖8、圖9)。

圖8 雙耳結(jié)構(gòu)鎖爪形貌

圖9 鎖爪根部裂紋

2.2 異常接觸痕跡

除斷裂和裂紋問(wèn)題外，鎖爪加工質(zhì)量控制不當(dāng)還會(huì)導(dǎo)致保持架兜孔出現(xiàn)異常接觸痕跡。正常情況下，滾子與保持架橫梁的接觸痕跡如圖10所示，是具有一定寬度的直線狀接觸形貌。異常情況下，如某型圓柱滾子軸承在工作5 h后檢查，即發(fā)現(xiàn)保持架同一兜孔中，一側(cè)橫梁呈兩點(diǎn)接觸痕跡，另一側(cè)橫梁呈一點(diǎn)接觸痕跡(圖11)。

圖10 保持架兜孔正常接觸痕跡示意圖

圖11 保持架兜孔異常接觸痕跡示意圖

通過(guò)輪廓儀沿軸向檢測(cè)兩側(cè)橫梁，結(jié)果表明兩側(cè)橫梁表面有明顯的凸、凹區(qū)域，凸點(diǎn)分別與兩側(cè)橫梁的兩點(diǎn)和一點(diǎn)接觸痕跡位置相對(duì)應(yīng)。

經(jīng)后期分析確認(rèn)，該異常接觸痕跡的形成，是因?yàn)榕r(shí)凸模進(jìn)入鎖爪過(guò)深，使鎖爪根部變形從而帶動(dòng)橫梁也隨之發(fā)生變形，形成凸凹點(diǎn)，工作過(guò)程中滾子與橫梁凸點(diǎn)接觸，出現(xiàn)異常接觸痕跡。

3 原因分析

通過(guò)對(duì)保持架鎖爪加工過(guò)程的排查和分析，確認(rèn)上述保持架鎖爪裂紋、斷裂或兜孔異常接觸現(xiàn)象的產(chǎn)生與材料性能因素?zé)o關(guān)，而均與劈爪加工過(guò)程中預(yù)劈爪加工控制不當(dāng)、凸模角度選用不合理及凸模行程無(wú)限位等因素有關(guān)。

3.1 預(yù)劈爪位置控制不當(dāng)

通過(guò)銑刀形成預(yù)劈爪過(guò)程中，銑刀未與鎖爪中心線重合，出現(xiàn)偏離，導(dǎo)致兩側(cè)鎖爪厚度有明顯的差異，使在后續(xù)裝配劈爪中兩側(cè)鎖爪變形不一致，較薄的一側(cè)變形過(guò)大與滾子產(chǎn)生接觸，在工作過(guò)程中滾子與鎖點(diǎn)發(fā)生碰撞，產(chǎn)生裂紋或斷裂。

3.2 凸模角度選用不合理

通常保持架預(yù)劈爪后，爪間夾角一般為45°～50°，而保持架裝配劈爪的凸模夾角為120°，兩者間的角度差為70°～75°，過(guò)大的角度差一方面使劈爪變形跨度過(guò)大、變形過(guò)快使脆性材質(zhì)易出現(xiàn)裂紋，另一方面也容易導(dǎo)致劈爪與凸模尖角對(duì)中時(shí)凸模中心出現(xiàn)偏移，而使兩側(cè)劈爪變形不一致，出現(xiàn)不對(duì)稱現(xiàn)象(圖12)。

圖12 鎖爪沖壓異常變形

3.3 劈爪時(shí)施力不均，凸模受力不一致

劈爪加工是操作者憑借經(jīng)驗(yàn)通過(guò)手動(dòng)錘對(duì)凸模施加力，使鎖爪頂部向兩側(cè)張開產(chǎn)生一定的變形鎖住滾子，工裝如圖13所示。鎖爪的變形應(yīng)不影響軸承的裝配，對(duì)軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)不產(chǎn)生干涉，但在劈爪過(guò)程中若操作者施力過(guò)大，凸模完全進(jìn)入鎖爪與鎖爪根部接觸，在沖擊力的作用下，導(dǎo)致鎖爪根部發(fā)生變形，從而帶動(dòng)兜孔橫梁區(qū)域也隨之發(fā)生變形，出現(xiàn)凸凹不平現(xiàn)象，使橫梁產(chǎn)生異常接觸痕跡。

圖13 保持架裝配劈爪工裝及凸模形貌

4 解決措施

1)在預(yù)劈爪時(shí)，對(duì)銑刀與鎖爪中心的一致性進(jìn)行控制，確保兩側(cè)鎖爪位置的對(duì)稱性和厚度的一致性。

2)減小凸模夾角，將凸模夾角由120°降低到90°，對(duì)鎖爪較厚的保持架還可分別采用70°和90°夾角的凸模進(jìn)行二次劈爪，以避免鎖爪變形過(guò)大產(chǎn)生裂紋或?qū)L子運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生干涉。

3)將手動(dòng)敲擊凸模進(jìn)行劈爪的方式改為固定模具氣動(dòng)方式對(duì)凸模施加力，確保施力大小的一致性，以控制凸模的行程，避免施力過(guò)大使鎖爪根部出現(xiàn)變形，同時(shí)也可保證鎖點(diǎn)加工質(zhì)量的一致性。

4)劈爪后對(duì)鎖爪的夾角θ及厚度S1，S2進(jìn)行檢測(cè)，要求S1，S2兩者的厚度差不大于0.1 mm，檢測(cè)部位如圖14所示；同時(shí)還要求通過(guò)熒光磁粉滲透的方式檢查鎖爪裂紋缺陷。

圖14 鎖爪的厚度及夾角

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)以上改進(jìn)措施,因鎖爪加工質(zhì)量控制不當(dāng)導(dǎo)致的鎖爪斷裂、裂紋或異常接觸痕跡等問(wèn)題得到有效解決，未再發(fā)生同類問(wèn)題，有效保證了鎖爪的加工質(zhì)量?，F(xiàn)已將上述措施應(yīng)用于多個(gè)型號(hào)圓柱滾子軸承類似結(jié)構(gòu)的保持架鎖爪加工工藝控制過(guò)程中，效果顯著，可為類似結(jié)構(gòu)保持架鎖爪的加工提供借鑒。