防止外球面軸承外圈變形的密封件沖壓模設(shè)計(jì)

朱克明

（常熟長(zhǎng)城軸承有限公司，江蘇 常熟 215500）

目前，滾動(dòng)軸承密封件的裝配通常是采用特定的工裝將密封件通過沖壓方式壓入軸承外圈對(duì)應(yīng)的密封槽中，密封件受力變形進(jìn)入外圈密封槽的同時(shí)，密封槽受到作用力，使得外圈直徑有向外擴(kuò)張的趨勢(shì)。由于該裝配沖壓力具有時(shí)變特征且各處不均勻，使得軸承外徑向外擴(kuò)張變形的結(jié)果也不一致。通常當(dāng)密封件被沖壓進(jìn)入軸承密封槽后，會(huì)使軸承外徑尺寸變大，同時(shí)伴隨有較大的圓度誤差。

針對(duì)密封件裝配引起的外圈尺寸變化問題，一般控制方法是增加外徑整形工序，但存在的不足是：對(duì)變形嚴(yán)重的工件，整形效果差；對(duì)不同外表面（如圓柱面、球面）的軸承，由于密封槽的結(jié)構(gòu)尺寸不同而引起的徑向壁厚不同，整形相對(duì)復(fù)雜，制造成本增加。因此，以外球面軸承密封件沖壓裝配工藝為例，從研究沖壓模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)入手，分析沖壓時(shí)該類軸承的外徑受力情況，提出防變形結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原理及實(shí)施方式［1］。

1 軸承密封件裝配受力分析

外球面軸承密封件結(jié)構(gòu)及成形受力分析如圖1所示。裝配時(shí)凸模向下壓密封件頂部，密封件變形向密封槽內(nèi)運(yùn)動(dòng)，直至完全進(jìn)入密封槽內(nèi)。以任一工作截面對(duì)工藝過程進(jìn)行受力分析，圖中，F(xiàn)1為凸模向下的壓力；F2為軸承支承面的反力；F3為密封件在變形進(jìn)入密封槽時(shí)對(duì)外球面軸承外徑壓力的合力（忽略截面上的重力）。正是F3造成了外圈外徑的變化。

圖1 外球面軸承密封件裝配受力分析圖Fig.1 Load analysis diagram during assmbly of seals of insert bearing

與同規(guī)格的圓柱面軸承相比，外球面軸承密封槽的平均壁厚更小，因此，外球面軸承密封件裝配后外圈外徑更容易產(chǎn)生尺寸和形狀變形。同時(shí)外球面半徑的變大，也將嚴(yán)重影響軸承與軸承座之間的裝配［2］。

2 沖壓模防變形設(shè)計(jì)基本原理

為減小密封件沖壓過程中對(duì)外圈的變形影響，應(yīng)采取一定的辦法使密封件在被壓入密封槽并延伸接觸到外圈時(shí)，給予一定的反力以平衡F3對(duì)外球面軸承外徑的擴(kuò)張作用。由于外球面軸承外徑面為球面，基于力平衡原理，需要準(zhǔn)確判定F3的位置并在外球面對(duì)應(yīng)處形成共線反向的反作用力F4。

依據(jù)受力分析，結(jié)合現(xiàn)有沖模結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)外球面軸承外圈防變形沖壓模如圖2所示。彈簧組件和外環(huán)依次套裝在凸模的外表面，將彈簧組件的上端通過鎖緊圈固定在凸模上，彈簧組件的下端與外環(huán)的上端面相接觸。外環(huán)的內(nèi)表面設(shè)計(jì)成階梯狀與凸模外表面的階梯相適配，使外環(huán)能夠在凸模的外表面上下移動(dòng)。為保證外環(huán)與外球面軸承外徑面（球面）的可靠接觸，將外環(huán)頭部?jī)?nèi)表面設(shè)計(jì)為斜面，當(dāng)凸模下降時(shí)，外環(huán)同時(shí)下降與外球面接觸。用鎖緊圈調(diào)節(jié)彈簧的松緊，可改變外環(huán)斜面與外徑面的接觸位置和施力狀況，不僅能用于調(diào)節(jié)F3與反作用力F4的共線位置，而且能調(diào)節(jié)F4的大?。?］。

圖2 外球面軸承密封件沖壓模結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of stamping die for seals of insert bearing

3 沖壓模設(shè)計(jì)關(guān)鍵參數(shù)確定

3.1 外環(huán)斜面與外圈接觸角α

由于防變形沖壓模外環(huán)斜面與外球面軸承外圈接觸點(diǎn)上的反作用力F4具有平衡變形力F3的作用，因此，外環(huán)斜面與外圈接觸角α的確定應(yīng)該力求F4與F3滿足反向、共線的條件。接觸角α分析計(jì)算圖如圖3所示。

圖3 外環(huán)斜面與外圈接觸角α分析計(jì)算圖Fig.3 Analysis and calculation diagram of contact angleα between outer ring oblique plane and outer ring

當(dāng)α確定后，可根據(jù)凸模運(yùn)動(dòng)情況及密封圈深度，確定外環(huán)斜面高度、厚度等其他尺寸［4］。

3.2 外環(huán)結(jié)構(gòu)尺寸與彈簧組件參數(shù)

沖壓模平衡反作用力F4的大小通過彈簧組件參數(shù)予以調(diào)節(jié)。外環(huán)在凸模下降并與外圈接觸時(shí)的任一截面的受力如圖4所示（截面圖中忽略了外環(huán)重力）。

由圖4可知，當(dāng)凸模下降，外環(huán)與外球面軸承外圈接觸時(shí)，外環(huán)受到自身重力W與彈簧壓力F的作用，形成正壓力N作用于外圈，其水平分力形成與F3的平衡力F4。當(dāng)僅考慮彈簧壓力時(shí)，則

圖4 沖壓模外環(huán)任一截面的受力分析簡(jiǎn)圖Fig.4 Load analysis diagram of any cross section of outer ring of stamping die

式中：k為彈簧的彈性系數(shù)；x為彈簧由鎖緊圈與凸模臺(tái)階面配合后產(chǎn)生的位移。

由于F3和F4在實(shí)際工況中均沿外圈外徑面圓周分布，故考慮在外環(huán)上端面沿圓周均布N個(gè)彈簧，由此外環(huán)斜面給予外圈的總平衡力為

綜合（1）～（3）式，就可以確定外環(huán)及彈簧組件的相關(guān)數(shù)據(jù)。實(shí)際設(shè)計(jì)過程一般步驟為：

1）根據(jù)密封件結(jié)構(gòu)估算變形力F3；

2）依據(jù)F′4＝NF4＝F3的原則，初步估算N，x的值，一般情況下可取N＝6～8，x則視凸模臺(tái)階位置及鎖緊圈行程適當(dāng)選取；

3）根據(jù)（1）式確定的α及凸模尺寸，確定外環(huán)及彈簧組件的k等相關(guān)數(shù)據(jù)。

4 改進(jìn)效果

采用205KRRB2新沖壓模具對(duì)205KRRB2外球面軸承進(jìn)行密封圈沖壓裝配，其中，裝配后軸承精度要求為：?jiǎn)我黄矫嫫骄鈴狡瞀mp為0～－13μm，單一平面外徑變動(dòng)量VDsp不大于20 μm。裝配試驗(yàn)結(jié)果表明（表1），軸承尺寸及精度均合格，說明設(shè)計(jì)的沖壓模合理、有效。

表1 205KRRB2新沖壓模具沖壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 Stamping experimental data of new stamping die 205KRRB2 μm

5 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于密封軸承特別是外圈結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的密封軸承，其密封圈沖壓過程中的外徑變形問題，必須從制造工藝分析和工藝裝備改進(jìn)兩方面進(jìn)行研究，以解決問題。由于軸承種類及規(guī)格繁多，改進(jìn)設(shè)計(jì)方案應(yīng)建立在對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和要求充分理解以及熟練應(yīng)用工程力學(xué)和機(jī)械設(shè)計(jì)等相關(guān)理論的基礎(chǔ)上，力求通過試驗(yàn)及持續(xù)改進(jìn)使制造過程盡可能符合產(chǎn)品技術(shù)要求，從而更好地提升制造水平、經(jīng)濟(jì)效益。文中設(shè)計(jì)的外球面軸承密封圈沖壓模實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明：模具裝配調(diào)整方便，密封沖壓變形小，質(zhì)量穩(wěn)定，較好地解決了外球面軸承密封件沖壓時(shí)外圈的變形問題。