微型角接觸推力球軸承溝道輪廓測(cè)量工裝設(shè)計(jì)

崔靜偉，張旭，蘇海龍，張風(fēng)琴，姚海波

(1.洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039；2.河南省高性能軸承技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽471039； 3.滾動(dòng)軸承產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，河南 洛陽 471039；4.第一拖拉機(jī)股份有限公司 第三裝配廠，河南 洛陽 471004)

由于角接觸推力球軸承的球徑小，球數(shù)較多，能夠承受較重的雙向軸向載荷，軸向剛性好，適用于較高轉(zhuǎn)速的工況，因此在車床、鉆床、鏜床等機(jī)床上應(yīng)用廣泛[1]。軸承零件的質(zhì)量控制是保證成品軸承各項(xiàng)性能的基礎(chǔ)[2-3]，在軸承零件加工過程中，通常采用表面形貌測(cè)量?jī)x檢測(cè)內(nèi)、外套圈的溝道形狀誤差和表面粗糙度，測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性直接影響著軸承的回轉(zhuǎn)精度、配合性及表面磨損等性能指標(biāo)。測(cè)量過程中，離散測(cè)量點(diǎn)的采集應(yīng)在套圈溝道的實(shí)際工作面進(jìn)行，由于表面形貌測(cè)量?jī)x的三維工作臺(tái)最大只能旋轉(zhuǎn)45°，使用直接采集到的測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行輪廓評(píng)定無法反映溝道真實(shí)的工作表面質(zhì)量。因此，在現(xiàn)有表面形貌測(cè)量?jī)x的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出輔助工裝，以實(shí)現(xiàn)接觸角為60°的微型角接觸推力球軸承套圈溝道有效區(qū)間上的測(cè)量點(diǎn)采集，從而對(duì)溝道的工作表面質(zhì)量進(jìn)行控制。

1 測(cè)量?jī)x器及原理

某微型角接觸推力球軸承內(nèi)徑為6 mm，高度為6.12 mm，溝曲率半徑為1.66 mm，接觸角最大62°，最小58°。在精磨溝道工序中，溝曲率半徑偏差精度要求如圖1所示，其中溝道表面過點(diǎn)A的法線與軸承徑向平面的夾角為0°，過點(diǎn)B的法線與軸承徑向平面的夾角為60°。

圖1 內(nèi)圈溝道曲率半徑精度

溝道形狀誤差(溝曲率半徑偏差)的評(píng)定原理是先在溝道工作面的有效區(qū)間內(nèi)采集一系列離散點(diǎn)，再用一定的方法(如最小二乘圓弧法)對(duì)采集的離散點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，根據(jù)加工精度要求選擇合適的有效數(shù)字，最終計(jì)算出實(shí)際溝道形狀誤差。技術(shù)人員及相關(guān)質(zhì)量檢測(cè)人員依據(jù)測(cè)量結(jié)果指導(dǎo)機(jī)床操作人員控制機(jī)床參數(shù)，使溝道形狀誤差控制在工藝要求的精度內(nèi)。實(shí)際生產(chǎn)過程中，采用XM-200型觸針式表面形貌測(cè)量?jī)x(圖2)進(jìn)行測(cè)量。

1—儀器測(cè)量基座；2—Z向傳動(dòng)系統(tǒng)；3—X向裝置； 4—Z向電動(dòng)機(jī)；5—Z向手動(dòng)調(diào)整旋鈕；6—立柱導(dǎo)軌； 7—電感傳感器；8—金剛石測(cè)頭；9—被測(cè)軸承套圈； 10—旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)；11—多維工作臺(tái)

XM-200在對(duì)溝道進(jìn)行輪廓分析時(shí)，評(píng)定長(zhǎng)度按溝曲率半徑的0.707截取，即以測(cè)量中心點(diǎn)位置左右擺角20.7°為評(píng)定區(qū)域，擺角α=41.4°。則分別以A，B點(diǎn)為測(cè)量中心點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量評(píng)定的評(píng)定區(qū)域如圖3所示,以A點(diǎn)為測(cè)量中心點(diǎn)的測(cè)量區(qū)間記為弧l1，以B點(diǎn)為測(cè)量中心點(diǎn)的測(cè)量區(qū)間記為弧l2。

圖3 擺角為α的評(píng)定區(qū)域示意圖

測(cè)量過程中，金剛石測(cè)頭測(cè)量的離散點(diǎn)是以A點(diǎn)所在平面(接觸角為0°)為中心進(jìn)行采集，由于溝較深，且套圈兩邊的凸臺(tái)與形貌測(cè)量?jī)x上的傳感器測(cè)頭干涉，l1不能完全包含l2，極限偏差時(shí)，l1與l2甚至沒有交集。若以A點(diǎn)為測(cè)量評(píng)定中心點(diǎn)，則采集的測(cè)量點(diǎn)不是套圈溝道上實(shí)際工作面上的點(diǎn)，后續(xù)數(shù)據(jù)處理計(jì)算出的結(jié)果不能反映溝道實(shí)際工作面的溝道形狀誤差和表面粗糙度，用于評(píng)判溝道形狀誤差及表面粗糙度是否滿足加工質(zhì)量要求也不科學(xué)，將影響成品軸承的旋轉(zhuǎn)精度等性能，甚至導(dǎo)致軸承成批報(bào)廢，浪費(fèi)人力物力。

以B點(diǎn)為測(cè)量評(píng)定中心點(diǎn)的l2包含了套圈溝道在實(shí)際工作中的接觸面(線)，是理想的離散數(shù)據(jù)采集區(qū)域，溝道輪廓分析的評(píng)定長(zhǎng)度也完全包含了溝道的實(shí)際工作區(qū)域，得到的評(píng)定結(jié)果能真實(shí)、有效地反映工序中對(duì)溝道輪廓的精度要求。

2 測(cè)量工裝設(shè)計(jì)

XM-200多維工作臺(tái)上的旋轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)角度為-45°～45°，若將套圈直接安放于旋轉(zhuǎn)臺(tái)上的V形槽中，即使旋轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)到最大角度，測(cè)量?jī)x采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)也不能完全處于溝道理想的有效區(qū)間，因此需要設(shè)計(jì)能夠使工件旋轉(zhuǎn)60°的定位測(cè)量工裝，如圖4所示。

1—定位工裝；2—被測(cè)套圈；3—固定螺釘

為了防止測(cè)量過程中測(cè)量工裝發(fā)生輕微轉(zhuǎn)動(dòng)，使測(cè)頭所測(cè)量的套圈輪廓不再是過軸心線的軸向平面與套圈溝道表面相交的輪廓，而是與軸向平面產(chǎn)生一夾角，定位工裝與V形槽接觸部分設(shè)計(jì)成V形面。當(dāng)定位測(cè)量工裝安放在三維工作臺(tái)的V形槽中時(shí)，工裝與V形槽的V形面能夠緊密貼合，從而提高測(cè)量的有效性和精確性。微型角接觸推力球軸承溝道檢測(cè)定位工裝工作狀態(tài)如圖5所示。

1—定位工裝；2—被測(cè)套圈；3—固定螺釘；4—傳感器測(cè)頭

測(cè)量時(shí)，先使用固定螺釘將被測(cè)套圈固定到定位工裝上，再將定位工裝吸到磁鐵上放于V形槽內(nèi)，操作儀器，移動(dòng)傳感器測(cè)頭接近被測(cè)套圈，使測(cè)頭向左側(cè)移動(dòng)到初始測(cè)量點(diǎn)(可適當(dāng)移動(dòng)1～2 mm，排除儀器本身因電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)造成的測(cè)頭跳動(dòng))開始測(cè)量，使測(cè)頭經(jīng)過溝道工作面的有效區(qū)間，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，進(jìn)入儀器分析界面，記錄測(cè)量結(jié)果。

3 實(shí)際測(cè)量

由圖1可知，內(nèi)圈溝道形狀誤差精度要求不大于1.1 μm。對(duì)10件溝道形狀誤差測(cè)量結(jié)果(以A點(diǎn)為測(cè)量中心)不合格的樣品按圖5方法重新進(jìn)行測(cè)量，使用測(cè)量工裝前后的測(cè)量結(jié)果見表1。

表1 溝道形狀誤差的測(cè)量結(jié)果 μm

由表可知，在以B點(diǎn)為中心的有效工作面測(cè)量區(qū)域進(jìn)行測(cè)量后，有7件合格品，且不合格的3件套圈的測(cè)量結(jié)果也與之前結(jié)果明顯不同，說明測(cè)量區(qū)域的選取直接影響測(cè)量結(jié)果。使用設(shè)計(jì)的輔助測(cè)量工裝進(jìn)行向心推力球軸承溝道的輪廓測(cè)量，可以在溝道的有效工作區(qū)間上進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，滿足測(cè)量評(píng)定結(jié)果真實(shí)性的要求，測(cè)量結(jié)果可以為套圈生產(chǎn)加工提供有效的質(zhì)量控制參數(shù)。

4 結(jié)束語

針對(duì)接觸角為60°的微型角接觸推力球軸承溝道輪廓測(cè)量中測(cè)量數(shù)據(jù)的采集問題，設(shè)計(jì)了定位測(cè)量工裝，使溝道有效工作區(qū)間置于測(cè)頭更方便測(cè)量的方位。避免了由于溝道較深、套圈帶凸臺(tái)等因素引起的測(cè)頭與工件干涉問題，使套圈實(shí)際參與工作的區(qū)間包含在數(shù)據(jù)采集區(qū)域和評(píng)定區(qū)域內(nèi)，測(cè)量出溝道的曲率半徑偏差(表面粗糙度、波紋度也可在這一測(cè)量過程中得出)，為機(jī)床加工參數(shù)及零件質(zhì)量的控制提供真實(shí)、有效的依據(jù)。同時(shí)，對(duì)其他角接觸軸承套圈溝道形狀誤差檢測(cè)及測(cè)量工裝設(shè)計(jì)提供一定的參考。