調(diào)心滾子軸承合套精度的測(cè)量誤差分析與優(yōu)化

張恩赫，楊亮，孫晗

(1.瓦房店軸承集團(tuán)有限責(zé)任公司，遼寧 瓦房店 116300; 2.大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)*

軸承合套是指將已加工完成的內(nèi)圈、外圈、滾子及保持架組裝成為一體的軸承，合套[1-6]后的精度主要由游隙決定.調(diào)心滾子軸承裝配合套時(shí)經(jīng)常有游隙過小和過大現(xiàn)象的出現(xiàn).只能通過修復(fù)套圈滾道尺寸或更換套圈保證游隙在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi).經(jīng)過長(zhǎng)期的現(xiàn)場(chǎng)跟蹤試驗(yàn)[7-9]，當(dāng)出現(xiàn)游隙不合格產(chǎn)品時(shí)，按實(shí)測(cè)的游隙通過理論計(jì)算更換外圈后游隙合格.而更換內(nèi)圈有游隙不合格的現(xiàn)象出現(xiàn)[10-11].將原有的內(nèi)圈和更換后的內(nèi)圈送到三坐標(biāo)檢測(cè)，端面和內(nèi)滾道與車間的檢測(cè)結(jié)果不同[12-13].由于三坐標(biāo)是現(xiàn)行業(yè)公認(rèn)精度高的測(cè)量設(shè)備，說(shuō)明現(xiàn)行的測(cè)量方法存在一定誤差.針對(duì)此現(xiàn)象，研發(fā)了平面在線測(cè)量?jī)x和綜合滾道測(cè)量?jī)x測(cè)量端面和滾道，提高測(cè)量精度.

1 調(diào)心滾子軸承的有限元分析

為了研究軸承游隙與接觸應(yīng)力的關(guān)系，采用MASTA軟件對(duì)其進(jìn)行分析.MASTA建模計(jì)算分析主要由以下幾步：

(1)建立計(jì)算模型，這是整個(gè)仿真計(jì)算的基礎(chǔ)，模型的正確性直接影響到計(jì)算結(jié)果.因?yàn)楸狙芯恐饕紤]游隙對(duì)軸承的影響，并沒有具體的使用模型，所以只是建立了一個(gè)簡(jiǎn)單的軸承與軸的幾何模型.

(2)對(duì)模型進(jìn)行工況的輸入和載荷譜的建立.在本次仿真計(jì)算中，以24164CA/C3W33為例，對(duì)軸承輸入一個(gè)的徑向力，根據(jù)軸承常用的工況，力的大小為15%的軸承額定動(dòng)載荷，同時(shí)軸的轉(zhuǎn)速為70 r/min.

(3)執(zhí)行系統(tǒng)變形分析，選擇最小游隙C2平均值0.16 mm和最大游隙C5平均值0.62 mm查看不同游隙下軸承的接觸應(yīng)力的變化，如圖1所示.

(a)游隙為0.16 mm

圖中右側(cè)圖形為單側(cè)20粒滾子的受力情況，深色區(qū)域?yàn)槭芰^(qū)域.當(dāng)游隙為0.16 mm時(shí)，單側(cè)有7粒滾子受力(3#～9#滾子)，6#滾子受力最大，為2 000 MPa.當(dāng)游隙為0.62 mm時(shí)，單側(cè)有5粒滾子受力(4#～8#滾子)，6#滾子受力最大，為2 200 MPa.說(shuō)明軸承游隙越大，承受載荷的滾子數(shù)減少，最大接觸應(yīng)力增加，而最大接觸應(yīng)力直接影響軸承壽命.所以在調(diào)心滾子軸承生產(chǎn)中控制軸承游隙至關(guān)重要.在調(diào)心滾子軸承加工過程中測(cè)量的準(zhǔn)確性對(duì)游隙有直接影響，故本文對(duì)調(diào)心滾子軸承測(cè)量方法進(jìn)行優(yōu)化，提高測(cè)量精度，提高合套精度.

2 內(nèi)圈端面測(cè)量方法優(yōu)化

2.1 千分尺和卡尺測(cè)量端面存在的問題

測(cè)量?jī)?nèi)圈端面尺寸時(shí)，通常采用千分尺或卡尺測(cè)量.千分尺測(cè)量精度可以精確到0.01 mm.采用千分尺測(cè)量時(shí)需要先將內(nèi)圈置于測(cè)砧與測(cè)微螺桿的端面之間，如圖2所示.但該測(cè)量方法依靠操作人員手感和經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定是否擰準(zhǔn)，不同時(shí)間、不同人使用不同力操作會(huì)導(dǎo)致結(jié)果出現(xiàn)偏差，同時(shí)每次測(cè)量時(shí)千分尺螺桿都會(huì)與內(nèi)圈端面滑動(dòng)，時(shí)間長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致千分尺螺桿磨損，嚴(yán)重影響測(cè)量結(jié)果.

圖2 千分尺測(cè)量端面尺寸

卡尺結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、用途廣泛、使用方便、能滿足一般精度的測(cè)量要求，如圖3所示.但經(jīng)過長(zhǎng)期使用，發(fā)現(xiàn)卡尺測(cè)量軸承端面時(shí)存在一定誤差.卡尺尺身與尺框之間的配合為間隙配合，因游標(biāo)刻線面與主尺刻線面有一定的距離，檢測(cè)時(shí)易產(chǎn)生視覺誤差；并且卡尺與主尺在測(cè)量端面時(shí)，容易出現(xiàn)不平行情況，導(dǎo)致讀數(shù)誤差，測(cè)量尺寸與實(shí)際不符.

圖3 卡尺測(cè)量端面尺寸

2.2 端面測(cè)量誤差對(duì)軸承質(zhì)量的影響

現(xiàn)以24164CA/C3W33為例，將千分尺與卡尺端面測(cè)量誤差對(duì)調(diào)心滾子軸承游隙影響進(jìn)行了分析，圖4為調(diào)心滾子軸承內(nèi)圈結(jié)構(gòu)圖，根據(jù)其結(jié)構(gòu)可推算出內(nèi)滾道接觸點(diǎn)直徑di與其他元素的關(guān)系，如式(1).

圖4 調(diào)心滾子軸承內(nèi)圈參數(shù)

(1)

圖中，ai為滾子與內(nèi)滾道接觸點(diǎn)到端面的距離；di為內(nèi)滾道接觸點(diǎn)直徑；dix為內(nèi)滾道尺寸；B為內(nèi)圈端面；R為內(nèi)滾道曲率半徑；X為曲率中心線徑向距離；Y為曲率中心線軸向距離.

選取10件端面加工后的內(nèi)圈，分別使用千分尺、卡尺和三坐標(biāo)檢測(cè)儀對(duì)其端面尺寸進(jìn)行測(cè)量，將三種測(cè)量方法所得結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表1所示.千分尺與三坐標(biāo)檢測(cè)儀測(cè)量?jī)?nèi)圈端面寬度偏差相差-0.15～+0.11 mm.卡尺與三坐標(biāo)檢測(cè)儀測(cè)量?jī)?nèi)圈端面寬度偏差相差-0.10～+0.12 mm.通過式(1)可推算出，當(dāng)端面測(cè)量誤差為+0.12 mm，即內(nèi)圈寬度為218.12 mm，計(jì)算內(nèi)滾道接觸點(diǎn)直徑di=378.567 mm；若測(cè)量誤差為-0.15 mm，即內(nèi)圈寬度為217.85 mm，計(jì)算得內(nèi)滾道接觸點(diǎn)直徑di=378.635 mm，相差0.068 mm.

表1 千分尺、卡尺與三坐標(biāo)檢測(cè)儀測(cè)量結(jié)果對(duì)比

但實(shí)際加工中，操作人員并不知道端面測(cè)量結(jié)果有誤差，在內(nèi)滾道首件完成后，進(jìn)行試驗(yàn)裝配合套，確認(rèn)游隙合格后，提供出細(xì)磨內(nèi)滾道尺寸公差表，根據(jù)此表加工剩余內(nèi)圈.若用誤差為+0.12mm的產(chǎn)品作為首件試驗(yàn)裝配合套，而該批產(chǎn)品中恰好存在誤差為-0.15 mm的產(chǎn)品，采用+0.12mm的首件制定出的細(xì)磨公差表加工-0.15 mm的產(chǎn)品會(huì)造成內(nèi)滾道尺寸相差0.068 mm.由于軸承游隙為0.31～0.41 mm，范圍僅為0.1 mm，根據(jù)調(diào)心滾子軸承游隙式(2)可以分析出內(nèi)滾道尺寸對(duì)游隙有直接影響如果裝配合套時(shí)選用外滾道尺寸公差最大與滾子尺寸公差最小的與端面尺寸誤差為-0.15 mm的內(nèi)圈合套，合套后游隙必然會(huì)偏大，影響產(chǎn)品質(zhì)量.

Gτ=ΔDe-Δdi-2ΔDw

(2)

如果采用三坐標(biāo)檢測(cè)儀，該設(shè)備需要在專用的三坐標(biāo)檢測(cè)試驗(yàn)室，對(duì)產(chǎn)品溫度要求嚴(yán)格，產(chǎn)品送到三坐標(biāo)檢測(cè)時(shí)需保溫8h才可以測(cè)量，雖然可以精確測(cè)量尺寸，但耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)，且需要將加工工件從機(jī)床上拆卸移動(dòng)到三坐標(biāo)檢測(cè)平臺(tái)上，測(cè)量后需再次安裝到機(jī)床加工，反復(fù)搬運(yùn)安裝不利于軸承的加工定位，故三坐標(biāo)檢測(cè)雖然準(zhǔn)確，但不適于實(shí)際生產(chǎn)，故改進(jìn)測(cè)量方法迫在眉睫.

2.3 平面在線測(cè)量?jī)x的研發(fā)

針對(duì)內(nèi)圈端面測(cè)量方法造成的誤差，自主研發(fā)了一種新型平面在線測(cè)量?jī)x，改進(jìn)測(cè)量工藝.平面在線測(cè)量?jī)x主要由立柱、轉(zhuǎn)塔、汽缸、百分表和防水罩組成，其結(jié)構(gòu)如圖5所示.

圖5 平面在線測(cè)量?jī)x

加工套圈前用樣塊校準(zhǔn)儀器，將樣塊放到百分表底部，通過氣缸調(diào)整百分表高度，待百分表和樣塊接觸后將百分表讀數(shù)調(diào)整到±0.再將待測(cè)工件放置于帶有磁性的水平平臺(tái)中間，調(diào)整百分表測(cè)點(diǎn)與內(nèi)圈端面接觸，此時(shí)開始加工軸承端面，同時(shí)觀察百分表讀數(shù)，根據(jù)百分表讀數(shù)判斷端面是否加工到工藝標(biāo)準(zhǔn)尺寸，如圖6所示.百分表與內(nèi)圈端面接觸時(shí)沒有外力，不會(huì)出現(xiàn)千分尺測(cè)量因扭力的大小而出現(xiàn)的誤差，同時(shí)百分表與內(nèi)圈端面呈現(xiàn)點(diǎn)接觸方式，可保證表頭與平臺(tái)平行，避免卡尺測(cè)量時(shí)兩端不平行而讀數(shù)不準(zhǔn)的現(xiàn)象，保證測(cè)量準(zhǔn)確性.

(a)測(cè)量?jī)x全貌 (b)端面測(cè)量讀數(shù)

為驗(yàn)證新研發(fā)的平面在線測(cè)量?jī)x的精準(zhǔn)程度，將其結(jié)果與三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖7所示，可以看出其測(cè)出的曲線與三坐標(biāo)幾乎重合，精準(zhǔn)度高.

圖7 平面在線測(cè)量?jī)x與三坐標(biāo)檢測(cè)儀測(cè)量結(jié)果對(duì)比

3 內(nèi)滾道測(cè)量方法優(yōu)化

3.1 管尺和樣板測(cè)量?jī)?nèi)滾道存在的問題

加工內(nèi)滾道時(shí)需要對(duì)其尺寸、曲率和滾道位置進(jìn)行測(cè)量.前期加工內(nèi)滾道時(shí)，采用管尺測(cè)量?jī)?nèi)滾道尺寸，具體測(cè)量過程如下：

(1)用粉筆在加工的產(chǎn)品內(nèi)圈滾道上涂色；

(2)高度尺尺寸調(diào)整為滾子與內(nèi)滾道接觸點(diǎn)到端面的距離ai；

(3)將軸承內(nèi)圈和高度尺放置在同一水平平臺(tái)上，高度尺尺尖在內(nèi)滾道上做標(biāo)記；

(4)將管尺的支點(diǎn)和百分表調(diào)整到ai高度.

(5)用量塊做為樣圈校對(duì)管尺.

(6)利用校準(zhǔn)后的管尺測(cè)量出內(nèi)滾道接觸點(diǎn)直徑di值.

在此測(cè)量過程中需要組合量塊來(lái)配出合適尺寸樣圈，必須用螺絲擰緊，而每次擰的力度不同，導(dǎo)致基準(zhǔn)樣圈有誤差，并且量塊長(zhǎng)時(shí)間使用后會(huì)出現(xiàn)測(cè)量面劃痕、銹蝕、量塊碰傷、量塊磁化等現(xiàn)象，造成量塊尺寸有變化，從而影響測(cè)量結(jié)果.且此測(cè)量過程中，需要使用多個(gè)測(cè)量工具，過程繁瑣，不利于生產(chǎn).

在測(cè)量?jī)?nèi)滾道曲率和位置時(shí)通常采用樣板測(cè)量的方法，如圖8所示.在測(cè)量時(shí)通常采用觀察光隙的方法，即通過目測(cè)樣板與測(cè)量面的縫隙大小來(lái)判斷滾道的情況，但目測(cè)有以下3方面缺陷：

(a)內(nèi)圈滾道位置測(cè)量 (b)內(nèi)圈滾道曲率測(cè)量

(1)由于在車間檢測(cè)時(shí)縫隙的大小受到光線強(qiáng)弱、目測(cè)時(shí)的角度以及人的視覺誤差的影響，容易出現(xiàn)誤差，造成合格的產(chǎn)品檢測(cè)出的內(nèi)滾道曲率和位置不合格;

(2)檢測(cè)出的不合格產(chǎn)品無(wú)法進(jìn)行量化，在工件返修時(shí)不能提供出有效數(shù)值，只能憑借操作人員的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)來(lái)判斷;

(3)在修復(fù)過程中需邊修邊檢測(cè)，工作量大，返修過程中經(jīng)常出現(xiàn)內(nèi)滾道尺寸過磨現(xiàn)象.

由于內(nèi)滾道對(duì)軸承游隙有直接影響，故對(duì)內(nèi)滾道測(cè)量方法進(jìn)行優(yōu)化.

3.2 綜合滾道測(cè)量?jī)x的研發(fā)

為達(dá)到游隙在合格范圍內(nèi)，必須準(zhǔn)確測(cè)量?jī)?nèi)滾道尺寸、曲率和位置.針對(duì)此問題，研發(fā)了綜合滾道測(cè)量?jī)x來(lái)測(cè)量?jī)?nèi)滾道位置、曲率半徑及內(nèi)滾道尺寸，可有效矯正樣板測(cè)量的缺陷.綜合滾道測(cè)量?jī)x在檢測(cè)調(diào)心滾子軸承的內(nèi)滾道時(shí)，可同時(shí)檢測(cè)滾道尺寸、橢圓度、兩滾道相互差以及內(nèi)滾道的位置和曲率半徑R，是多功能的檢測(cè)儀器，且每一項(xiàng)都是具體數(shù)值，達(dá)到數(shù)字量化.其結(jié)構(gòu)如圖9所示，主要由左側(cè)測(cè)頭連接組件、右側(cè)測(cè)頭連接組件和碳纖維尺身，右側(cè)測(cè)頭連接組件由徑向尺寸測(cè)量表、右側(cè)測(cè)頭連接件、右側(cè)徑向測(cè)量表?xiàng)U、合金半圓軸向定位條組成，合金半圓軸向定位條固定在右側(cè)測(cè)頭連接件的下端的左側(cè)；左側(cè)測(cè)頭連接組件由左側(cè)測(cè)頭連接件、徑向定位桿、合金球形定位點(diǎn)、位置、R測(cè)量桿、千分表調(diào)節(jié)卡頭和位置、R測(cè)量千分表組成，合金球形定位點(diǎn)固定在左側(cè)測(cè)頭連接件的下端最右側(cè)；左側(cè)測(cè)頭連接件和右側(cè)測(cè)頭連接件的側(cè)面端面上設(shè)方孔，套在碳纖維尺身上并鎖緊.由碳纖維尺身呈水平連接.該檢測(cè)儀方便操作者和檢查員測(cè)量，判斷產(chǎn)品是否合格，且大大降低人為因素導(dǎo)致誤檢的可能性，此外操作人員可以根據(jù)百分表和千分表的讀數(shù)加以調(diào)整設(shè)備，而不是前期靠經(jīng)驗(yàn)來(lái)調(diào)整設(shè)備.

圖9 綜合滾道測(cè)量?jī)x平面圖

綜合滾道測(cè)量?jī)x尺身采用碳纖維材料，剛性好、熱脹冷縮系數(shù)?。粶y(cè)頭采用高密度鋁合金材料，輕便剛性強(qiáng)；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)捷便于調(diào)整；檢測(cè)精度高，如圖10所示.實(shí)現(xiàn)了調(diào)心滾子軸承冷加工高精密量化檢測(cè)，并且使多批次的產(chǎn)品的精度誤差始終保持在0.001 mm以內(nèi)，保證了所加工軸承在使用過程中，有穩(wěn)定的可靠性.為生產(chǎn)高精度的產(chǎn)品，在使用板尺同時(shí)添加千分表及百分表提高精度.

圖10 綜合滾道測(cè)量?jī)x

3.3 綜合滾道測(cè)量?jī)x與三坐標(biāo)試驗(yàn)對(duì)比

為校對(duì)綜合滾道測(cè)量?jī)x的測(cè)量結(jié)果的精準(zhǔn)程度，選取10套內(nèi)圈分別采用三坐標(biāo)和該測(cè)量?jī)x測(cè)量?jī)?nèi)圈滾道直徑，滾道位置和曲率，結(jié)果如圖11所示，可以看出該測(cè)量?jī)x在測(cè)量?jī)?nèi)圈滾道直徑時(shí)，與三坐標(biāo)的測(cè)量結(jié)果有一定誤差，差值最大為0.006，結(jié)果精準(zhǔn)度較高，而在測(cè)量?jī)?nèi)圈滾道位置和曲率時(shí)，其結(jié)果與三坐標(biāo)測(cè)量結(jié)果幾乎重合，驗(yàn)證了自主研發(fā)的綜合滾道測(cè)量?jī)x的精準(zhǔn)性，可大幅度提高軸承的測(cè)量精度，并可以避免三坐標(biāo)不便在線測(cè)量的問題.

(a)內(nèi)圈滾道直徑

加工內(nèi)滾道過程中首先根據(jù)被測(cè)產(chǎn)品大小將綜合滾道測(cè)量?jī)x組裝調(diào)節(jié)，然后用對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)樣圈校對(duì)測(cè)量?jī)x.需保證支點(diǎn)4和百分表2要在同一高度，且處于樣圈的內(nèi)滾道與滾子接觸點(diǎn)ai位置上，校準(zhǔn)百分表，上千分表位置要距離油溝位置4～6mm處，下千分表應(yīng)距離內(nèi)外徑和內(nèi)滾道交點(diǎn)處上方4～6 mm處，兩塊千分表指針全都調(diào)整到0點(diǎn).

至此測(cè)量?jī)x校準(zhǔn)完畢.將綜合滾道測(cè)量?jī)x移至被測(cè)產(chǎn)品上，板尺支點(diǎn)一端固定，移動(dòng)另一端，找到直徑最大處，此時(shí)百分表顯示的數(shù)值即為內(nèi)圈滾道尺寸，轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)量?jī)x測(cè)量出內(nèi)滾道尺寸最大值與最小值之差即為橢圓值，翻轉(zhuǎn)內(nèi)圈測(cè)量另一側(cè)內(nèi)滾道尺寸，兩側(cè)尺寸差值即為兩滾道相互差.兩塊千分表顯示的數(shù)值即為內(nèi)滾道位置和曲率半徑R與標(biāo)準(zhǔn)樣圈的差值即可判斷產(chǎn)品加工是否合格，如果加工的產(chǎn)品不合格，操作者可以根據(jù)千分表的讀數(shù)，準(zhǔn)確調(diào)整機(jī)床參數(shù).加工出的產(chǎn)品保證內(nèi)滾道尺寸不會(huì)有誤差，位置和曲率在合格范圍內(nèi).使用綜合滾道測(cè)量?jī)x可以快速準(zhǔn)確的測(cè)量出滾道的尺寸、曲率、位置、橢圓、兩滾道尺寸相互差，提高產(chǎn)品測(cè)量精度.

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

以24164CA/C3W33為例，選取20個(gè)內(nèi)圈，分組驗(yàn)證前期測(cè)量方法和新測(cè)量方法對(duì)軸承游隙的影響，需注意除驗(yàn)證尺寸外，其它尺寸需保證統(tǒng)一，然后將驗(yàn)證對(duì)象與其它零部件進(jìn)行合套，測(cè)量游隙.具體方案如下：①選取10個(gè)內(nèi)圈為A組，端面和內(nèi)滾道采用卡尺、管尺、樣板測(cè)量，編號(hào)為A1～A10.其余10個(gè)內(nèi)圈為B組，端面和內(nèi)滾道采用平面在線測(cè)量?jī)x和綜合滾道測(cè)量?jī)x測(cè)量.測(cè)量結(jié)果標(biāo)注在內(nèi)圈端面和內(nèi)外徑上;②選取1個(gè)外圈、1個(gè)保持架、1組滾子，分別與20個(gè)內(nèi)圈進(jìn)行合套檢測(cè)游隙.

通過表2可以看出，內(nèi)滾道和端面尺寸相同，但測(cè)量的游隙不同，內(nèi)滾道尺寸小合套后游隙小，因測(cè)量存在誤差導(dǎo)致合套精度低.通過表3可以看出游隙隨內(nèi)圈滾道尺寸的減小而遞增,其變化幅度相同，采用平面在線測(cè)量?jī)x和綜合滾道測(cè)量?jī)x測(cè)量精度高，裝配合套精度高.

表2 內(nèi)滾道尺寸對(duì)游隙影響(A組) mm

表3 內(nèi)滾道尺寸對(duì)游隙影響(B組) mm

5 結(jié)論

本文通過分析調(diào)心滾子軸承端面尺寸和滾道尺寸對(duì)軸承合套率的影響，分析現(xiàn)有的卡尺、千分尺測(cè)量端面和管尺、樣板測(cè)量滾道存在的問題，研發(fā)平面在線測(cè)量?jī)x和綜合滾道測(cè)量?jī)x測(cè)量軸承的端面尺寸和滾道尺寸，并將其測(cè)量結(jié)果與三坐標(biāo)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)平面在線測(cè)量?jī)x和綜合滾道測(cè)量?jī)x的測(cè)量結(jié)果幾乎與實(shí)際尺寸重合，證明平面在線測(cè)量?jī)x和綜合滾道測(cè)量?jī)x的研發(fā)是可行的，并通過優(yōu)化端面和滾道的測(cè)量，提高調(diào)心滾子軸承合套精度，合套精度提高30%.