調(diào)心滾子軸承合套精度的測量誤差分析與優(yōu)化

張恩赫，楊亮，孫晗

(1.瓦房店軸承集團有限責任公司，遼寧 瓦房店 116300; 2.大連交通大學 機械工程學院，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經(jīng)常有游隙過小和過大現(xiàn)象的出現(xiàn).只能通過修復套圈滾道尺寸或更換套圈保證游隙在標準范圍內(nèi).經(jīng)過長期的現(xiàn)場跟蹤試驗[7-9]，當出現(xiàn)游隙不合格產(chǎn)品時，按實測的游隙通過理論計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)圈送到三坐標檢測，端面和內(nèi)滾道與車間的檢測結(jié)果不同[12-13].由于三坐標是現(xiàn)行業(yè)公認精度高的測量設備，說明現(xiàn)行的測量方法存在一定誤差.針對此現(xiàn)象，研發(fā)了平面在線測量儀和綜合滾道測量儀測量端面和滾道，提高測量精度.

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力的關系，采用MASTA軟件對其進行分析.MASTA建模計算分析主要由以下幾步：

(1)建立計算模型，這是整個仿真計算的基礎，模型的正確性直接影響到計算結(jié)果.因為本研究主要考慮游隙對軸承的影響，并沒有具體的使用模型，所以只是建立了一個簡單的軸承與軸的幾何模型.

(2)對模型進行工況的輸入和載荷譜的建立.在本次仿真計算中，以24164CA/C3W33為例，對軸承輸入一個的徑向力，根據(jù)軸承常用的工況，力的大小為15%的軸承額定動載荷，同時軸的轉(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)域為受力區(qū)域.當游隙為0.16 mm時，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.當游隙為0.62 mm時，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.說明軸承游隙越大，承受載荷的滾子數(shù)減少，最大接觸應力增加，而最大接觸應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重要.在調(diào)心滾子軸承加工過程中測量的準確性對游隙有直接影響，故本文對調(diào)心滾子軸承測量方法進行優(yōu)化，提高測量精度，提高合套精度.

2 內(nèi)圈端面測量方法優(yōu)化

2.1 千分尺和卡尺測量端面存在的問題

測量內(nèi)圈端面尺寸時，通常采用千分尺或卡尺測量.千分尺測量精度可以精確到0.01 mm.采用千分尺測量時需要先將內(nèi)圈置于測砧與測微螺桿的端面之間，如圖2所示.但該測量方法依靠操作人員手感和經(jīng)驗來確定是否擰準，不同時間、不同人使用不同力操作會導致結(jié)果出現(xiàn)偏差，同時每次測量時千分尺螺桿都會與內(nèi)圈端面滑動，時間長會導致千分尺螺桿磨損，嚴重影響測量結(jié)果.

圖2 千分尺測量端面尺寸

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

圖3 卡尺測量端面尺寸

2.2 端面測量誤差對軸承質(zhì)量的影響

現(xiàn)以24164CA/C3W33為例，將千分尺與卡尺端面測量誤差對調(diào)心滾子軸承游隙影響進行了分析，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)滾道接觸點直徑di與其他元素的關系，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)滾道接觸點到端面的距離；di為內(nèi)滾道接觸點直徑；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、卡尺和三坐標檢測儀對其端面尺寸進行測量，將三種測量方法所得結(jié)果進行對比，結(jié)果如表1所示.千分尺與三坐標檢測儀測量內(nèi)圈端面寬度偏差相差-0.15～+0.11 mm.卡尺與三坐標檢測儀測量內(nèi)圈端面寬度偏差相差-0.10～+0.12 mm.通過式(1)可推算出，當端面測量誤差為+0.12 mm，即內(nèi)圈寬度為218.12 mm，計算內(nèi)滾道接觸點直徑di=378.567 mm；若測量誤差為-0.15 mm，即內(nèi)圈寬度為217.85 mm，計算得內(nèi)滾道接觸點直徑di=378.635 mm，相差0.068 mm.

表1 千分尺、卡尺與三坐標檢測儀測量結(jié)果對比

但實際加工中，操作人員并不知道端面測量結(jié)果有誤差，在內(nèi)滾道首件完成后，進行試驗裝配合套，確認游隙合格后，提供出細磨內(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的首件制定出的細磨公差表加工-0.15 mm的產(chǎn)品會造成內(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)滾道尺寸對游隙有直接影響如果裝配合套時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，合套后游隙必然會偏大，影響產(chǎn)品質(zhì)量.

Gτ=ΔDe-Δdi-2ΔDw

(2)

如果采用三坐標檢測儀，該設備需要在專用的三坐標檢測試驗室，對產(chǎn)品溫度要求嚴格，產(chǎn)品送到三坐標檢測時需保溫8h才可以測量，雖然可以精確測量尺寸，但耗費時間長，且需要將加工工件從機床上拆卸移動到三坐標檢測平臺上，測量后需再次安裝到機床加工，反復搬運安裝不利于軸承的加工定位，故三坐標檢測雖然準確，但不適于實際生產(chǎn)，故改進測量方法迫在眉睫.

2.3 平面在線測量儀的研發(fā)

針對內(nèi)圈端面測量方法造成的誤差，自主研發(fā)了一種新型平面在線測量儀，改進測量工藝.平面在線測量儀主要由立柱、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 平面在線測量儀

加工套圈前用樣塊校準儀器，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.再將待測工件放置于帶有磁性的水平平臺中間，調(diào)整百分表測點與內(nèi)圈端面接觸，此時開始加工軸承端面，同時觀察百分表讀數(shù)，根據(jù)百分表讀數(shù)判斷端面是否加工到工藝標準尺寸，如圖6所示.百分表與內(nèi)圈端面接觸時沒有外力，不會出現(xiàn)千分尺測量因扭力的大小而出現(xiàn)的誤差，同時百分表與內(nèi)圈端面呈現(xiàn)點接觸方式，可保證表頭與平臺平行，避免卡尺測量時兩端不平行而讀數(shù)不準的現(xiàn)象，保證測量準確性.

(a)測量儀全貌 (b)端面測量讀數(shù)

為驗證新研發(fā)的平面在線測量儀的精準程度，將其結(jié)果與三坐標測量儀的測量結(jié)果進行對比，如圖7所示，可以看出其測出的曲線與三坐標幾乎重合，精準度高.

圖7 平面在線測量儀與三坐標檢測儀測量結(jié)果對比

3 內(nèi)滾道測量方法優(yōu)化

3.1 管尺和樣板測量內(nèi)滾道存在的問題

加工內(nèi)滾道時需要對其尺寸、曲率和滾道位置進行測量.前期加工內(nèi)滾道時，采用管尺測量內(nèi)滾道尺寸，具體測量過程如下：

(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上，高度尺尺尖在內(nèi)滾道上做標記；

(4)將管尺的支點和百分表調(diào)整到ai高度.

(5)用量塊做為樣圈校對管尺.

(6)利用校準后的管尺測量出內(nèi)滾道接觸點直徑di值.

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

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

(a)內(nèi)圈滾道位置測量 (b)內(nèi)圈滾道曲率測量

(1)由于在車間檢測時縫隙的大小受到光線強弱、目測時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)品檢測出的內(nèi)滾道曲率和位置不合格;

(2)檢測出的不合格產(chǎn)品無法進行量化，在工件返修時不能提供出有效數(shù)值，只能憑借操作人員的個人經(jīng)驗來判斷;

(3)在修復過程中需邊修邊檢測，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)滾道對軸承游隙有直接影響，故對內(nèi)滾道測量方法進行優(yōu)化.

3.2 綜合滾道測量儀的研發(fā)

為達到游隙在合格范圍內(nèi)，必須準確測量內(nèi)滾道尺寸、曲率和位置.針對此問題，研發(fā)了綜合滾道測量儀來測量內(nèi)滾道位置、曲率半徑及內(nèi)滾道尺寸，可有效矯正樣板測量的缺陷.綜合滾道測量儀在檢測調(diào)心滾子軸承的內(nèi)滾道時，可同時檢測滾道尺寸、橢圓度、兩滾道相互差以及內(nèi)滾道的位置和曲率半徑R，是多功能的檢測儀器，且每一項都是具體數(shù)值，達到數(shù)字量化.其結(jié)構(gòu)如圖9所示，主要由左側(cè)測頭連接組件、右側(cè)測頭連接組件和碳纖維尺身，右側(cè)測頭連接組件由徑向尺寸測量表、右側(cè)測頭連接件、右側(cè)徑向測量表桿、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)測頭連接件的下端的左側(cè)；左側(cè)測頭連接組件由左側(cè)測頭連接件、徑向定位桿、合金球形定位點、位置、R測量桿、千分表調(diào)節(jié)卡頭和位置、R測量千分表組成，合金球形定位點固定在左側(cè)測頭連接件的下端最右側(cè)；左側(cè)測頭連接件和右側(cè)測頭連接件的側(cè)面端面上設方孔，套在碳纖維尺身上并鎖緊.由碳纖維尺身呈水平連接.該檢測儀方便操作者和檢查員測量，判斷產(chǎn)品是否合格，且大大降低人為因素導致誤檢的可能性，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)整設備，而不是前期靠經(jīng)驗來調(diào)整設備.

圖9 綜合滾道測量儀平面圖

綜合滾道測量儀尺身采用碳纖維材料，剛性好、熱脹冷縮系數(shù)??；測頭采用高密度鋁合金材料，輕便剛性強；結(jié)構(gòu)簡捷便于調(diào)整；檢測精度高，如圖10所示.實現(xiàn)了調(diào)心滾子軸承冷加工高精密量化檢測，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，在使用板尺同時添加千分表及百分表提高精度.

圖10 綜合滾道測量儀

3.3 綜合滾道測量儀與三坐標試驗對比

為校對綜合滾道測量儀的測量結(jié)果的精準程度，選取10套內(nèi)圈分別采用三坐標和該測量儀測量內(nèi)圈滾道直徑，滾道位置和曲率，結(jié)果如圖11所示，可以看出該測量儀在測量內(nèi)圈滾道直徑時，與三坐標的測量結(jié)果有一定誤差，差值最大為0.006，結(jié)果精準度較高，而在測量內(nèi)圈滾道位置和曲率時，其結(jié)果與三坐標測量結(jié)果幾乎重合，驗證了自主研發(fā)的綜合滾道測量儀的精準性，可大幅度提高軸承的測量精度，并可以避免三坐標不便在線測量的問題.

(a)內(nèi)圈滾道直徑

加工內(nèi)滾道過程中首先根據(jù)被測產(chǎn)品大小將綜合滾道測量儀組裝調(diào)節(jié)，然后用對應標準樣圈校對測量儀.需保證支點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ai位置上，校準百分表，上千分表位置要距離油溝位置4～6mm處，下千分表應距離內(nèi)外徑和內(nèi)滾道交點處上方4～6 mm處，兩塊千分表指針全都調(diào)整到0點.

至此測量儀校準完畢.將綜合滾道測量儀移至被測產(chǎn)品上，板尺支點一端固定，移動另一端，找到直徑最大處，此時百分表顯示的數(shù)值即為內(nèi)圈滾道尺寸，轉(zhuǎn)動測量儀測量出內(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與標準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)，準確調(diào)整機床參數(shù).加工出的產(chǎn)品保證內(nèi)滾道尺寸不會有誤差，位置和曲率在合格范圍內(nèi).使用綜合滾道測量儀可以快速準確的測量出滾道的尺寸、曲率、位置、橢圓、兩滾道尺寸相互差，提高產(chǎn)品測量精度.

4 試驗驗證

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

通過表2可以看出，內(nèi)滾道和端面尺寸相同，但測量的游隙不同，內(nèi)滾道尺寸小合套后游隙小，因測量存在誤差導致合套精度低.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，采用平面在線測量儀和綜合滾道測量儀測量精度高，裝配合套精度高.

表2 內(nèi)滾道尺寸對游隙影響(A組) mm

表3 內(nèi)滾道尺寸對游隙影響(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軸承合套率的影響，分析現(xiàn)有的卡尺、千分尺測量端面和管尺、樣板測量滾道存在的問題，研發(fā)平面在線測量儀和綜合滾道測量儀測量軸承的端面尺寸和滾道尺寸，并將其測量結(jié)果與三坐標實測結(jié)果進行對比，發(fā)現(xiàn)平面在線測量儀和綜合滾道測量儀的測量結(jié)果幾乎與實際尺寸重合，證明平面在線測量儀和綜合滾道測量儀的研發(fā)是可行的，并通過優(yōu)化端面和滾道的測量，提高調(diào)心滾子軸承合套精度，合套精度提高30%.