精密角接觸球軸承安裝方式及其對軸承性能的影響

趙翀，王東峰，于海曉，俞蓬 ,姚銀歌

(1.國機精工股份有限公司，鄭州 450142；2.洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039；3.高性能軸承數(shù)字化設計國家國際科技合作基地，河南 洛陽 471039；4.河南省高性能軸承技術重點實驗室，河南 洛陽 471039；5.河南科技大學 機電工程學院，河南 洛陽 471003)

隨著高檔機床設備向高速、高精度、高可靠性方向發(fā)展，對其配套精密軸承也提出了更嚴格的要求。精密軸承安裝對軸承精度、溫升、振動及噪聲均有較大影響，據(jù)相關統(tǒng)計，16%以上軸承失效由安裝不當引起[1]。為探討高速精密機床角接觸球軸承的安裝方法，對精密機床主軸軸承常見安裝方式進行分析，提出了一種預壓式安裝方法。

1 精密軸承常用安裝方式

精密軸承安裝時需考慮軸承類型、載荷、轉(zhuǎn)速等，特別是高速精密機床主軸軸承，高速運轉(zhuǎn)的離心作用會使軸承內(nèi)圈膨脹，軸承過盈量減小，軸承與軸頸之間發(fā)生相對滑動，引起軸承和軸頸磨損[2]。高速精密機床主軸軸承安裝要求較高，目前多采用液壓、機械壓力、套筒壓力、電磁加熱等安裝方式，如圖1所示。

圖1 高速精密機床主軸軸承常見安裝方式Fig.1 Common installation methods for high-speed precision machine tool spindle bearing

液壓安裝法是通過油孔或油溝將高壓油注入軸承過盈配合處形成高壓油環(huán)膜，借助高壓油的張力將配合面脹開進行安裝。同時液壓油也具有潤滑作用，有利于軸承軸向推進安裝。 液壓安裝法要求配合面尺寸精度高，同時要預先加工油孔或油溝，對環(huán)境有一定污染，設備較復雜。

機械壓力安裝法是采用壓力機械強制壓入軸承，一般用于重載軸承，如加強型圓錐滾子軸承或多列圓柱滾子軸承。機械壓力安裝法需使用壓力設備，對環(huán)境、場地及操作要求較高。

電磁加熱安裝法是采用電感應加熱裝置將軸承加熱使其膨脹進行安裝。該方法短時間內(nèi)實現(xiàn)了套圈均勻加熱[3]，保證了軸承精度，清潔、高效;但需嚴格控制溫度，以防潤滑脂受熱失效或回火使套圈剛度減小，且需供電設施，成本較高[4]。

套筒壓力安裝法是采用套筒壓軸承套圈端面，用小錘敲擊套筒將軸承壓在軸上，分為單套筒和雙套筒2種方式。

單套筒壓力安裝是套筒只壓軸承內(nèi)圈端面，用小錘敲擊套筒頂端，使軸承壓裝到軸上。該方法多用于過盈量要求較小的中小型軸承的安裝。小錘對套筒的敲擊會引起外圈和球微振，產(chǎn)生偽布氏壓痕(圖2)，軸承精度會降低甚至報廢[5]。

圖2 套圈表面?zhèn)尾际蠅汉跢ig.2 False brinelling on ring surface

雙套筒壓力安裝是套筒同時壓內(nèi)外圈端面，目的是內(nèi)外圈同時受力，減少偽布氏壓痕。但實際安裝時軸承內(nèi)外圈一般不等高[6]，如圖3所示：1)當內(nèi)圈端面高于外圈端面時，套筒僅壓內(nèi)圈端面，安裝效果與單套筒一致；2)當外圈端面高于內(nèi)圈端面時，套筒僅壓外圈端面，安裝壓力通過外圈傳遞到球后再傳遞到內(nèi)圈，違背了“不能在安裝過程中使球受力”的基本原則，往往會使軸承直接報廢，如圖4所示。

圖3 軸承內(nèi)外圈不等高時雙套筒壓力安裝示意圖Fig.3 Diagram of double sleeve pressure installation when bearing inner and outer rings are not equal in height

圖4 安裝過程中球受力引起的真壓痕Fig.4 True indentations caused by force of ball during installation

2 預壓式安裝

液壓和機械壓力安裝法基本不適合高速精密角接觸球軸承的安裝，該類軸承多采用電磁加熱和套筒壓力安裝法，但電磁加熱安裝成本高，套筒壓力安裝則有損傷軸承的風險。基于套筒壓力安裝法的原理，提出了一種預壓式安裝方法，該方法采用具有浮動恒壓力外唇的套筒，由套筒、壓力彈簧、浮動外唇等組成，如圖5所示。外套筒上有彈簧孔，使浮動外唇通過彈簧與外套筒連接，安裝過程中彈簧產(chǎn)生的恒定壓力壓軸承外圈，保證軸承外圈和球不因敲擊力而振動，避免軸承外圈溝道、內(nèi)圈溝道、球因沖擊力或壓力過大而產(chǎn)生壓痕。

1—彈簧孔；2—壓力彈簧；3—浮動外唇；4—外唇卡槽；5—浮動外唇卡頭圖5 預壓式軸承安裝示意圖Fig.5 Diagram of preload installation for bearing

3 實例分析對比

選用H7010C/HQ1P4A陶瓷球角接觸球軸承和H7010C/P4A全鋼角接觸球軸承對比套筒壓力安裝、預壓式安裝及電磁加熱安裝對軸承旋轉(zhuǎn)精度、振動精度及整機性能的影響，軸承主要結構參數(shù)見表1。裝機試驗選用3C行業(yè)風冷軸，如圖6所示，軸系基本參數(shù)見表2。

表1 軸承主要結構參數(shù)Tab.1 Main structural parameters of bearing

圖6 軸承安裝示意圖Fig.6 Diagram of bearing installation

表2 軸系基本參數(shù)Tab.2 Basic parameters of shafting

裝機試驗中，為使內(nèi)圈與軸不發(fā)生相對滑動，經(jīng)計算最高轉(zhuǎn)速為24 000 r/min時軸承過盈量應不小于0.010 mm，但軸承旋轉(zhuǎn)精度、振動精度試驗中，為降低安裝和拆卸難度和對軸承精度的損傷，試驗過程中并沒有選取裝機試驗時的過盈量。

套筒安裝壓力(裝卸力)P為

(1)

式中：E為配合面材料的平均彈性模量；Δ為過盈量。

由(1)式可得套筒安裝壓力隨過盈量的變化如圖7所示，隨過盈量增大，套筒安裝壓力增大，對軸承的破壞程度也會相應增加。

圖7 套筒安裝壓力隨過盈量的變化曲線Fig.7 Variation curve of sleeve installation pressure with interference

為保證軸承拆卸時不受其他因素影響，軸承拆卸時利用拉拔器和墊片，只接觸軸承內(nèi)圈，如圖8所示，拆卸過程中軸承無損傷，對比安裝前和拆卸后軸承旋轉(zhuǎn)和振動精度。

圖8 軸承無損拆卸示意圖Fig.8 Diagram of bearing non-destructive disassembly

3.1 安裝方式對軸承旋轉(zhuǎn)精度的影響

軸承精度損傷與過盈量也有關系，過盈量分別為0.003，0.008 mm時H7010C/HQ1P4A軸承的旋轉(zhuǎn)精度如圖9所示，圖中：Kia，Kea分別為內(nèi)、外圈徑向跳動量，Sia，Sea分別為內(nèi)、外圈端面跳動量。由圖可知：1)套筒壓力安裝軸承精度損傷較大，隨過盈量增大，精度損傷更大；2)預壓式安裝與電磁加熱安裝軸承精度損傷均較小，在大過盈量時，優(yōu)勢明顯；3)每種安裝方式都會對軸承精度(性能)造成損傷。

圖9 H7010C/HQ1P4A軸承旋轉(zhuǎn)精度Fig.9 Running accuracy of H7010C/HQ1P4A bearing

過盈量為0.008 mm時H7010C/P4A軸承的旋轉(zhuǎn)精度如圖10所示，對比圖9b和圖10可知：1)套筒壓力安裝陶瓷球軸承精度損傷明顯較大；2)預壓式安裝與電磁加熱安裝軸承精度損傷較小，特別是對于陶瓷球軸承，優(yōu)勢明顯。

圖10 過盈量為0.008 mm時H7010C/P4A軸承旋轉(zhuǎn)精度Fig.10 Running accuracy of H7010C/P4A bearing when interference is 0.008 mm

3.2 安裝方式對軸承振動的影響

過盈量分別為0.003，0.008 mm時H7010C/HQ1P4A軸承的振動如圖11所示。為更直觀對比安裝方式對軸承振動特性的影響，此圖不再考慮安裝前軸承振動情況。由圖可知：1)套筒壓力安裝軸承振動精度損傷較大，隨過盈量增大，振動損傷加劇;2)雙套筒壓力安裝法導致球受力，軸承振動精度損傷嚴重，在大過盈量時軸承已喪失振動精度；3)預壓式安裝與電磁加熱安裝軸承振動精度損傷均較小。

圖11 H7010C/HQ1P4A軸承振動精度Fig.11 Vibration accuracy of H7010C/HQ1P4A bearing

過盈量為0.008 mm時H7010C/P4A軸承的振動如圖12所示，對比圖11b和圖12可知：1)套筒壓力安裝法對鋼球和陶瓷球軸承振動均影響較大，陶瓷球振動精度損傷更嚴重；2)預壓式安裝與電磁加熱安裝軸承振動速度接近，精度損傷較小。

圖12 過盈量為0.008 mm時H7010C/P4A軸承振動精度Fig.12 Vibration accuracy of H7010C/P4A bearing when interference is 0.008 mm

3.3 安裝方式對整機性能的影響

3.1，3.2節(jié)證明雙套筒壓力安裝對軸承精度有顯著損傷，在此僅以H7010C/HQ1P4A軸承為例，分析單套筒壓力安裝、預壓式安裝、電磁加熱安裝對整機性能的影響。過盈量0.008 mm時主軸軸頸處振動速度、加速度如圖13所示：1)當轉(zhuǎn)速大于20 000 r/min時，單套筒壓力安裝主軸振動速度、加速度遠大于另外2種安裝方式，超出了安全范圍；2)預壓式安裝和電磁加熱安裝時,主軸振動速度、加速度差別不大，在安全范圍。

圖13 主軸振動速度、加速度曲線Fig.13 Vibration speed and acceleration curves of spindle

3.4 小結

預壓式安裝和電磁加熱安裝對軸承旋轉(zhuǎn)精度、振動精度及整機性能影響均較小，考慮到電磁加熱安裝成本較高，高速精密角接觸球軸承可采用預壓式安裝。

4 結束語

提出了一種高速精密角接觸球軸承預壓式安裝方式，并以H7010C/HQ1P4A陶瓷球角接觸球軸承和H7010C/P4A全鋼角接觸球軸承為例，對比分析了套筒壓力、電磁加熱及預壓式安裝對軸承旋轉(zhuǎn)精度、振動精度及整機性能的影響。套筒壓力安裝對軸承精度損傷較大，特別是雙套筒壓力安裝，在高速、精密軸承安裝時精度損傷更大，不適應于該類軸承的安裝。預壓式安裝與電磁加熱安裝效果較好，前者便攜，操作簡單，成本低，更適合高速精密角接觸球軸承的安裝。