影響交叉圓柱滾子軸承重復(fù)定位精度的常見因素及改進(jìn)措施

王昆平，范雨晴，胡敬原，趙洋，馮毅杰

(1.空軍裝備部駐洛陽地區(qū)第二軍事代表室，河南 洛陽 471009；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(shè)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(shù)重點實驗室，河南 洛陽 471039)

交叉圓柱滾子軸承的滾子呈相互垂直交叉排列，可以承受徑向載荷、雙向推力載荷及傾覆力矩[1]，同時具備高剛性，適用于工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)或旋轉(zhuǎn)部位、加工中心旋轉(zhuǎn)工作臺、力矩電動機(jī)回轉(zhuǎn)臺等。隨軸承加工設(shè)備性能的提高，交叉圓柱滾子軸承旋轉(zhuǎn)精度可達(dá)到P5以上，能夠滿足大多數(shù)用戶的使用需求；但一些客戶對交叉圓柱滾子軸承重復(fù)定位精度(軸承轉(zhuǎn)動一周，內(nèi)圈或外圈同一測量點處測量數(shù)據(jù)重復(fù)一致，反映到加工設(shè)備上即為同一加工程序加工同一批零件所得到的連續(xù)測量結(jié)果的一致程度)提出了新的要求，重復(fù)定位精度將直接影響設(shè)備回轉(zhuǎn)工作臺的重復(fù)定位性能，進(jìn)而影響零件加工精度。

在此介紹常見的3種交叉圓柱滾子軸承結(jié)構(gòu)，從軸承設(shè)計、加工工藝及安裝維護(hù)等方面列舉影響這3種結(jié)構(gòu)軸承重復(fù)定位精度的常見因素，并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施。

1 交叉圓柱滾子軸承結(jié)構(gòu)

從外形結(jié)構(gòu)上，交叉圓柱滾子軸承(圖1)可分為3類：1)內(nèi)圈一體、外圈可分離式，適用于內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)精度要求高的部位；2)外圈一體、內(nèi)圈可分離式，適用于外圈旋轉(zhuǎn)精度要求高的部位；3)內(nèi)外圈均為一體，適用于對外、內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)精度要求均較高的部位，安裝對軸承性能幾乎無影響。從內(nèi)部結(jié)構(gòu)上可以分為滿裝滾子和帶間隔保持架2種，滿裝滾子適用于低速、重載工況，帶間隔保持架適用于摩擦力矩小、高速的工況。

圖1 常見的3類交叉圓柱滾子軸承結(jié)構(gòu)

2 影響交叉圓柱滾子軸承重復(fù)定位精度的常見因素

2.1 軸承設(shè)計方面

2.1.1 隔離塊結(jié)構(gòu)

交叉圓柱滾子軸承滾子排列方式如圖2所示，相鄰滾子用隔離塊分開，隔離塊起減小滾子之間摩擦，引導(dǎo)滾子運動的作用。

圖2 交叉圓柱滾子軸承滾子排列方式

常用隔離塊結(jié)構(gòu)如圖3所示，隔離塊2個圓柱形凹槽的軸心線在同一平面內(nèi)的投影相互垂直，且平行于凹槽外徑面。該隔離塊通用性強(qiáng)，只要滾子尺寸相同，即可采用同一隔離塊，成本較低。

圖3 常用隔離塊結(jié)構(gòu)

但交叉圓柱滾子軸承相鄰滾子的軸線O1A，O2B與垂直于隔離塊軸線的徑向平面O1O2C不平行[2](圖2)，滾子工作表面素線與隔離塊圓柱形凹槽素線不平行，而是以一定角度傾斜(圖3)，實際接觸狀態(tài)為點接觸，軸承回轉(zhuǎn)中心直徑越小，傾斜角越大，接觸狀態(tài)越不好。在轉(zhuǎn)速較高的工況，隔離塊會歪斜，進(jìn)而影響滾子回轉(zhuǎn)軌跡，造成回轉(zhuǎn)不良，影響軸承重復(fù)定位精度。

對隔離塊結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，使隔離塊圓柱形凹槽軸線與隔離塊所在平面形成一個角度，與滾子軸線平行(圖4)，從而使?jié)L子與隔離塊圓柱形凹槽的接觸狀態(tài)由點接觸變?yōu)榫€接觸。改進(jìn)后的隔離塊與滾子外徑面接觸良好，提高了軸承回轉(zhuǎn)平穩(wěn)性，適用于轉(zhuǎn)速高，對軸承重復(fù)定位精度要求高的設(shè)備。

圖4 改進(jìn)后的隔離塊結(jié)構(gòu)

2.1.2 軸承剛度

軸承在徑向載荷、軸向載荷和傾覆力矩聯(lián)合作用下，內(nèi)外圈將產(chǎn)生徑向、軸向相對位移和相對傾角，從而影響軸承重復(fù)定位精度。

軸承剛度有徑向剛度、軸向剛度和角剛度。為減小或消除外部作用力下交叉圓柱滾子軸承的相對位移，軸承需施加預(yù)載荷。交叉圓柱滾子軸承設(shè)計時徑向游隙一般為負(fù)游隙，即通過調(diào)整徑向游隙控制軸承內(nèi)部預(yù)載荷。故設(shè)計時要根據(jù)軸承承受的最大當(dāng)量徑向載荷(徑向載荷、軸向載荷和傾覆力矩合成)計算軸承剛度，得到軸承初始游隙，確保軸承在外載荷作用下具有抵抗變形的能力，進(jìn)而保證軸承重復(fù)定位精度。

2.1.3 滾子圓周總間隙

交叉圓柱滾子軸承滾子與隔離塊裝配后，圓周方向會存在間隙，間隙值可通過更換隔離塊調(diào)整，但由于隔離塊結(jié)構(gòu)和材料的限制，圓周總間隙不能完全消除。圓周總間隙過大，回轉(zhuǎn)過程中隔離塊和滾子易歪斜，從而導(dǎo)致軸承承載不均；圓周總間隙過小，回轉(zhuǎn)過程中滾子會相互擠壓，滾子與滾道的磨損會加劇：最終均會引起軸承振動增加，重復(fù)定位精度不良。根據(jù)實際應(yīng)用經(jīng)驗，對于外徑小于300 mm的帶隔離塊交叉圓柱滾子軸承，為避免在運轉(zhuǎn)過程中軸承磨損使圓周總間隙增大，設(shè)計時應(yīng)在便于裝配的前提下盡可能減小圓周總間隙，推薦的圓周總間隙見表1。

表1 交叉圓柱滾子軸承圓周總間隙推薦值

2.1.4 塞子與塞子孔配合間隙

內(nèi)外圈一體式結(jié)構(gòu)的交叉圓柱滾子軸承，滾子及隔離塊需從外徑面上加工的塞子孔依次裝入。塞子與塞子孔的配合間隙取值非常重要：配合間隙過大，裝配后塞子在孔內(nèi)會發(fā)生傾斜，滾子旋轉(zhuǎn)到滾道面上塞子與孔配合處可能會出現(xiàn)異常聲，影響軸承旋轉(zhuǎn)精度，進(jìn)而影響軸承重復(fù)定位精度；配合間隙過小，熱處理后塞子與塞子孔配合面發(fā)生變形，將塞子從外圈塞子孔內(nèi)取出時易造成塞子孔破壞。根據(jù)實際應(yīng)用經(jīng)驗，塞子外徑面和塞子孔內(nèi)徑面粗糙度要求不大于0.8 μm，配合間隙為0.01～0.02 mm。

2.1.5 軸承使用方式

交叉圓柱滾子軸承以臥式和立式使用居多:臥式使用時，圓周方向通常采用滾子間隔隔離塊的結(jié)構(gòu)；立式使用中，由于滾子與隔離塊圓周方向存在間隙，重力作用下隔離塊可能會下落，與滾道產(chǎn)生摩擦，使軸承摩擦力矩增大，嚴(yán)重時會引起軸承卡頓，最終影響軸承重復(fù)定位精度。立式使用時，對軸承重復(fù)定位精度要求不高的場合可以采用滾子間隔隔離塊結(jié)構(gòu)，要求較高的場合可采用整體式保持架間隔滾子結(jié)構(gòu)。

2.2 加工工藝方面

2.2.1 毛刺

若軸承油孔或油槽與滾道接觸處毛刺未清理干凈，熱處理后毛刺硬度高，磨加工時未及時處理，滾子轉(zhuǎn)動到該處時與毛刺磕碰，振動較大，回轉(zhuǎn)平穩(wěn)性較差。在車加工與熱處理工序之間應(yīng)增加清理油孔及潤滑油槽周邊毛刺工序。

2.2.2 滾道角度

交叉圓柱滾子軸承為直線滾道，兩滾道夾角為90°，滾道角度對軸承性能起決定性作用[4]，要求為90°±2′。在實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)：若軸承一個套圈滾道角度按89°58′加工，另一個套圈滾道角度按90°加工，裝配后兩套圈滾道會形成一個小的夾角α(圖5)，滾子兩端會產(chǎn)生一個附加作用力，使?jié)L子歪斜，進(jìn)而影響軸承重復(fù)定位精度；反之，若滾道角度按正偏差加工，軸承內(nèi)部也會產(chǎn)生附加作用力。生產(chǎn)加工時應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)備操作規(guī)程控制砂輪修整次數(shù)，避免出現(xiàn)砂輪磨損后未及時修整造成滾道角度偏小，從而導(dǎo)致滾子與滾道接觸不良，影響軸承重復(fù)定位精度。

圖5 滾道角度示意圖

2.2.3 圓錐銷與圓錐銷孔接觸區(qū)域

內(nèi)外圈一體式結(jié)構(gòu)的交叉滾子軸承套圈端面塞子與塞子孔的配合處加工有1∶50錐度的圓錐銷孔，通過圓錐銷對塞子固定。塞子與塞子孔間隙配合后，再配鉆圓錐銷孔。配鉆時需確保圓錐銷外徑面與圓錐銷孔內(nèi)表面接觸區(qū)域達(dá)到80%以上，若接觸區(qū)域低于80%，軸承承受較大沖擊載荷時滾子轉(zhuǎn)動到塞子處可能會移動，進(jìn)而影響軸承重復(fù)定位精度。軸承零件熱處理后會產(chǎn)生變形，圓錐銷隨套圈一起淬火后韌性降低，故在粗磨后圓錐銷孔與塞子孔表面增加去除氧化皮工序，同時更換圓錐銷。更換圓錐銷時也需對圓錐銷外徑面與圓錐銷孔內(nèi)表面接觸區(qū)域進(jìn)行著色檢驗，保證接觸區(qū)域大于80%以上。

2.2.4 分體式結(jié)構(gòu)兩外徑或兩內(nèi)徑尺寸相互差

對于外圈或內(nèi)圈為分體式結(jié)構(gòu)的交叉圓柱滾子軸承，合套時應(yīng)確保合套的2個套圈外徑或內(nèi)徑尺寸基本一致，至少應(yīng)確保兩內(nèi)徑或兩外徑相互差不低于以下要求：

|Δd1mp-Δd2mp|≤Δd/3,

或

|ΔD1mp-ΔD2mp|≤ΔD/3，

式中：Δd1mp，Δd2mp為內(nèi)徑單一平面平均尺寸公差；ΔD1mp，ΔD2mp為外徑單一平面平均尺寸公差。

合套的2個分體式套圈外徑或內(nèi)徑尺寸相互差超出外徑或內(nèi)徑尺寸公差的1/3時，裝配后2個套圈易錯位，滾道發(fā)生偏斜，影響滾子回轉(zhuǎn)狀態(tài)和軸承重復(fù)定位精度。

2.3 安裝維護(hù)方面

2.3.1 配合尺寸

對于軸承重復(fù)定位精度要求高的場合，交叉圓柱滾子軸承一般采用負(fù)游隙(CC0游隙)，即安裝之前軸承內(nèi)部已有預(yù)載荷[5]。根據(jù)實際應(yīng)用經(jīng)驗，過盈配合會增大軸承內(nèi)部預(yù)載荷和摩擦力矩，引起磨損加劇，影響軸承使用壽命。

為避免過盈配合給軸承內(nèi)部增加額外的預(yù)載荷，內(nèi)圈與軸、外圈與殼體一般采用間隙配合。

2.3.2 安裝

對于外圈或內(nèi)圈分體式結(jié)構(gòu)的交叉圓柱滾子軸承，安裝時需從端面壓緊2個分體式外圈或內(nèi)圈，安裝凸緣螺釘時，為避免螺釘擰緊力矩不一致造成軸承內(nèi)部預(yù)壓不均，應(yīng)按螺釘數(shù)量使用扭矩扳手均勻?qū)ΨQ擰緊。在擰緊螺釘過程中，需勻速轉(zhuǎn)動軸承內(nèi)圈或外圈，調(diào)整滾子復(fù)位，避免軸承在轉(zhuǎn)動時出現(xiàn)死點。采用強(qiáng)度等級較低的螺栓，在軸承受到較大沖擊時螺栓易松動，軸承內(nèi)部預(yù)壓減小，影響軸承重復(fù)定位精度。推薦選用軸承端蓋連接螺釘?shù)膹?qiáng)度等級為10.9級以上。

2.3.3 潤滑

未及時補(bǔ)充潤滑脂會造成軸承內(nèi)部潤滑不良，磨損加劇，影響軸承重復(fù)定位精度，同時降低軸承使用壽命。交叉圓柱滾子軸承需定期補(bǔ)充潤滑脂，補(bǔ)脂周期為3～6個月[5]。

3 結(jié)束語

介紹了3類常見的交叉圓柱滾子軸承，并從軸承設(shè)計、加工工藝及安裝維護(hù)方面對影響軸承重復(fù)定位精度的常見因素進(jìn)行分析，可為提高交叉圓柱滾子軸承的重復(fù)定位精度提供參考。