圓柱滾子軸承沖壓保持架結(jié)構(gòu)發(fā)展及趨勢(shì)

李超強(qiáng)，楊金才，扈文莊，曲紅利，劉揚(yáng)

(1.洛陽(yáng)軸承研究所有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039；2.洛陽(yáng)達(dá)能軸承有限公司，河南 洛陽(yáng) 471031；3.洛陽(yáng)LYC軸承有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039)

圓柱滾子軸承(或稱為單列圓柱滾子軸承、短圓柱滾子軸承)滾子與滾道為線接觸，相對(duì)球軸承的承載能力更高，在機(jī)床主軸、運(yùn)輸機(jī)械、減速機(jī)、壓縮機(jī)等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。軸承類型包括NU(外圈雙擋邊、外圈無(wú)擋邊)，N(內(nèi)圈雙擋邊、外圈無(wú)擋邊)，NJ(外圈雙擋邊、內(nèi)圈單擋邊)，NF(內(nèi)圈雙擋邊、外圈單擋邊)，NUP(外圈雙擋邊、內(nèi)圈帶平擋圈)，NJ+HJ(外圈雙擋邊、內(nèi)圈帶L形斜擋圈)，LSL(帶盤式保持架),ZSL(帶隔片式保持架)以及滿裝滾子、無(wú)外圈、無(wú)內(nèi)圈等多種結(jié)構(gòu)。為了滿足不同結(jié)構(gòu)類型、不同材料圓柱滾子軸承的使用要求，保持架的結(jié)構(gòu)類型、材料也有很大的變化，保持架的研究進(jìn)展確保了圓柱滾子軸承技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步。

1 沖壓保持架結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

圓柱滾子軸承沖壓保持架包括乙形、筒形、槽形、組合保持架、M形以及M形帶端鎖、筒形帶端鎖等各種結(jié)構(gòu)改進(jìn)型保持架。

沖壓保持架的最大特點(diǎn)是：強(qiáng)度高，可采用更長(zhǎng)、直徑更大的滾子，承載能力大；重量輕,極限轉(zhuǎn)速高；工藝、設(shè)備成熟條件下加工效率高，相對(duì)銅保持架成本更低。

圓柱滾子軸承沖壓保持架國(guó)外用材料一般為冷軋鋼，如DC01，SPCC等，國(guó)內(nèi)采用優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼薄鋼板，如08F，08，10F，10鋼等，達(dá)到GB/T 28268—2012《滾動(dòng)軸承 沖壓保持架技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的力學(xué)和工藝性能即可，少部分采用08AL，10AL、不銹鋼、黃銅、彈簧鋼等[1]。

2 沖壓保持架的結(jié)構(gòu)發(fā)展

2.1 乙形保持架

圓柱滾子軸承最先采用的是乙形保持架(圖1)，最初采用外彎爪，逐漸又改制了內(nèi)彎爪，由梁上的彎爪鎖住滾子。該保持架結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，裝配方便，能夠滿足通用圓柱滾子軸承的使用需求。但是乙形保持架受結(jié)構(gòu)限制，不能增加滾子數(shù)量，會(huì)影響軸承承載能力和壽命；且模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造繁瑣，當(dāng)尺寸精度要求較高時(shí)不能滿足使用條件。其早在20世紀(jì)90年代就已經(jīng)接近淘汰。因此，在JB/T 10337—2002《滾動(dòng)軸承零件 沖壓保持架 技術(shù)條件》中未將其列入圓柱滾子沖壓保持架類型中，雖然該類保持架至今仍有部分生產(chǎn)和使用，但已經(jīng)不是主流。

圖1 乙形保持架Fig.1 Z-shaped cage

2.2 筒形保持架

筒形保持架(圖2)是乙形保持架的優(yōu)化結(jié)構(gòu)，其窗孔改為成形壓坡，代替乙形的彎爪，裝配時(shí)通過(guò)裝配模將保持架梁向內(nèi)壓靠，鎖住滾子。其結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，沖壓工藝性好，制造精度更高，裝配容易[2-3]。

圖2 筒形保持架Fig.2 Cylinder-shaped cage

2.3 槽形、雙端蓋組合保持架

為克服乙形保持架的缺點(diǎn)，出現(xiàn)了槽形保持架[4-7]和雙端蓋組合保持架[8]，這2種結(jié)構(gòu)保持架是目前最廣泛采用的圓柱滾子軸承沖壓保持架，新的GB/T 28268—2012中也僅列出了這2個(gè)類型。

槽形保持架(圖3)可以最大限度地增加滾子長(zhǎng)度及滾子數(shù)量，從而提高軸承的承載能力和壽命。但槽形保持架結(jié)構(gòu)和制造工藝復(fù)雜，加工難度大，特別是裝配鎖點(diǎn)的成形較為困難；裝配時(shí)不但需要合適的裝配模具，且內(nèi)翻邊和鎖點(diǎn)容易與滾子干涉(夾滾子)。槽形保持架存在的這些問(wèn)題幾乎都與模具、工裝有關(guān)，由于模具結(jié)構(gòu)和精度問(wèn)題，導(dǎo)致產(chǎn)品的幾何精度差，使用中出現(xiàn)各種問(wèn)題。目前槽形保持架在國(guó)外圓柱滾子軸承上大量使用，但國(guó)內(nèi)卻遇到瓶頸，使用受限。

圖3 槽形保持架Fig.3 Groove-shaped cage

組合式保持架(由于擋圈、支柱均為沖壓、冷拔件，歸類為沖壓保持架)由支柱和擋圈鉚接組成，結(jié)構(gòu)如圖4所示?？梢孕纬蓾L子和保持架組件，該保持架便于儲(chǔ)油潤(rùn)滑，生產(chǎn)效率高，但結(jié)構(gòu)強(qiáng)度受支柱的影響，且支柱與滾子的摩擦較大，不適用于高速工況。

圖4 雙擋圈組合保持架Fig.4 Double closing ring combination cage

2.4 M形保持架

M形保持架(圖5)是借鑒了滾針軸承K形保持架的結(jié)構(gòu)發(fā)展而來(lái)的，其優(yōu)點(diǎn)是：滾子與保持架接觸面積小，軸承摩擦力矩降低；同時(shí),滾子在軸向與保持架有充分的間隙，因此有利于保持滾子和潤(rùn)滑劑的循環(huán)。與槽形和乙形結(jié)構(gòu)相比，M形保持架結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，特殊的表面強(qiáng)化處理可使保持架強(qiáng)度更高，適用于轉(zhuǎn)速較高，離心力和振動(dòng)較大以及潤(rùn)滑不良的場(chǎng)合。

圖5 M形保持架Fig.5 M-shaped cage

2.5 帶端鎖M形、筒形保持架

帶端鎖M形保持架(圖6)具有原M形保持架的各項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，更重要的是，其可以單獨(dú)與滾子組成組件，裝配時(shí)將滾子端面凹穴推入鎖點(diǎn)即可，裝配更為方便[9]。

圖6 M形帶端鎖保持架Fig.6 M-shaped cage with end lock

某型帶端鎖筒形保持架[10]結(jié)構(gòu)如圖7a所示。該保持架是一種新型結(jié)構(gòu)，其兜孔為圓角矩形，兜孔上沿圓周方向相對(duì)應(yīng)的兩側(cè)面均為斜面，且兩斜面之間的開(kāi)口距離沿保持架的徑向方向逐漸變大；兜孔相對(duì)應(yīng)兩斜面的延長(zhǎng)線形成的夾角α為28°；斜面外側(cè)邊與保持架內(nèi)圓周面之間的垂直距離h為1.5 mm(圖7b)；兜孔兩側(cè)面上分別設(shè)有弧形或直角形槽口。

圖7 筒形帶端鎖保持架Fig.7 Cylinder-shaped cage with end lock

該保持架在兜孔內(nèi)設(shè)置槽口，使得保持架在裝配時(shí)容易塑性變形產(chǎn)生壓點(diǎn)，進(jìn)而鎖住滾子端面，裝配更加容易；可以實(shí)現(xiàn)乙形、M形保持架的自鎖功能，使?jié)L子加長(zhǎng)，直徑更大，承載能力更大；相比原筒形保持架更容易保證幾何精度，降低軸承噪聲。

2.6 小結(jié)

圓柱滾子軸承沖壓保持架的結(jié)構(gòu)隨著沖壓模具和材料技術(shù)的不斷發(fā)展而改變，目前國(guó)內(nèi)各類沖壓保持架都有應(yīng)用，未形成明顯的替代趨勢(shì)，逐漸向承載能力和壽命更高(容納更長(zhǎng)、直徑更大的滾子)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單實(shí)用(更容易保證幾何精度)，加工工藝性好(模具更易制作)，裝配方便(裝配模具簡(jiǎn)單或不需要裝配模)的方向發(fā)展。

3 沖壓保持架發(fā)展趨勢(shì)

目前國(guó)內(nèi)圓柱滾子軸承沖壓保持架技術(shù)發(fā)展相對(duì)緩慢，主要有幾個(gè)原因：1)軸承設(shè)計(jì)相對(duì)落后，對(duì)保持架不夠重視，認(rèn)為保持架這個(gè)輔助件的精度和軸承的精度相差太大，能用、不出問(wèn)題即可，保持架結(jié)構(gòu)類型和制造方法沒(méi)有深入研究；2)市場(chǎng)對(duì)沖壓保持架的認(rèn)識(shí)度不夠，得不到用戶的認(rèn)可，同等使用條件下能用更貴一點(diǎn)的銅保持架而不用鋼保持架；3)研究人才不足，研究深度不夠，目前多數(shù)改進(jìn)型、新型保持架為國(guó)外產(chǎn)品的測(cè)繪，未深究其具體內(nèi)涵；4)國(guó)內(nèi)沖壓設(shè)備、模具相對(duì)落后，導(dǎo)致產(chǎn)品的幾何精度較差，使用性能存在問(wèn)題。

雖然圓柱滾子軸承沖壓保持架在國(guó)內(nèi)的發(fā)展遇到一定的問(wèn)題，但其在高速、重載、長(zhǎng)壽命、低噪聲性能方面仍具有不可替代的地位。如某壓縮機(jī)用圓柱滾子軸承的內(nèi)懸梁黃銅保持架(圖8)，在轉(zhuǎn)速為4 000 r/min以下時(shí)(通用壓縮機(jī)支承軸承的轉(zhuǎn)速)保持架沒(méi)有問(wèn)題，但是當(dāng)轉(zhuǎn)速提高到5 000 r/min以上時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)保持架斷裂故障，改進(jìn)采用M形沖壓保持架(圖9)，就解決了圓柱滾子軸承的高速問(wèn)題。

圖8 內(nèi)懸梁黃銅保持架Fig.8 Brass cage with inner hanging beam

隨著高速精密沖裁、自動(dòng)化焊接及整形技術(shù)的推廣應(yīng)用，圓柱滾子軸承沖壓保持架有向大尺寸段發(fā)展和逐步取代實(shí)體銅保持架的趨勢(shì)。沖壓保持架技術(shù)的發(fā)展方向主要在于結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，而保持架新結(jié)構(gòu)的開(kāi)發(fā)還依賴于保持架材料和工藝裝備水平的提高。

圓柱滾子軸承沖壓保持架在國(guó)外的應(yīng)用非常廣泛，且有逐漸增多的趨勢(shì)，主要突破點(diǎn)是結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新和加工精度的提高，相信國(guó)內(nèi)的情況隨著技術(shù)的進(jìn)步和市場(chǎng)的調(diào)節(jié)也將會(huì)發(fā)生變化。