外球面球軸承座的軸承插入槽探討

吳清祥，莊有土

(1.黑金剛(福建)自動(dòng)化科技股份公司，福建 泉州 362000；2.華僑大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，福建 泉州 362000)

1 鑄造成型的軸承插入槽

外球面球軸承座的軸承插入槽是為安裝和維修軸承方便而設(shè)計(jì)。有關(guān)外球面球軸承座的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，如ISO 3228:2013“Rolling bearings—Cast and pressed housings for insert bearings—Boundary dimensions and tolerances”以及GB/T 27560—2011《滾動(dòng)軸承 外球面球軸承鑄造座 技術(shù)條件》和GB/T 2809—2017《滾動(dòng)軸承 外球面球軸承鑄造座 外形尺寸》，均未對軸承座的軸承插入槽對軸承質(zhì)量的影響給出相關(guān)提示或說明，對插入槽外形尺寸也未直接標(biāo)注。因此，國內(nèi)外帶座外球面球軸承制造商均在軸承座上直接鑄出軸承插入槽，以方便用塞規(guī)綜合檢測軸承座內(nèi)球面的加工尺寸。具有代表性的P212立式座結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 鑄造成型的軸承插入槽

P212立式座2個(gè)軸承插入槽的槽底面直徑為φ115 mm，內(nèi)球面直徑為Sφ110 mm，單邊槽深2.5 mm，立式座壁厚為15 mm。

2 鑄造成型插入槽對軸承座的影響

2.1 直接影響

1)插入槽超越了內(nèi)球面前后半球的分界線(即赤道線)1 mm，內(nèi)球面赤道線約有1/4～1/5被插入槽占據(jù)， 軸承座在插入槽處為大跨距無支承狀態(tài)，容易產(chǎn)生變形，導(dǎo)致軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)游隙(工作游隙)變化，對軸承的疲勞接觸壽命、溫升、振動(dòng)噪聲等性能產(chǎn)生影響。

2)插入槽的存在使軸承座內(nèi)球面不存在任何一根完整的可形成內(nèi)球面的素線，因而無法準(zhǔn)確測量內(nèi)球面的球徑和形位公差，對軸承座內(nèi)球面加工質(zhì)量產(chǎn)生影響。

3)插入槽削弱了軸承座的強(qiáng)度，可能在軸承使用過程中發(fā)生斷裂。

4)插入槽的存在是帶座軸承極限轉(zhuǎn)速比同型號深溝球軸承極限轉(zhuǎn)速低的原因之一。

2.2 加工質(zhì)量的影響

由于兩處插入槽的隔斷，軸承座內(nèi)球面車削(或鏜削)為間斷切削，每轉(zhuǎn)有2次切入和切出對刀具產(chǎn)生沖擊，容易引起內(nèi)球面局部加工表面出現(xiàn)振紋，為了減小振紋的深度和面積，加工時(shí)通常采用尖刀車削，而不使用帶圓角的轉(zhuǎn)位車刀，內(nèi)球面表面粗糙度Ra值難以達(dá)到3.2 μm；而且尖刀車削表面是由一系列尖角的頂部構(gòu)成，在軸承裝配壓力下被壓低以及快速磨損，使帶座軸承的配合性質(zhì)不穩(wěn)定。另外，由于需要經(jīng)常修磨刀具，切削速度不高，生產(chǎn)率低。

2.3 加工精度的影響

2.3.1 尺寸

插入槽為鑄造成型，若退火去應(yīng)力不充分或者不進(jìn)行時(shí)效處理，內(nèi)球面車削時(shí)鑄造應(yīng)力釋放不均,容易引起內(nèi)球面的較大變形。特別是對于立式座，其內(nèi)球面經(jīng)數(shù)控粗車、半精車和精車后，在工件不重新安裝情況下，對內(nèi)球面用金剛石磨輪進(jìn)行范成法磨削，容易在工件插入槽鄰近加工表面出現(xiàn)大面積精車痕跡，有時(shí)需徑向磨削量達(dá)到0.10 mm才能去除精車留下的條紋。鑄造成型的插入槽加大了鑄造應(yīng)力變形，可能導(dǎo)致其加工誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出技術(shù)要求。

2.3.2 配合

GB/T 27555—2011《滾動(dòng)軸承 外球面球軸承 技術(shù)條件》規(guī)定了鑄造座與外球面球軸承過渡配合時(shí)的配合力矩，如P212立式座，軸承外徑110 mm，要求最小配合力矩大于3 N·m，最大配合力矩小于150 N·m。由圖2外球面球軸承與其座孔配合公差帶可知，最大間隙可達(dá)37 μm，最大過盈為13 μm。外球面軸承與軸承座配合大概率為間隙配合，但依照目前軸承座的形狀誤差，很難在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最小配合力矩下滿足裝配要求。另外，最大配合力矩150 N·m，估算相當(dāng)于軸承座與軸承之間的正壓力達(dá)到5 000 N以上，此正壓力若能均勻作用于外圈，可減小軸承的徑向游隙，提高軸承性能。但帶座軸承由于插入槽的槽根線超越內(nèi)球面赤道線1 mm，軸承座在兩插入槽處無法約束軸承外圈向插入槽凸出變形，軸承座對軸承的不均勻壓力相當(dāng)于一個(gè)很大的附加載荷。此附加載荷使軸承外圈在垂直于底面的方向壓緊滾動(dòng)體，使徑向游隙可能為零或負(fù)值，而在平行于底面的方向軸承外圈凸入插入槽，外圈與滾動(dòng)體的徑向游隙加大。軸承旋轉(zhuǎn)1周，要2次經(jīng)歷無游隙及大游隙，會(huì)加大帶座軸承的噪聲。

圖2 外球面球軸承與其座孔配合公差帶

4 銑削成形的軸承插入槽

文獻(xiàn)[1]提出軸承插入槽在軸承座內(nèi)球面精加工完成后由銑削加工成形，解決了鑄造成型軸承插入槽引起的諸多問題。內(nèi)球面采用帶圓角的轉(zhuǎn)位車刀車削，表面粗糙度Ra值可穩(wěn)定達(dá)到1.6 μm，形狀誤差也大大下降，公差等級可達(dá)到IT6或IT5。

銑削成形軸承插入槽(圖3)設(shè)計(jì)[2]：

圖3 銑削成形的軸承插入槽

2)采用φ6 mm或φ8 mm立銑刀或金剛石磨輪切削插入槽的底面，因而插入槽兩側(cè)有R4 mm或R3 mm的圓角。刀具沿圓周進(jìn)給的弧長，以軸承能順暢插入為準(zhǔn)。

3)插入槽的槽根線不可到達(dá)內(nèi)球面的赤道線，與赤道線距離由內(nèi)球面直徑、與軸承配合性質(zhì)決定[3]。對于P212立式座,插入槽槽根線與赤道線距離為1.5 mm左右。即在軸承插入過程中，經(jīng)過槽根線時(shí)軸承受阻，產(chǎn)生0.02～0.04 mm的彈性變形，然后彈入到位。這個(gè)距離形成軸承座環(huán)赤道線兩側(cè)一個(gè)特有的連續(xù)支承帶，可有效阻擋軸承外圈凸入插入槽，從而減少軸承附加載荷和噪聲[4]。有了這個(gè)特有的連續(xù)支承帶，軸承座內(nèi)球面的球徑和形狀誤差才能更準(zhǔn)確的測量，帶座軸承的制造質(zhì)量更有保證[5]。

4)對于軸線需不斷擺動(dòng)的帶座軸承，內(nèi)外球面為間隙配合，銑軸承插入槽時(shí)可在1或2個(gè)側(cè)邊加工1 mm深的溝，采用止動(dòng)球防止外圈轉(zhuǎn)動(dòng)。加工的溝不得超過槽根線，確保支承帶連續(xù)。

5 結(jié)束語

外球面球軸承座插入槽由銑削成形替代鑄造成型，可經(jīng)濟(jì)地使軸承座內(nèi)球面表面粗糙度Ra值由3.2 μm提高到1.6 μm；公差等級由IT7提高到IT6；特有的支承帶可使軸承的極限轉(zhuǎn)速顯著提高，噪聲大幅降低。因此，也提出對相關(guān)國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的建議：用“配合力矩”作為綜合指標(biāo)檢測帶座軸承內(nèi)球面的方法不夠合理，支承帶可檢測內(nèi)球面的尺寸和形狀誤差， 插入槽對軸承的影響較大，應(yīng)制定相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)給予行業(yè)引導(dǎo)。