推力球軸承套圈溝道中心徑測(cè)量方法

王旭剛，吳迪，叢晨日，羅志剛，金文勝

(中國(guó)航發(fā)哈爾濱軸承有限公司，哈爾濱 150025)

推力球軸承一般由軸圈、座圈、保持架和鋼球組成，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定其只能承受軸向載荷。為保證軸承在裝配后正常運(yùn)行，防止鋼球轉(zhuǎn)動(dòng)不流暢或卡滯現(xiàn)象，必須將軸圈與座圈的溝道中心徑控制在一定的公差范圍內(nèi)。若軸圈與座圈的溝道中心徑超出公差范圍，將導(dǎo)致鋼球與溝道的接觸角發(fā)生變化，軸承不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，加速磨損，進(jìn)而降低軸承的使用壽命。

1 常規(guī)測(cè)量方法存在問(wèn)題

軸圈與座圈溝道中心徑的常規(guī)測(cè)量方法有樣板測(cè)量法和三球法。

樣板測(cè)量法使用溝道中心徑樣板， 通過(guò)刮色法或光隙法定性判斷溝道中心徑是否合格。該方法受人為因素影響較大，尤其是當(dāng)溝道中心徑為極限值時(shí)，不同的測(cè)量人員對(duì)同一個(gè)工件會(huì)有迥然不同的判定結(jié)果。

三球法選取3粒直徑尺寸相同且略大于溝道圓弧公稱直徑的鋼球，將3粒鋼球均布于被測(cè)套圈溝道并用壓板將鋼球固定牢靠，用臥式測(cè)長(zhǎng)儀測(cè)量相鄰鋼球之間的最大距離后利用幾何關(guān)系計(jì)算被測(cè)套圈的溝道中心徑。該方法受鋼球固定牢靠程度的影響較大，重復(fù)性不好且測(cè)量效率低。實(shí)際測(cè)量發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溝道中心徑小于30 mm時(shí)，套圈受鋼球固定牢靠程度的影響更明顯，同時(shí)溝道會(huì)產(chǎn)生變形，直接影響測(cè)量的準(zhǔn)確性。

另外，還可通過(guò)選取與被測(cè)套圈溝道圓弧曲率半徑一致的曲率球或曲率片，利用相應(yīng)的測(cè)量裝置定量測(cè)量溝道中心徑；但無(wú)相應(yīng)的曲率球/曲率片時(shí)將無(wú)法測(cè)量，局限性較大，而且當(dāng)溝道中心徑小于30 mm時(shí)測(cè)量重復(fù)性同樣不好。

結(jié)合推力球軸承套圈的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及精準(zhǔn)確定最大溝道中心徑位置并測(cè)量最大溝道中心徑值的要求，通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，研究出2種新的推力球軸承套圈溝道中心徑測(cè)量方法：輪廓儀測(cè)量法和三坐標(biāo)測(cè)量法。

2 輪廓儀測(cè)量法

輪廓儀測(cè)量法的主要思路是：先通過(guò)鋼球間接確定溝道最大直徑位置，然后利用輪廓儀測(cè)量最大直徑位置套圈溝道的2個(gè)圓弧，最后通過(guò)測(cè)量分析軟件得到2個(gè)圓弧之間的圓心距離，即被測(cè)套圈的溝道中心徑。

2.1 確定套圈溝道最大直徑位置

確定套圈溝道最大直徑位置的方法主要有四球法和一球法。

四球法依據(jù)被測(cè)套圈幅高及內(nèi)徑尺寸選擇相應(yīng)的鋼球，3粒尺寸相對(duì)較小的鋼球均布于被測(cè)套圈的內(nèi)孔，1粒尺寸相對(duì)較大的鋼球放置在3粒小鋼球上，如圖1所示。由幾何關(guān)系可知，只需確定尺寸較大鋼球在輪廓儀y軸方向上的最高點(diǎn)H，經(jīng)過(guò)最高點(diǎn)H且平行于x軸的直線L一定經(jīng)過(guò)溝道的最大直徑位置。

(a) 4粒鋼球的放置

一球法則依據(jù)被測(cè)套圈的內(nèi)徑尺寸選取1粒鋼球，放置方法及最高點(diǎn)H如圖2所示。

(a)鋼球的放置

2.2 測(cè)量套圈溝道中心徑

在最大直徑位置測(cè)量溝道的2個(gè)圓弧，其圓心距離即被測(cè)套圈的溝道中心徑。以四球法為例說(shuō)明測(cè)量過(guò)程：首先，將被測(cè)套圈和鋼球放置在工作臺(tái)上，目測(cè)輪廓儀測(cè)針位于被測(cè)套圈溝道中心徑最大位置，用工業(yè)橡皮泥或熱熔膠將套圈固定；然后，移動(dòng)輪廓儀測(cè)針與尺寸較大鋼球接觸，沿y軸方向移動(dòng)工作臺(tái)，找到鋼球在y軸方向的最高點(diǎn)H；最后，取下鋼球，用輪廓儀測(cè)量溝道圓弧1和圓弧2的輪廓(圖3)，通過(guò)軟件計(jì)算兩圓弧圓心之間的水平距離D，即為該套圈溝道中心徑。一球法的測(cè)量原理與此相同。

圖3 被測(cè)套圈溝道圓弧及溝道中心徑

在確定溝道圓弧1和圓弧2的圓心時(shí)會(huì)受到溝形誤差的影響。溝形誤差不好，圓弧截取長(zhǎng)度不同則擬合出的圓心位置變化較大，建議選定的溝道輪廓包角等于60°，以此輪廓計(jì)算出的圓心作為溝道圓弧的圓心。實(shí)際測(cè)量經(jīng)驗(yàn)表明：當(dāng)整個(gè)溝道的溝形誤差小于1.5 μm時(shí)，溝道圓弧圓心位置受圓弧截取長(zhǎng)度的影響較小。

輪廓儀測(cè)量法通過(guò)被測(cè)套圈內(nèi)徑最大位置間接確定最大溝道中心徑位置，是一種理想情況。溝道圓心與內(nèi)徑圓心存在偏心時(shí)測(cè)量所得溝道中心徑不是最大直徑，且測(cè)量誤差隨偏心程度的增大而增大。另外，使用鋼球確定最大溝道中心徑位置的方法只適用于圖紙規(guī)定的內(nèi)徑為基準(zhǔn)的推力球軸承套圈，仍存在一定的局限性。

3 三坐標(biāo)測(cè)量法

三坐標(biāo)測(cè)量法的主要思路是：測(cè)量一定數(shù)量的溝道圓弧并將其圓心擬合為一個(gè)圓，以擬合圓的圓心為坐標(biāo)系原點(diǎn)，在新坐標(biāo)系下再次測(cè)量一定數(shù)量的溝道圓弧并將其圓心再擬合為一個(gè)圓，在x軸上測(cè)量一條直線或構(gòu)造一條直線，此直線在Oxy平面內(nèi)與擬合圓的2個(gè)交點(diǎn)之間的距離即被測(cè)套圈的溝道中心徑。

根據(jù)圖紙要求，以套圈軸線確定z軸方向，以套圈圓心確定Oxy平面零點(diǎn)，以套圈端面確定z軸零點(diǎn)，以套圈內(nèi)/外徑上任意一點(diǎn)確定x軸的方向。按照右手定則，y軸方向垂直紙面向里，建立的工件坐標(biāo)系Oxyz如圖4所示。由于溝道圓心與套圈圓心存在一定的偏心，為消除偏心的影響，需將Oxy平面的原點(diǎn)移動(dòng)到溝道圓心。

圖4 工件坐標(biāo)系

在工件坐標(biāo)系Oxyz下，測(cè)量溝道圓弧(通常測(cè)量12個(gè))。首先，在Oxz平面的x軸上測(cè)量第1個(gè)溝道圓弧，其圓心的x，y，z坐標(biāo)分別為公稱溝道中心徑的一半，零，圓弧圓心到套圈端面的公稱軸向距離，圓弧半徑為其公稱溝曲率半徑，包角為60°； 然后， 將此圓弧進(jìn)行11次陣列復(fù)制，測(cè)量出12個(gè)溝道圓弧，用12個(gè)溝道圓弧的圓心(黑色實(shí)心圓)擬合成一個(gè)圓(溝道擬合圓1)并將其投影到Oxy平面；最后，將Oxy平面的零點(diǎn)平移到擬合圓的圓心，變成新的坐標(biāo)系O1x1y1z1，如圖5所示。

圖5 平移后的坐標(biāo)系O1x1y1z1

在O1x1y1z1坐標(biāo)系下依據(jù)被測(cè)溝道的精度和測(cè)量效率選取測(cè)量溝道圓弧的數(shù)量，建議定為偶數(shù)，目的是定點(diǎn)測(cè)量溝道中心徑，即保證被測(cè)溝道圓弧中有2個(gè)圓弧的圓心同時(shí)位于x1軸上。通常建議測(cè)量16個(gè)以上的溝道圓弧，本文以測(cè)量16個(gè)溝道圓弧為例進(jìn)行說(shuō)明：首先，在Ox1z1平面的x1軸上測(cè)量溝道圓弧，其圓心的x1，y1，z1坐標(biāo)分別為公稱溝道中心徑的一半，零，圓弧圓心到套圈端面的公稱軸向距離，圓弧半徑為其公稱溝曲率半徑，圓弧包角為60°；然后，將此圓弧進(jìn)行15次陣列復(fù)制，測(cè)量出16個(gè)溝道圓弧，用16個(gè)溝道圓弧的圓心(空心圓)再次擬合為一個(gè)圓，記為溝道擬合圓2；最后，在x1軸線上測(cè)量或構(gòu)造一條直線l，該直線與溝道擬合圓2在O1x1y1平面的交點(diǎn)記為P1和P2，兩點(diǎn)間距離即被測(cè)套圈的溝道中心徑，如圖6所示。

圖6 溝道中心徑

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 測(cè)量準(zhǔn)確性

選取某型號(hào)推力球軸承座圈，其溝道中心徑為(72.41±0.03)mm，實(shí)際測(cè)量中發(fā)現(xiàn)，該尺寸座圈的溝道中心徑用常規(guī)三球法所得測(cè)量值的重復(fù)性好，準(zhǔn)確度高，因此，以常規(guī)三球法定點(diǎn)測(cè)得的溝道中心徑作為參考值驗(yàn)證新方法的準(zhǔn)確性。

3種方法的測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1：輪廓儀測(cè)量法、三坐標(biāo)測(cè)量法與常規(guī)三球法測(cè)量結(jié)果的差值分別為-0.005和+0.002 mm，測(cè)量誤差分別為公差帶(0.06 mm)的1/12和1/30，均滿足GB/T 3177—2009《產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范(GPS) 光滑工件尺寸的檢驗(yàn)》中計(jì)量器具的測(cè)量不確定度小于工件公差1/4的最低要求。

表1 某型推力球軸承座圈溝道中心徑測(cè)量結(jié)果

4.2 測(cè)量重復(fù)性

對(duì)上述同型號(hào)推力球軸承座圈，分別以輪廓儀和三坐標(biāo)測(cè)量法各重復(fù)測(cè)量10次，結(jié)果見(jiàn)表2：由貝塞爾公式計(jì)算出輪廓儀測(cè)量法、三坐標(biāo)測(cè)量法的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差分別為1.578和1.080 μm，2種方法的重復(fù)性均較好，三坐標(biāo)測(cè)量法略優(yōu)于輪廓儀測(cè)量法。

表2 溝道中心徑測(cè)量重復(fù)性試驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證2種測(cè)量方法對(duì)小尺寸座圈的測(cè)量效果，選取某型溝道中心徑為(21.51±0.015)mm的推力球軸承座圈，分別以常規(guī)三球法、輪廓儀測(cè)量法和三坐標(biāo)測(cè)量法各重復(fù)測(cè)量10次，結(jié)果見(jiàn)表3：從測(cè)量結(jié)果的極差和標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)看，溝道中心徑不大于30 mm時(shí)，三坐標(biāo)測(cè)量法的效果最好，輪廓儀測(cè)量法的效果次之，均優(yōu)于常規(guī)三球法。

表3 小尺寸推力球軸承座圈溝道中心徑測(cè)量結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于推力球軸承套圈溝道中心徑的測(cè)量，本文所提2種新方法各有優(yōu)缺點(diǎn)：輪廓儀測(cè)量法可以直接測(cè)量溝道中心徑，簡(jiǎn)單易行，適用于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，但必須以內(nèi)徑面為定位基準(zhǔn)，同時(shí)受套圈與溝道偏心的影響，測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性存在一定局限；三坐標(biāo)測(cè)量法以溝道圓弧擬合圓的圓心為坐標(biāo)系原點(diǎn)，有效消除了偏心的影響，且測(cè)量準(zhǔn)確性、重復(fù)性均更高，測(cè)量尺寸范圍更寬(測(cè)量上限尺寸取決于三坐標(biāo)自身的量程)，但三坐標(biāo)測(cè)量法通過(guò)擬合圓測(cè)量的溝道中心徑是一個(gè)平均值，溝道圓度較大時(shí)的測(cè)值與實(shí)際溝道中心徑相差較大；因此，在實(shí)際測(cè)量中，應(yīng)根據(jù)測(cè)量需求合理選擇測(cè)量方法。