关节轴承密合度测量辅助工装设计*

2018-04-26刘文水

新技术新工艺 2018年4期

刘文水

(1.福建龙溪轴承(集团)股份有限公司，福建漳州 363000；2.福建省关节轴承企业重点实验室，福建漳州 363000)

挤压型自润滑关节轴承是一种将粘贴有自润滑层的轴承外圈，通过挤压塑性成型装配到内圈上的整体结构轴承，其具有结构紧凑、体积小、质量小、承载大、零游隙和免维护等优点，在机械工程等领域应用广泛[1-3]。

密合度是考核挤压型自润滑关节轴承制造质量的重要指标，是挤压后外圈球面与内球面接触质量的评判标准。进行密合度测量时，用塑料将轴承内、外圈固定，防止内圈相对外圈运动，再沿内圈轴心线并垂直于外圈端面的方向上把轴承剖开[4-6](见图1)。研磨抛光该表面后，获得清晰内、外圈球面的圆弧曲线，测量内、外圈间的径向距离t值，从而判定挤压成型的质量。

密合度测量结果是关节轴承制造工艺改进和判定轴承质量是否满足要求的重要依据，确保密合度测量准确性具有重要的意义。

图1 密合度测量示意图

1 问题提出

在关节轴承研制过程中发现，某型号轴承的自润滑层厚度为(0.4±0.04) mm，轴承游隙值为0，密合度检测结果显示，t值达到0.7 mm以上。该测量结果必定存在问题，因为t值如果超过自润滑层初始厚度，轴承游隙值不可能为0。

为了解决上述问题，本文以内孔为60 mm的某型号关节轴承为研究对象，对轴承挤压及剖分的应力和变形进行分析，并针对变形特点，设计一种测量密合度辅助工装，以帮助抵消剖分后的变形力，解决采用塑料固定内、外圈强度不足的缺点。

2 应力分析

挤压型自润滑关节轴承制造是通过挤压轴承外圈，实现内外圈的装配。在挤压装配过程中，轴承外圈受到缩口和弯曲这2种力的作用，产生的变形有塑性变形和弹性变形。应用Abaqus软件进行挤压仿真模拟，应力分布如图2所示。由图2可以看出，在闭模状态下，外圈两端主要受缩口力的作用，两端承受压应力使轴承两端口部尺寸减小，外圈中部主要受弯曲力的作用，中部外侧承受拉应力使外侧尺寸伸长，中部内侧承受压应力使内侧尺寸缩短，同时中部内侧的压应力使外圈中部直径有所减小；卸模后，外圈塑性变形残留，弹性变形消失，外圈外侧因弹性恢复而缩短，内侧因弹性恢复而伸长[7]，整个外圈因弹性恢复向外胀大，直到外圈内部应力达到平衡状态时尺寸暂时保持稳定，此时，外圈两端、中部内、外侧主要承受拉应力作用，外圈两端内侧和中部中心小部分区域承受压应力作用。

图2 轴承外圈挤压应力分布图

由于挤压残余应力的存在，且主要为拉应力，当轴承沿内圈轴心线并垂直于外圈端面的方向剖开后，外圈剖分面的应力平衡被打破，外圈受拉应力作用继续向外胀大，寻找新的平衡点，从而使内外圈球面的圆弧曲线距离变大。

为了清晰地观察外圈剖开后的变形情况，将未采用塑料固化封装的某型号0游隙轴承剖开(见图3)，明显看出外圈与内圈金属弧线距离变大很多。

图3 外圈剖分后胀大图

因此，密合度测量结果中内、外圈间的径向距离t值大于衬垫厚度的主要原因是轴承剖分后向外胀大，且由于制备轴承密合度测量样件的塑料强度和硬度有限，对于小型号轴承尚能克服剖分胀大力，对于大型号轴承就不能完全克服剖分胀大力。

3 密合度测量辅助工装设计

为了保证密合度测量的准确性，提出了样件先用辅助工装锁紧，然后用塑料填充固定的方法。密合度测量辅助工装(见图4)起到限制外圈剖分后胀大的作用。

图4 辅助工装示意图

图4中，将关节轴承放入底座，固定心轴穿入轴承内孔后，用螺母将固定心轴锁在底座上，顶紧螺钉1顶紧轴承底部，同时用顶紧螺钉2和顶紧螺钉3顶紧轴承外径两侧，安装好辅助工装后在填充塑料区域填充塑料，塑料固化后即可进行剖分。

上述工装中，顶紧螺钉1主要作用是顶紧轴承避免轴承移动，同时可调节关节轴承内圈轴心线位置，使不同规格轴承的轴心线都能正好露出底座上表面，利于剖分轴承，增强了工装的通用性能。锁紧螺钉2和3的主要作用是克服轴承剖分后外圈应力释放产生的变形力，防止轴承剖开后外圈向外胀大。

4 密合度测量辅助工装使用效果

采用同批次、状态完全相同的、内孔为60 mm的某大型号关节轴承为研究对象，随机选取4件合格产品，且初始游隙皆为0，其中2件未使用辅助工装，另2件使用辅助工装，分别制备密合度测量样件。未使用辅助工装制备的样件如图5所示。利用万能工具显微镜获得清晰内、外圈球面的圆弧曲线，测得内、外圈间的径向距离t值见表1。

图5 未使用辅助工装制备的样件

(mm)

使用辅助工装制备的样件如图6所示。测得内、外圈间的径向距离t值见表2。

图6 使用辅助工装制备的样件

(mm)

密合度测量辅助工装使用前、后试验结果对比如图7所示。

图7 密合度辅助工装使用前、后t值变化关系

从图7可以看出，未使用辅助工装时，测量样件内、外圈球面圆弧曲线上的径向距离(t值)>0.5 mm，且不同轴承样件因剖分后外胀量不同，导致t值差别很大。使用辅助工装后，t值明显变小，数值集中在0.4 mm附近，且与所使用的自润滑衬垫初始厚度(0.4±0.04) mm接近，说明使用辅助工装后，密合度测量结果准确度得到明显提高。