深溝球軸承溝道與擋邊接合處過(guò)渡倒角的設(shè)計(jì)

皇天鳴，汪景俊，孟麗霞

(洛陽(yáng)LYC軸承有限公司 球軸承廠，河南 洛陽(yáng) 471039)

深溝球軸承生產(chǎn)工藝中內(nèi)、外套圈溝道與其擋邊接合處加入過(guò)渡倒角設(shè)計(jì)，以減少搬運(yùn)、檢測(cè)過(guò)程中溝道的磕碰傷及鋼球裝配時(shí)的劃傷等，降低成品軸承的振動(dòng)值；同時(shí)可以減小磨削時(shí)工件與砂輪的接觸寬度與磨削量，有利于磨削過(guò)程的散熱，從而降低磨加工難度，并在一定程度上減小溝道磨削產(chǎn)生的在溝道尖端的應(yīng)力集中。下文在綜合考慮載荷應(yīng)力分布和產(chǎn)品游隙的基礎(chǔ)上，以6411E軸承內(nèi)圈為例介紹了套圈溝道與其擋邊接合處的過(guò)渡倒角設(shè)計(jì)。

1 設(shè)計(jì)思路

6411E內(nèi)圈溝道與其擋邊接合處的過(guò)渡倒角的設(shè)計(jì)如圖1～2所示，關(guān)鍵是要確定H和γ。H過(guò)大，可能會(huì)導(dǎo)致該過(guò)渡倒角進(jìn)入溝道工作接觸區(qū)域，破壞工作帶形貌，從而造成產(chǎn)品的異常失效；如果γ設(shè)計(jì)不合適，則不能有效地防止鋼球在裝配過(guò)程中的磕碰傷。

圖1 鋼球與內(nèi)圈接觸位置及鋼球中心平面示意圖

圖2 鋼球與內(nèi)圈溝道邊沿接觸區(qū)放大示意圖

以不影響軸承的承載能力為前提，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)軸承套圈仍采用支外徑磨溝道的具體情況，利用Hertz接觸理論找到軸承工作時(shí)接觸橢圓所能達(dá)到的極限位置M點(diǎn)，從而進(jìn)行H的設(shè)計(jì)；再結(jié)合裝配現(xiàn)場(chǎng)，找到合適的填球角度，有效防止裝球過(guò)程中對(duì)鋼球的磕碰傷，由此進(jìn)行γ的設(shè)計(jì)。

2 H的確定

按照Hertz接觸理論，軸承承載后鋼球與溝道接觸點(diǎn)擴(kuò)展為一橢圓面接觸，表面壓力呈半橢球分布。如果軸承同時(shí)承受軸向載荷，接觸角加大，鋼球?qū)μ兹Φ膲汉墼谳S向沿載荷方向移動(dòng)。由兩者的共同作用確定溝道接觸區(qū)域的極限點(diǎn)，才能避免接觸橢圓超出溝道有效區(qū)域。H的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮此點(diǎn)的約束。

圖3為6411E軸承內(nèi)圈在軸向載荷作用下，消除原始游隙形成實(shí)際接觸角后，接觸區(qū)域由于彈性變形產(chǎn)生接觸橢圓的極限位置圖(文中假設(shè)外圈固定不動(dòng))。其中M點(diǎn)為接觸極限點(diǎn)。在軸向載荷的作用下內(nèi)圈相對(duì)于外圈的軸向位移量為δa；接觸角由原始接觸角α0變成了α′。其H值確定的思路如下：找到軸承在α′下內(nèi)溝道曲率中心的位置，進(jìn)而找到鋼球和內(nèi)溝道的接觸點(diǎn)，在接觸點(diǎn)沿溝道再偏移出接觸橢圓長(zhǎng)半軸的距離，即為M點(diǎn)，M點(diǎn)到擋邊間的距離即為H值。對(duì)于外圈，由于其固定不動(dòng)，H值的確定更為簡(jiǎn)單，直接通過(guò)外溝曲率中心與α′接觸處，同上述內(nèi)圈方法找到M點(diǎn)即可。

由文獻(xiàn)[1]知，接觸橢圓長(zhǎng)半軸為

(1)

式中：ea為Hertz接觸系數(shù)；Q為鋼球承受的載荷；∑ρ為接觸點(diǎn)的主曲率和函數(shù)。

圖3 極限位置示意圖

最大承載鋼球的載荷由下式近似計(jì)算求得

Qmax=5Fr/Z，

(2)

式中：Fr為軸承的徑向載荷，這里取Fr=Cr，Cr為軸承的額定動(dòng)載荷；Z為鋼球數(shù)。

向心軸承的原始接觸角的關(guān)系式為

(3)

與軸向載荷Fa形成的接觸角α′的關(guān)系式為

c/(2fm-1)，

(4)

式中：c為接觸區(qū)尺寸決定的系數(shù)，在文獻(xiàn)[1]中可以得到；fm為內(nèi)、外圈平均溝道曲率比，fm=(fi+fe)/2。

軸承承受軸向載荷Fa，接觸角由α0變成α′，內(nèi)圈相對(duì)于外圈的軸向位移量δa為

δa=(2fm-1)Dw(sinα′-sinα0)+

c(Fa/Z)2/3(sinα′/Dw)1/3。

(5)

6411E的結(jié)構(gòu)尺寸和相關(guān)參數(shù)為：外圈溝曲率半徑re=14.17 mm，內(nèi)圈溝曲率半徑ri=13.9 mm，Dw=26.987 5 mm，Z=7，最大徑向游隙Grmax=0.028 mm，Cr=101 kN。那么可以得到：fi=0.515，fe=0.525，無(wú)量綱幾何參數(shù)γi=0.272 6，∑ρi=0.104 0，主曲率差函數(shù)值F(ρi)=0.958 3,fm=0.52。經(jīng)查表得ea=0.104 3，c=4.517×10-4,由此得Qmax=72.14 kN，α0=9.23°，a=9.234 mm。取Fa=10 kN，利用迭代法求出α′=18.10°，則δa=0.17 mm。通過(guò)AutoCAD作圖即可知H=0.34 mm。

3 γ的確定

由于6411E軸承鋼球直徑與內(nèi)、外圈寬度相差不大，在裝球時(shí)應(yīng)使內(nèi)、外圈溝道與其擋邊接合處的過(guò)渡倒角與鋼球相切。以M點(diǎn)為圓心、鋼球的直徑為直徑作圓，此圓與鋼球中心平面(圖1)交點(diǎn)和圓心的連線，與水平面的夾角為β角(圖4)，一般采用比β角小1°～2°的角度作為γ的角度。作圖的方法更便于設(shè)計(jì)γ的角度，并保證過(guò)渡倒角與鋼球相切。至此成品內(nèi)圈溝道與其擋邊接合處的過(guò)渡倒角設(shè)計(jì)完成。同理外圈也可采用此方法。

圖4 β角的由來(lái)

按照上述方法，用AutoCAD做出6411E/02的γ角為36°，H為0.34 mm。此方法對(duì)內(nèi)圈擋邊的寬度和前述工序無(wú)任何影響。

對(duì)于車工件套圈來(lái)說(shuō)，通過(guò)對(duì)成品軸承套圈的分析，找到合適的γ角，在此γ角下只要考慮相應(yīng)的套圈擋邊留量和溝道留量，就可以確定出過(guò)渡倒角的車加工坐標(biāo)，在此不再詳細(xì)列出作圖步驟。

4 應(yīng)用效果

對(duì)未加過(guò)渡倒角和加過(guò)渡倒角的各1 000套6411E軸承進(jìn)行檢測(cè)，產(chǎn)生振動(dòng)異常的比率分別為2%和0.2%。由此說(shuō)明，套圈溝道與其擋邊接觸處的過(guò)渡倒角的設(shè)計(jì)有效地避免了套圈在加工過(guò)程中的磕碰傷，對(duì)溝道磨削、超精等問(wèn)題都有了很大地改善；特別在現(xiàn)場(chǎng)的裝配合套和壓入最后一粒鋼球時(shí)，很大程度地減少了鋼球的表面劃傷及溝道磕碰傷，提高了軸承使用壽命。