薄壁軸承雙半實(shí)體保持架專用電鉚頭設(shè)計(jì)

李凌鑫，王玉良，師歌，蘇柏萬(wàn)，楊浩亮

(洛陽(yáng)軸研科技股份有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039)

1 雙半實(shí)體保持架鉚接工藝

薄壁深溝球軸承雙半實(shí)體保持架鉚接工藝是軸承裝配過(guò)程中的關(guān)鍵工序，鉚接質(zhì)量直接影響軸承的各項(xiàng)旋轉(zhuǎn)精度、動(dòng)態(tài)質(zhì)量甚至軸承的壽命。雙半實(shí)體保持架采用長(zhǎng)鉚釘進(jìn)行鉚接(圖1)，由于受保持架兜孔等分差及鉚釘孔傾斜度的影響，難以像鉚接沖壓保持架那樣采用一次成形的方法，將一套軸承中的鉚釘全部鉚完，而是使用電鉚的方法將鉚釘逐個(gè)鉚接。

軸承保持架電鉚模具通常由上、下鉚頭組成，其中上鉚頭為工作鉚頭，承受鉚接時(shí)的高溫和壓力；下鉚頭為支承鉚頭，要求導(dǎo)電良好。保持架電鉚原理為：下鉚頭安裝在工作臺(tái)上，上鉚頭安裝在電鉚機(jī)氣缸下的夾具內(nèi)，上、下鉚頭位置對(duì)應(yīng)；鉚接時(shí)鉚釘在上，上、下鉚頭對(duì)準(zhǔn)單個(gè)鉚釘，通電后鉚釘上端加熱到一定溫度(達(dá)到塑性狀態(tài)或局部熔融狀態(tài))，上鉚頭落下，利用電鉚頭上的球窩使鉚釘上端擠壓成形為鉚釘頭，鉚緊保持架。

1—鉚釘；2—保持架；3—外圈；4—內(nèi)圈

由于薄壁軸承內(nèi)、外圈之間的空間極小(如圖1所示尺寸a)，用普通的電鉚模具對(duì)其保持架進(jìn)行電鉚存在諸多困難。

2 薄壁軸承專用電鉚頭設(shè)計(jì)

2.1 普通電鉚頭存在的問(wèn)題

普通電鉚機(jī)上的鉚頭如圖2所示，球窩為主要工作面，對(duì)鉚釘施加壓力形成鉚釘頭，球窩由擋邊支承。由于薄壁軸承內(nèi)、外圈之間距離小，而電鉚頭工作端必須能伸入其中且不與內(nèi)、外圈接觸，即b小于a。如果電鉚過(guò)程中鉚頭接觸內(nèi)、外圈會(huì)產(chǎn)生電火花，將對(duì)套圈造成電擊傷或出現(xiàn)黑皮。因此，普通電鉚頭若用于薄壁軸承的電鉚中，必須選用球窩外徑很小的鉚頭，而球窩直徑不能小于鉚釘頭直徑，這就造成球窩壁厚c很小(以61901軸承為例，c≤0.3 mm)。電鉚過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，球窩外壁在電鉚機(jī)正常工作條件下迅速發(fā)紅變軟，當(dāng)上鉚頭隨夾具下落后，球窩在壓力作用下容易發(fā)生變形而無(wú)法繼續(xù)使用，而更換電鉚頭需要對(duì)電鉚機(jī)進(jìn)行重新定位調(diào)試，影響生產(chǎn)進(jìn)度。

圖2 普通電鉚頭結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 薄壁軸承專用電鉚頭

針對(duì)薄壁軸承的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種雙半實(shí)體保持架鉚接專用電鉚頭，如圖3所示。該電鉚頭與普通電鉚頭相比，保留了球窩，增加了一段扇形結(jié)構(gòu)的擋邊，擋邊包括與保持架同心的2段圓弧，其中φd段圓弧比保持架內(nèi)徑略大，φe段圓弧比保持架外徑略小。

該電鉚頭的強(qiáng)度顯著增加，受力面積和散熱面積增大，因此，球窩與φd和φe段圓弧之間的距離(圖3中g(shù)，f)可盡量減小，即該扇形擋邊可以在保證球窩尺寸的前提下盡量變窄。該結(jié)構(gòu)有效降低了電鉚頭與套圈發(fā)生干涉的概率，可避免電鉚過(guò)程中的意外損傷，提高了電鉚質(zhì)量。

圖3 專用電鉚頭示意圖

3 電鉚頭溫度場(chǎng)及應(yīng)力分析

3.1 電鉚頭溫度場(chǎng)分析

電鉚頭所用材料為3Cr2W8，屬于低碳高合金鋼，具有一定的強(qiáng)度和硬度，同時(shí)又有良好的耐熱性和沖擊韌度，電鉚頭經(jīng)淬火后極限耐熱溫度(材料硬度和沖擊韌度無(wú)明顯降低時(shí)可承受的最高溫度)可達(dá)到650 ℃[1]。鉚接過(guò)程中，假設(shè)電鉚頭本身不發(fā)熱，熱量全部來(lái)源于電流通過(guò)鉚釘產(chǎn)生的電阻熱，電鉚頭與周圍環(huán)境(空氣)存在對(duì)流換熱。把電流通過(guò)鉚釘產(chǎn)生的電阻熱作為熱源，利用有限元分析方法建立電鉚頭傳熱模型，對(duì)電鉚頭進(jìn)行穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)分析。

以61901軸承所用電鉚頭為例，假設(shè)熱源為電鉚頭的極限耐熱溫度650 ℃，將其加載到電鉚頭球窩弧面；將電鉚頭其余面作為對(duì)流換熱面與周圍環(huán)境進(jìn)行對(duì)流換熱，得到普通電鉚頭穩(wěn)態(tài)傳熱計(jì)算結(jié)果如圖4所示。以同樣的熱源加載到薄壁軸承專用電鉚頭球窩弧面上，得到穩(wěn)態(tài)溫度分布如圖5所示。

圖4 普通電鉚頭穩(wěn)態(tài)溫度分布云圖

圖5 薄壁軸承專用電鉚頭穩(wěn)態(tài)溫度分布云圖

由圖4可知，普通電鉚頭在鉚釘電阻熱傳導(dǎo)下，整個(gè)球窩及電鉚頭小端前半段溫度均達(dá)到了材料耐熱極限650 ℃。而由圖5可知，專用電鉚頭僅球窩附近0.2 mm范圍內(nèi)溫度達(dá)到了650 ℃，整個(gè)電鉚頭前端溫度較圖4明顯降低。這是因?yàn)楸”谳S承專用電鉚頭改變了鉚頭前端結(jié)構(gòu)，大幅增加了對(duì)流換熱面積。

3.2 電鉚頭應(yīng)力分析

電鉚機(jī)加熱鉚釘后，電鉚頭隨夾具下落，其工作壓力為0.1 MPa，將壓力沿電鉚頭軸線方向加載到球窩弧面上，在電鉚頭非工作端添加固定約束。經(jīng)過(guò)計(jì)算，2種電鉚頭的應(yīng)力分布如圖6、圖7所示。由圖可以看出，普通電鉚頭球窩內(nèi)部及周圍應(yīng)力集中很嚴(yán)重，最大應(yīng)力出現(xiàn)在球窩中心區(qū)域；專用電鉚頭應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯減輕，最大應(yīng)力出現(xiàn)在球窩外壁最窄處。

圖6 普通電鉚頭應(yīng)力分布

圖7 專用電鉚頭應(yīng)力分布

通過(guò)以上對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，薄壁軸承專用電鉚頭大大提高了強(qiáng)度，減少了球窩附近的應(yīng)力集中，同時(shí)散熱效果明顯改善。

4 電鉚頭加工方法

薄壁軸承雙半實(shí)體保持架專用電鉚頭前端包含2段圓弧面，要求其與保持架內(nèi)、外徑同心，且尺寸精度很高。由于圓弧面沒有形成完整的回轉(zhuǎn)體，對(duì)其進(jìn)行加工和測(cè)量都存在一定的難度。

針對(duì)電鉚頭的特殊結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)一套專用的加工裝置，如圖8所示。其采用一個(gè)圓形底座，底座端面上定位圓周向均布4個(gè)安裝孔，孔徑與電鉚頭后端圓柱面成間隙配合，定位圓直徑等于保持架內(nèi)、外徑的平均值。底座圓柱面上有均布的4個(gè)通孔與4個(gè)安裝孔相通。在電鉚頭圓柱面上加工一個(gè)定位螺釘孔，加工電鉚頭前端圓弧面時(shí)將4個(gè)電鉚頭插入圓盤上的安裝孔，旋轉(zhuǎn)電鉚頭使螺釘孔與圓盤上的通孔對(duì)應(yīng)，擰入緊固螺釘將4個(gè)電鉚頭固定。將整個(gè)底座圓盤裝在機(jī)床夾具上按整圓的加工方法加工φd和φe段圓弧。此方法一次可以同時(shí)加工4個(gè)電鉚頭或更多(需要圓盤上有更多成中心對(duì)稱的孔)，且便于測(cè)量(2個(gè)對(duì)稱電鉚頭在同一直徑上，可按整圓測(cè)量?jī)?nèi)、外徑尺寸)，便于控制2段圓弧的尺寸及同心度。

圖8 鉚頭加工底座示意圖

5 應(yīng)用效果

采用薄壁軸承雙半實(shí)體保持架專用電鉚頭對(duì)61901軸承進(jìn)行電鉚試驗(yàn)，采用此電鉚頭逐個(gè)鉚接一批次軸承的全部鉚釘，所形成的鉚釘頭質(zhì)量良好，形狀統(tǒng)一，軸承內(nèi)、外圈無(wú)電火花燒傷現(xiàn)象，外觀檢驗(yàn)全部合格，且電鉚頭完好，球窩未發(fā)生變形。

試驗(yàn)證明，該薄壁軸承專用電鉚頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，經(jīng)久耐用，有效避免了軸承電鉚過(guò)程中的電火花燒傷現(xiàn)象；提高了電鉚頭的強(qiáng)度，增強(qiáng)了電鉚頭的散熱能力，降低了工作溫度，延長(zhǎng)了電鉚頭工作壽命；保持架裝配效率大幅提高，工人勞動(dòng)強(qiáng)度降低，且不再輕易更換電鉚頭，節(jié)約了生產(chǎn)成本。