微型角接觸推力球軸承溝道輪廓測量工裝設計

崔靜偉，張旭，蘇海龍，張風琴，姚海波

(1.洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039；2.河南省高性能軸承技術重點實驗室，河南 洛陽471039； 3.滾動軸承產業技術創新戰略聯盟，河南 洛陽 471039；4.第一拖拉機股份有限公司 第三裝配廠，河南 洛陽 471004)

由于角接觸推力球軸承的球徑小，球數較多，能夠承受較重的雙向軸向載荷，軸向剛性好，適用于較高轉速的工況，因此在車床、鉆床、鏜床等機床上應用廣泛[1]。軸承零件的質量控制是保證成品軸承各項性能的基礎[2-3]，在軸承零件加工過程中，通常采用表面形貌測量儀檢測內、外套圈的溝道形狀誤差和表面粗糙度，測量結果的準確性直接影響著軸承的回轉精度、配合性及表面磨損等性能指標。測量過程中，離散測量點的采集應在套圈溝道的實際工作面進行，由于表面形貌測量儀的三維工作臺最大只能旋轉45°，使用直接采集到的測量點進行輪廓評定無法反映溝道真實的工作表面質量。因此，在現有表面形貌測量儀的基礎上設計出輔助工裝，以實現接觸角為60°的微型角接觸推力球軸承套圈溝道有效區間上的測量點采集，從而對溝道的工作表面質量進行控制。

1 測量儀器及原理

某微型角接觸推力球軸承內徑為6 mm，高度為6.12 mm，溝曲率半徑為1.66 mm，接觸角最大62°，最小58°。在精磨溝道工序中，溝曲率半徑偏差精度要求如圖1所示，其中溝道表面過點A的法線與軸承徑向平面的夾角為0°，過點B的法線與軸承徑向平面的夾角為60°。

圖1 內圈溝道曲率半徑精度

溝道形狀誤差(溝曲率半徑偏差)的評定原理是先在溝道工作面的有效區間內采集一系列離散點，再用一定的方法(如最小二乘圓弧法)對采集的離散點進行數據處理，根據加工精度要求選擇合適的有效數字，最終計算出實際溝道形狀誤差。技術人員及相關質量檢測人員依據測量結果指導機床操作人員控制機床參數，使溝道形狀誤差控制在工藝要求的精度內。實際生產過程中，采用XM-200型觸針式表面形貌測量儀(圖2)進行測量。

1—儀器測量基座；2—Z向傳動系統；3—X向裝置； 4—Z向電動機；5—Z向手動調整旋鈕；6—立柱導軌； 7—電感傳感器；8—金剛石測頭；9—被測軸承套圈； 10—旋轉工作臺；11—多維工作臺

XM-200在對溝道進行輪廓分析時，評定長度按溝曲率半徑的0.707截取，即以測量中心點位置左右擺角20.7°為評定區域，擺角α=41.4°。則分別以A，B點為測量中心點進行測量評定的評定區域如圖3所示,以A點為測量中心點的測量區間記為弧l1，以B點為測量中心點的測量區間記為弧l2。

圖3 擺角為α的評定區域示意圖

測量過程中，金剛石測頭測量的離散點是以A點所在平面(接觸角為0°)為中心進行采集，由于溝較深，且套圈兩邊的凸臺與形貌測量儀上的傳感器測頭干涉，l1不能完全包含l2，極限偏差時，l1與l2甚至沒有交集。若以A點為測量評定中心點，則采集的測量點不是套圈溝道上實際工作面上的點，后續數據處理計算出的結果不能反映溝道實際工作面的溝道形狀誤差和表面粗糙度，用于評判溝道形狀誤差及表面粗糙度是否滿足加工質量要求也不科學，將影響成品軸承的旋轉精度等性能，甚至導致軸承成批報廢，浪費人力物力。

以B點為測量評定中心點的l2包含了套圈溝道在實際工作中的接觸面(線)，是理想的離散數據采集區域，溝道輪廓分析的評定長度也完全包含了溝道的實際工作區域，得到的評定結果能真實、有效地反映工序中對溝道輪廓的精度要求。

2 測量工裝設計

XM-200多維工作臺上的旋轉臺旋轉角度為-45°～45°，若將套圈直接安放于旋轉臺上的V形槽中，即使旋轉臺旋轉到最大角度，測量儀采集的數據點也不能完全處于溝道理想的有效區間，因此需要設計能夠使工件旋轉60°的定位測量工裝，如圖4所示。

1—定位工裝；2—被測套圈；3—固定螺釘

為了防止測量過程中測量工裝發生輕微轉動，使測頭所測量的套圈輪廓不再是過軸心線的軸向平面與套圈溝道表面相交的輪廓，而是與軸向平面產生一夾角，定位工裝與V形槽接觸部分設計成V形面。當定位測量工裝安放在三維工作臺的V形槽中時，工裝與V形槽的V形面能夠緊密貼合，從而提高測量的有效性和精確性。微型角接觸推力球軸承溝道檢測定位工裝工作狀態如圖5所示。

1—定位工裝；2—被測套圈；3—固定螺釘；4—傳感器測頭

測量時，先使用固定螺釘將被測套圈固定到定位工裝上，再將定位工裝吸到磁鐵上放于V形槽內，操作儀器，移動傳感器測頭接近被測套圈，使測頭向左側移動到初始測量點(可適當移動1～2 mm，排除儀器本身因電動機啟動造成的測頭跳動)開始測量，使測頭經過溝道工作面的有效區間，進行數據采集，進入儀器分析界面，記錄測量結果。

3 實際測量

由圖1可知，內圈溝道形狀誤差精度要求不大于1.1 μm。對10件溝道形狀誤差測量結果(以A點為測量中心)不合格的樣品按圖5方法重新進行測量，使用測量工裝前后的測量結果見表1。

表1 溝道形狀誤差的測量結果 μm

由表可知，在以B點為中心的有效工作面測量區域進行測量后，有7件合格品，且不合格的3件套圈的測量結果也與之前結果明顯不同，說明測量區域的選取直接影響測量結果。使用設計的輔助測量工裝進行向心推力球軸承溝道的輪廓測量，可以在溝道的有效工作區間上進行數據采集，滿足測量評定結果真實性的要求，測量結果可以為套圈生產加工提供有效的質量控制參數。

4 結束語

針對接觸角為60°的微型角接觸推力球軸承溝道輪廓測量中測量數據的采集問題，設計了定位測量工裝，使溝道有效工作區間置于測頭更方便測量的方位。避免了由于溝道較深、套圈帶凸臺等因素引起的測頭與工件干涉問題，使套圈實際參與工作的區間包含在數據采集區域和評定區域內，測量出溝道的曲率半徑偏差(表面粗糙度、波紋度也可在這一測量過程中得出)，為機床加工參數及零件質量的控制提供真實、有效的依據。同時，對其他角接觸軸承套圈溝道形狀誤差檢測及測量工裝設計提供一定的參考。