角接觸球軸承溝位置誤差分析及控制

張振強，楊浩亮，朱川峰，劉勝超，焦春照

(洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039)

溝位置尺寸是角接觸球軸承設計的一項重要參數，直接影響成品軸承的裝配高及凸出量，從而對軸承的組配使用、預載荷的施加等方面產生重要影響。在實際的軸承制造過程中，因為機床精度、加工方法、測量儀器等方面的影響，實際溝位置尺寸與理想值會存在一定的誤差，從而對后續的裝配等工序造成不利影響，如對游隙、裝配高的控制等。鑒于溝位置尺寸的重要性，結合生產實際對溝位置尺寸出現誤差的原因及其影響進行分析，以期為角接觸球軸承精度的提高提供依據。

1 套圈溝位置尺寸及寬度測量試驗

以7008C角接觸球軸承為試驗對象，其內、外圈結構如圖1所示，隨機抽取25件內圈樣品，使用3MK1310B數控內溝道磨床進行磨削(以C端面為加工基準)，采用G904軸承高度測量儀和W023內圈溝位置測量儀分別對各工件寬度、溝位置尺寸進行測量。

圖1 7008C角接觸球軸承套圈結構

該軸承內圈寬度及溝位置尺寸的偏差如圖2所示，其中，溝位置1，2分別指以端面C和端面D為測量基準時內圈的溝位置偏差。從圖中可以看到，在實際制造過程中，內圈寬度和溝位置尺寸都存在加工誤差。如果測量過程中隨機取某個端面為測量基準時，內圈溝位置尺寸散差達37 μm；而當嚴格區分測量基準后，即都以C端面(加工基準面)或D端面(非加工基準面)為測量基準時，溝位置尺寸散差分別為6，32 μm。溝位置1的尺寸散差明顯小于溝位置2；并且溝位置2的尺寸偏差曲線與內圈寬度偏差曲線極為相近，說明二者存在較高的關聯性。

圖2 內圈寬度及溝位置尺寸偏差曲線

2 分析與討論

在實際制造過程中，當指定如端面C為加工基準面時，由于各方面的原因，根本不能保證溝位置尺寸為定值。由圖2可知，如果測量基準和加工基準一致，溝位置尺寸的加工誤差較小，可以接受。

對于溝道對稱的套圈(圖1b)，如果不對基準面和非基準面加以標識區分，很容易導致加工基準和測量基準不統一，這對套圈的制造加工提出了很高的要求，往往容易造成溝位置尺寸偏差過大。溝位置尺寸偏差過大，對要求不高、單套直接使用的場合影響不大，但是對組配使用、精度要求較高的場合影響較大，必須對溝位置尺寸予以嚴格控制。

圖2中溝位置1情況下溝位置尺寸的散差較小，但溝位置2情況下溝位置尺寸偏差受套圈寬度偏差的影響，散差較大。若分別從2個端面測得的同一溝道的位置尺寸存在偏差時，說明機床調整存在一定誤差或工件寬度發生了變化，這也是影響溝位置穩定性的重要因素。偏溝套圈中不存在基準不統一的問題，故其溝位置尺寸偏差不受套圈寬度的影響。

軸承裝配高和凸出量(圖3)分別為[1-2]

圖3 軸承凸出量及裝配高測量示意圖

T=ai+ae-(ri+re-Dw)sinα,

(1)

δ=B-T,

(2)

式中：T為軸承的裝配高；ai，ae分別為內、外圈的溝位置尺寸；ri，re分別為內、外圈的溝曲率半徑；Dw為鋼球直徑；α為接觸角；δ為凸出量；B為內圈寬度。

從(1)，(2) 式可以看出，內、外圈的溝位置誤差完全反映到了軸承的裝配高和凸出量上，如果溝位置尺寸偏差過大，將導致后續修磨凸出量過程中工作量的增加，降低加工效率。

游隙是角接觸球軸承需要控制的另一個重要參數。內、外圈合套時，需要重新測量內、外圈的溝底直徑。需要指出的是，目前生產制造過程中普遍采用比較測量法，測頭根據標準件調整到理論上的溝底位置后被鎖死(即測量點到測量基準端面的距離是固定的)，然而由于加工誤差的存在，實際的溝位置并非理想的溝位置，如圖4所示。雖然理論上的溝位置在F點，但是由于各種誤差因素致使實際溝位置偏到了E點，因此對溝底直徑的測量便存在誤差。

圖4 內圈溝底直徑測量誤差示意圖

內圈溝底直徑的測量誤差δi為

δi=FF1-EE1=2EG，

(3)

EG=ri(1-cosθ)，

(4)

(5)

式中：FG為溝位置尺寸偏差。則

(6)

同理可得外圈溝底直徑的測量誤差δe，則軸承內、外圈合套后的徑向游隙偏差為

ΔGr=δi+δe。

(7)

需要說明的是，此處所指的游隙偏差是相對合套前的理想值而言，沒有考慮鋼球的尺寸偏差。由于原始接觸角、軸向游隙、角度游隙與徑向游隙存在如下關系[3]

(8)

(9)

(10)

式中：α為原始接觸角；Gr為徑向游隙；fi，fe分別為軸承內、外圈溝曲率半徑系數；Ga為軸向游隙；β為角度游隙；Dpw為球組節圓直徑。因此，徑向游隙的偏差會引起原始接觸角、軸向游隙、角度游隙出現相應的偏差。

3 控制措施及驗證

由上述理論分析可知，實際加工中溝道對稱套圈溝位置尺寸散差較大的問題有2種方法可以改善：

(1)采用無基準磨削，嚴格控制套圈的寬度偏差。該方法對加工設備的要求非常高，設備較為昂貴，成本較高。譬如進口某型雙端面磨床加工中小型軸承套圈的加工精度可達到寬度偏差±1 μm，平行差1 μm。

(2)采用有基準的磨削方式。該方法只需在加工過程中標識出軸承的基準面即可。在實際生產中應用此方法，操作人員能夠有效區分基準面，使溝道磨削、超精、測量及裝配所用的基準統一，有效控制了溝位置尺寸的散差，提高了套圈的加工精度，使凸出量及裝配高的分布更趨合理。對于萬能組配軸承，溝位置尺寸散差減小后，軸承修磨前的原始凸出量也更易控制和減小，不僅可以避免修磨凸出量過程中磨削外圈基準面，而且能夠提高修磨效率，降低生產成本。

4 結論

(1)溝位置誤差是影響軸承裝配高和凸出量的主要因素之一，同時也影響溝底直徑的測量結果，進而影響軸承裝配后的徑向游隙，從而引起軸向游隙、角度游隙、原始接觸角等的變化，是高精密角接觸球軸承加工過程中需要控制的重要參數。

(2)壓縮對稱溝道套圈的寬度偏差和統一加工基準面都可以有效控制溝位置的散差，可以根據實際情況選擇合適的加工方法。實踐證明，統一基準進行加工的方法，簡單易行，對機床的要求不高。