軸承卷邊防塵蓋壓裝質(zhì)量改進(jìn)

馬瑩，張軍，李江斌，曾莉

(1.洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039；2.河南省高性能軸承技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽 471039；3.滾動(dòng)軸承產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，河南 洛陽 471039)

1 密封軸承裝配及存在問題

卷邊式防塵蓋作為密封軸承中一種常用的非接觸密封形式，由于其剛度高、裝配可靠性好等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用。

卷邊式防塵蓋裝配時(shí)，通常需要利用裝配模具(圖1)[1]。模具直徑d與軸承內(nèi)徑間隙配合導(dǎo)入，起到定位軸承的作用；模具錐面角α在卷邊接觸位置產(chǎn)生徑向分力Fr和軸向分力Fa，在這2個(gè)力的共同作用下，防塵蓋卷邊實(shí)現(xiàn)卷曲和入槽。但在生產(chǎn)過程中，由于各種因素的影響，容易造成防塵蓋裝配后出現(xiàn)以下不合格現(xiàn)象：

圖1 防塵蓋壓裝過程示意圖Fig.1 Diagram of press assembly process for shield

1)軸承外徑變形過大，造成尺寸和精度超差；

2)防塵蓋松動(dòng)，在外力作用下，防塵蓋與外圈之間產(chǎn)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)或掉落；

3) 防塵蓋表面高出軸承端面；

4) 防塵蓋表面內(nèi)凹變形。

以62XX-2Z軸承防塵蓋壓裝質(zhì)量為調(diào)查對(duì)象，檢測并統(tǒng)計(jì)該型號(hào)軸承某一批次200套軸承的壓裝質(zhì)量，結(jié)果顯示72套產(chǎn)品不合格，一次壓裝合格率僅為64%。該軸承防塵蓋壓裝不合格項(xiàng)統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 防塵蓋壓裝不合格項(xiàng)統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Statistics on unqualified items of pressure assembly for shield

由表1可知，防塵蓋松動(dòng)和防塵蓋表面凹陷的不合格數(shù)量和比例較高。為提高生產(chǎn)效率，縮短加工周期，壓裝時(shí)希望不通過分選防塵蓋和外圈防塵槽尺寸，就能達(dá)到完全互換性裝配或大數(shù)互換性裝配。為達(dá)到壓裝質(zhì)量和生產(chǎn)周期均最優(yōu)的結(jié)果，從人、機(jī)、料等方面分析影響防塵蓋壓裝質(zhì)量的末端因素，繪制因果關(guān)系如圖2所示。

圖2 防塵蓋壓裝質(zhì)量因果圖Fig.2 Cause and effect diagram of press assembly quality for shield

2 末端原因分析

2.1 人為因素

防塵蓋壓裝過程操作簡單，選用合適的模具，調(diào)整壓力機(jī)參數(shù)后可實(shí)現(xiàn)批量的軸承壓裝，人員操作方法對(duì)壓裝過程質(zhì)量影響甚小，為非要因。

2.2 防塵槽和防塵蓋加工質(zhì)量

2.2.1 防塵槽

外圈防塵槽結(jié)構(gòu)如圖3所示，防塵槽位置H、槽鎖口直徑D為防塵槽的主要控制尺寸。H值過大會(huì)造成壓裝后防塵蓋與保持架接觸，軸承旋轉(zhuǎn)阻滯；過小會(huì)造成壓裝后防塵蓋高出軸承端面。槽鎖口直徑與防塵蓋外徑為配合尺寸，設(shè)計(jì)時(shí)通常為間隙配合，但槽鎖口直徑過大，防塵蓋壓裝后雖然進(jìn)入了防塵槽內(nèi)，但防塵槽斜面不能鎖牢防塵蓋，會(huì)存在滑蓋或掉蓋的風(fēng)險(xiǎn)；槽鎖口直徑過小，防塵蓋不能裝入槽中，或裝入槽中后壓裝過程中變形抗力過大，將容易造成軸承外徑變形。

圖3 外圈防塵槽結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of outer ring shield groove

目前防塵槽為熱處理前采用成形刀直接車加工成形，使用機(jī)床ELITE51，槽的角度α和槽寬度H1由刀具的角度和形狀尺寸保證，能夠保證防塵槽的尺寸精度和一致性。考慮到刀具磨損和熱處理變形會(huì)對(duì)槽鎖口直徑D和圓度、槽底徑D1和圓度、槽位置尺寸H、防塵槽兩面槽鎖口平均直徑變動(dòng)量(錐度)產(chǎn)生影響，車加工過程中要求操作工嚴(yán)格按照工藝要求及時(shí)檢查刀具磨損情況，并隨時(shí)更換新刀具；熱處理時(shí)嚴(yán)格控制加熱溫度和冷卻速度，減小變形。在不考慮成本的前提下，采用熱處理后硬車防塵槽的工藝會(huì)極大提高防塵槽加工質(zhì)量，保證尺寸的一致性。

隨機(jī)抽取該批次外圈50件，對(duì)上述尺寸和形位精度進(jìn)行測量，測量結(jié)果顯示，尺寸散差和形位精度均可控制在0.1 mm以內(nèi)。因此，由分析和測量結(jié)果可知，防塵槽以現(xiàn)有的工藝水平加工，其質(zhì)量可滿足互換性壓裝的要求，防塵槽加工質(zhì)量對(duì)壓裝質(zhì)量的影響為非要因。

2.2.2 防塵蓋

防塵蓋外徑尺寸和表面平整度是影響壓裝質(zhì)量的主要參數(shù)。防塵蓋外徑尺寸由成形模具保證，尺寸散差可控制在0.1 mm以內(nèi)，防塵蓋表面平整度在壓裝前可通過100%檢驗(yàn)挑出翹曲較大的零件，因此，防塵蓋加工質(zhì)量對(duì)壓裝質(zhì)量的影響為非要因。

2.3 壓裝模具

對(duì)采用現(xiàn)有模具的防塵蓋壓裝過程進(jìn)行受力分析(圖4)，接觸點(diǎn)A處受垂直于模具斜面方向的壓力Fn和沿模具斜面方向的摩擦力μFn的合力F的作用，合力F又可分解為徑向力Fr和軸向力Fa。防塵蓋在Fr的作用下實(shí)現(xiàn)向防塵槽方向的卷曲，在Fa的作用下實(shí)現(xiàn)向下的入槽過程。分析可知

圖4 防塵蓋壓裝過程受力分析圖Fig.4 Load analysis diagram of press assembly for shield

tanβ=μFn/Fn=μ，

Fr=Fatan(α-β)，

式中：μ為摩擦因數(shù)，取決于防塵蓋材料、模具材料及潤滑狀況；α為模具的錐面角；β為合力F與垂直于模具斜面方向的壓力Fn之間的夾角。

防塵蓋受力點(diǎn)為接觸點(diǎn)A，防塵蓋壁厚薄，變形較大，在Fr的作用下，防塵蓋卷邊末端B處沒有約束，根據(jù)最小阻力定律[2]，末端B處會(huì)沿著模具錐面壓向防塵蓋內(nèi)側(cè)，出現(xiàn)圖5所示的防塵蓋向內(nèi)壓倒現(xiàn)象，造成壓裝后活蓋。模具繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，同時(shí)會(huì)造成模具斜面尖角壓向防塵蓋斜面，出現(xiàn)防塵蓋表面凹陷變形。因此，模具結(jié)構(gòu)不合理對(duì)壓裝質(zhì)量的影響為要因。

圖5 防塵蓋松動(dòng)現(xiàn)象Fig.5 Loose phenomenon of shield

2.4 防塵蓋壓裝力

防塵蓋壓裝軸向力Fa由壓力機(jī)提供，試調(diào)整完成后為確定值，此時(shí)Fr的大小與錐面角α成正比，F(xiàn)r過小，也即錐面角α小，防塵蓋卷曲變形小，可能造成壓裝后松動(dòng)；Fr過大，也即錐面角α大(圖6)，壓裝后可能出現(xiàn)防塵蓋高出軸承端面。因此，軸向壓力Fa和錐面角α的大小直接影響壓裝質(zhì)量，為要因。

圖6 防塵蓋高出端面的現(xiàn)象Fig.6 Phenomenon of shield higher than end face

3 改進(jìn)措施

3.1 壓裝模結(jié)構(gòu)改進(jìn)

根據(jù)末端原因分析可知，模具結(jié)構(gòu)不合理、軸向壓力Fa和錐面角α是影響壓裝質(zhì)量的要因。為避免出現(xiàn)防塵蓋松動(dòng)現(xiàn)象，對(duì)現(xiàn)有模具進(jìn)行改進(jìn)。為防止防塵蓋卷邊末端B處壓向防塵蓋內(nèi)側(cè)，將末端B處設(shè)置約束，引導(dǎo)其壓向防塵槽內(nèi)，最終確定模具結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 防塵蓋壓裝模具Fig.7 Mould of press assembly for shield

模具由定位套和壓模通過彈簧和螺栓連接而成，定位套內(nèi)徑與軸承內(nèi)圈配合，起到固定軸承和導(dǎo)引壓模的作用，定位套外徑處同時(shí)增加了大斜面，斜面角度以不與防塵蓋斜面產(chǎn)生干涉為標(biāo)準(zhǔn)選取，大斜面起到對(duì)防塵蓋卷邊末端B處的約束作用，同時(shí)杜絕了壓模與防塵蓋斜面的接觸。

3.2 壓裝力優(yōu)化

軸向壓力Fa分別選取200，300，400 N，錐面角α選取15°，25°和35°，通過2因素3水平的正交試驗(yàn)L(32)來確定最佳的軸向力Fa和錐面角α，最終經(jīng)過調(diào)試試驗(yàn)確定軸向壓力Fa為300 N，錐面角α取25°時(shí)壓裝質(zhì)量和合格率最高。

4 改進(jìn)效果

利用改進(jìn)后的模具壓裝62XX-2Z軸承200套，軸向壓力取為300 N，模具錐面角為25°，壓裝防塵蓋后合格率達(dá)到98%，說明分析改進(jìn)思路正確。需要進(jìn)一步說明的是，實(shí)際生產(chǎn)過程中，嚴(yán)格控制防塵槽尺寸、形位精度和防塵蓋尺寸精度，使其符合工藝要求，是確保防塵蓋壓裝質(zhì)量的首要前提。