轴承卷边防尘盖压装质量改进
2018-07-26马莹张军李江斌曾莉
马莹，张军，李江斌，曾莉
(1.洛阳轴承研究所有限公司，河南 洛阳 471039；2.河南省高性能轴承技术重点实验室，河南 洛阳 471039；3.滚动轴承产业技术创新战略联盟，河南 洛阳 471039)
1 密封轴承装配及存在问题
卷边式防尘盖作为密封轴承中一种常用的非接触密封形式，由于其刚度高、装配可靠性好等优点，得到了广泛应用。
卷边式防尘盖装配时，通常需要利用装配模具(图1)[1]。模具直径d与轴承内径间隙配合导入，起到定位轴承的作用；模具锥面角α在卷边接触位置产生径向分力Fr和轴向分力Fa，在这2个力的共同作用下，防尘盖卷边实现卷曲和入槽。但在生产过程中，由于各种因素的影响，容易造成防尘盖装配后出现以下不合格现象：
图1 防尘盖压装过程示意图Fig.1 Diagram of press assembly process for shield
1)轴承外径变形过大，造成尺寸和精度超差；
2)防尘盖松动，在外力作用下，防尘盖与外圈之间产生相对转动或掉落；
3) 防尘盖表面高出轴承端面；
4) 防尘盖表面内凹变形。
以62XX-2Z轴承防尘盖压装质量为调查对象，检测并统计该型号轴承某一批次200套轴承的压装质量，结果显示72套产品不合格，一次压装合格率仅为64%。该轴承防尘盖压装不合格项统计见表1。
表1 防尘盖压装不合格项统计表Tab.1 Statistics on unqualified items of pressure assembly for shield
由表1可知，防尘盖松动和防尘盖表面凹陷的不合格数量和比例较高。为提高生产效率，缩短加工周期，压装时希望不通过分选防尘盖和外圈防尘槽尺寸，就能达到完全互换性装配或大数互换性装配。为达到压装质量和生产周期均最优的结果，从人、机、料等方面分析影响防尘盖压装质量的末端因素，绘制因果关系如图2所示。
图2 防尘盖压装质量因果图Fig.2 Cause and effect diagram of press assembly quality for shield
2 末端原因分析
2.1 人为因素
防尘盖压装过程操作简单，选用合适的模具，调整压力机参数后可实现批量的轴承压装，人员操作方法对压装过程质量影响甚小，为非要因。
2.2 防尘槽和防尘盖加工质量
2.2.1 防尘槽
外圈防尘槽结构如图3所示，防尘槽位置H、槽锁口直径D为防尘槽的主要控制尺寸。H值过大会造成压装后防尘盖与保持架接触，轴承旋转阻滞；过小会造成压装后防尘盖高出轴承端面。槽锁口直径与防尘盖外径为配合尺寸，设计时通常为间隙配合，但槽锁口直径过大，防尘盖压装后虽然进入了防尘槽内，但防尘槽斜面不能锁牢防尘盖，会存在滑盖或掉盖的风险；槽锁口直径过小，防尘盖不能装入槽中，或装入槽中后压装过程中变形抗力过大，将容易造成轴承外径变形。
图3 外圈防尘槽结构图Fig.3 Structure diagram of outer ring shield groove
目前防尘槽为热处理前采用成形刀直接车加工成形，使用机床ELITE51，槽的角度α和槽宽度H1由刀具的角度和形状尺寸保证，能够保证防尘槽的尺寸精度和一致性。考虑到刀具磨损和热处理变形会对槽锁口直径D和圆度、槽底径D1和圆度、槽位置尺寸H、防尘槽两面槽锁口平均直径变动量(锥度)产生影响，车加工过程中要求操作工严格按照工艺要求及时检查刀具磨损情况，并随时更换新刀具；热处理时严格控制加热温度和冷却速度，减小变形。在不考虑成本的前提下，采用热处理后硬车防尘槽的工艺会极大提高防尘槽加工质量，保证尺寸的一致性。
随机抽取该批次外圈50件，对上述尺寸和形位精度进行测量，测量结果显示，尺寸散差和形位精度均可控制在0.1 mm以内。因此，由分析和测量结果可知，防尘槽以现有的工艺水平加工，其质量可满足互换性压装的要求，防尘槽加工质量对压装质量的影响为非要因。
2.2.2 防尘盖
防尘盖外径尺寸和表面平整度是影响压装质量的主要参数。防尘盖外径尺寸由成形模具保证，尺寸散差可控制在0.1 mm以内，防尘盖表面平整度在压装前可通过100%检验挑出翘曲较大的零件，因此，防尘盖加工质量对压装质量的影响为非要因。
2.3 压装模具
对采用现有模具的防尘盖压装过程进行受力分析(图4)，接触点A处受垂直于模具斜面方向的压力Fn和沿模具斜面方向的摩擦力μFn的合力F的作用，合力F又可分解为径向力Fr和轴向力Fa。防尘盖在Fr的作用下实现向防尘槽方向的卷曲，在Fa的作用下实现向下的入槽过程。分析可知
图4 防尘盖压装过程受力分析图Fig.4 Load analysis diagram of press assembly for shield
tanβ=μFn/Fn=μ，
Fr=Fatan(α-β)，
式中：μ为摩擦因数，取决于防尘盖材料、模具材料及润滑状况；α为模具的锥面角；β为合力F与垂直于模具斜面方向的压力Fn之间的夹角。
防尘盖受力点为接触点A，防尘盖壁厚薄，变形较大，在Fr的作用下，防尘盖卷边末端B处没有约束，根据最小阻力定律[2]，末端B处会沿着模具锥面压向防尘盖内侧，出现图5所示的防尘盖向内压倒现象，造成压装后活盖。模具继续向下运动时，同时会造成模具斜面尖角压向防尘盖斜面，出现防尘盖表面凹陷变形。因此，模具结构不合理对压装质量的影响为要因。
图5 防尘盖松动现象Fig.5 Loose phenomenon of shield
2.4 防尘盖压装力
防尘盖压装轴向力Fa由压力机提供，试调整完成后为确定值，此时Fr的大小与锥面角α成正比，Fr过小，也即锥面角α小，防尘盖卷曲变形小，可能造成压装后松动；Fr过大，也即锥面角α大(图6)，压装后可能出现防尘盖高出轴承端面。因此，轴向压力Fa和锥面角α的大小直接影响压装质量，为要因。
图6 防尘盖高出端面的现象Fig.6 Phenomenon of shield higher than end face
3 改进措施
3.1 压装模结构改进
根据末端原因分析可知，模具结构不合理、轴向压力Fa和锥面角α是影响压装质量的要因。为避免出现防尘盖松动现象，对现有模具进行改进。为防止防尘盖卷边末端B处压向防尘盖内侧，将末端B处设置约束，引导其压向防尘槽内，最终确定模具结构如图7所示。
图7 防尘盖压装模具Fig.7 Mould of press assembly for shield
模具由定位套和压模通过弹簧和螺栓连接而成，定位套内径与轴承内圈配合，起到固定轴承和导引压模的作用，定位套外径处同时增加了大斜面，斜面角度以不与防尘盖斜面产生干涉为标准选取，大斜面起到对防尘盖卷边末端B处的约束作用，同时杜绝了压模与防尘盖斜面的接触。
3.2 压装力优化
轴向压力Fa分别选取200，300，400 N，锥面角α选取15°，25°和35°，通过2因素3水平的正交试验L(32)来确定最佳的轴向力Fa和锥面角α，最终经过调试试验确定轴向压力Fa为300 N，锥面角α取25°时压装质量和合格率最高。
4 改进效果
利用改进后的模具压装62XX-2Z轴承200套，轴向压力取为300 N，模具锥面角为25°，压装防尘盖后合格率达到98%，说明分析改进思路正确。需要进一步说明的是，实际生产过程中，严格控制防尘槽尺寸、形位精度和防尘盖尺寸精度，使其符合工艺要求，是确保防尘盖压装质量的首要前提。
