一种四点接触球轴承自动装球装置

张志华，蒋迪永，李纪元，徐卓然，南建辉

(杭州人本轴承有限公司，杭州 310022)

四点接触球轴承能承受双向轴向载荷以及一定的径向载荷，广泛应用于冶金、矿山机械、汽车、齿轮箱等领域[1-3]，该类轴承主要以人工装配为主，效率低，装配质量不稳定，成本高，有必要改进装配方式[4-5]。

1 原四点接触球轴承装配方法

原四点接触球轴承采用铜棒敲入球的方式(图1a)装配，后根据杠杆原理设计压球装置，从内锁口压入球(图1b)。压入法虽然在一定程度上降低了劳动强度，提高了装配效率，但每次仅能压入一粒球，无法实现全自动化生产。此外，目前的2种装配方法在装配过程中容易造成球和沟道的损伤等。

2 四点接触球轴承装配方法改进

2.1 改进球压入方式

根据保持架锁口方向，将球径向压入改为圆周侧向压入，如图2所示。建立有限元模型，固定保持架， 改进压入方式前后加载同样的力，得到其变形云图如图3所示，圆周侧向压入时保持架变形大于径向压入，更利于球压入。经综合分析和模拟试验，确定采用圆周侧向压入。

图1 原四点接触球轴承装配方法Fig.1 Original assembly method for four point contact ball bearing

图2 球圆周侧向压入示意图Fig.2 Diagram of circumferential lateral pressing of ball

(a) 圆周侧向压入

2.2 模具结构

通过仿真软件模拟压入过程中球的运动轨迹，进而确定模具拟合曲线，根据该曲线设计模具压装曲线。分析球、保持架和模具尺寸，模拟落球方式，最终确定球由模具内部落入装球工位，根据三维模型3D打印出模具，经试验满足要求。模具结构如图4所示。

图4 模具结构示意图Fig.4 Structure diagram of mold

根据装配方式确定压力为785 N，考虑保持架锁量偏差，计算得到模具压力约为797.1 N，假设安全系数为1.8，确定模具旋转扭矩为10 N·m。经试验确定最佳模具转速为120 r/min，根据转速选择合适的电动机。

2.3 新型自动装球装置

新型自动装球装置结构如图5所示，主要包括自动下球装置、驱动电动机、装球机构、夹具、设备床身。

1—自动下球装置；2—驱动电动机；3—装球机构；4—夹具； 5—设备床身。图5 装置结构示意图Fig.5 Structure diagram of device

2.3.1 结构特点

1)自动上球机构如图6所示，通过控制分球器上2个气缸的距离可调节球的数量，可以满足该类轴承多规格、小批量的装配需求。

1—控制球数的气缸；2—分球器；3—分球器支架；4—气缸1；5—球盒架；6—球盒。图6 自动上球机构示意图Fig.6 Diagram of automatic ball filling mechanism

2)装球机构如图7所示，采用双支承结构，球通过落球管进入模具，落球管可满足所设计系列轴承球通过，轴承型号改变时，无需更换落球管，仅需更换模具即可。

3)驱动电动机采用高精度步进电动机，实现高精度传动，确保所有球均能压入保持架。

1—固定轴；2—大齿轮；3—轴承1；4—连接套筒；5—落球管；6—轴承2；7—模具。图7 装球机构示意图Fig.7 Diagram of ball filling mechanism

4)设计专用夹具，通过气缸使上下端面压紧保持架，确保球压入时保持架始终固定。

5)利用PLC控制步进电动机，实现装球位置和时间的精准控制。步进电动机控制器可控制扭矩大小，进而满足工艺要求。此外，控制系统还有自动上球、缺球保护、运行指示、防夹手保护等功能。控制系统设计时，考虑球落入保持架兜孔后模具才开始旋转，保证球压入是一个循序渐进的过程，不会损伤保持架。

2.3.2 工作原理

通过气缸1将球送入分球器，通过气缸控制夹具夹紧保持架，分球器上气缸落下，下气缸抬起，球利用自身重力通过落球管进入模具，电动机带动模具旋转，通过模具将球压入保持架。

3 实际使用效果

采用新的装配方式后，由每次装一粒球提高到每套轴承仅需一个动作，实现了半自动化装配，提高了生产效率；同时也减少了人为主观意识对装配质量的影响及轴承装配过程中的不确定因素，避免了球、外圈沟道及保持架的损伤，提高了装配质量。