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圓柱滾子軸承銅合金實(shí)體保持架結(jié)構(gòu)緊湊、強(qiáng)度高，運(yùn)轉(zhuǎn)性能及抗沖擊能力均優(yōu)于鋼制組合式保持架，是高速、高溫等高性能軸承常采用的結(jié)構(gòu)。保持架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，為了將滾子裝人保持架和套圈(內(nèi)圈或外圈)后，使三者形成不可分離的組件，避免成品軸承發(fā)生散套，通常在保持架的外徑面或內(nèi)徑面部位設(shè)計(jì)有鎖爪，起到鎖住滾子的作用。
在軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，鎖爪部位并不參與軸承的工作，但如果該部位的加工尺寸、形狀控制不當(dāng)將會(huì)影響軸承的正常工作，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致保持架斷裂故障的發(fā)生。
1、圓柱滾子軸承保持架鎖爪的形成過程
目前，國(guó)內(nèi)軸承生產(chǎn)廠家多通過凸模沖壓變形的方式加工保持架鎖爪，這種加工方式稱為劈爪。在劈爪前需形成預(yù)劈爪，即使用銑刀將前工序預(yù)留的鎖爪位置的中部材料去除(圖1)，改善其結(jié)構(gòu)塑性。預(yù)劈爪后再進(jìn)行劈爪，通過凸模對(duì)鎖爪施加力使鎖爪頂部分別向兩側(cè)產(chǎn)生少量的塑性變形，同時(shí)產(chǎn)生一定的加工硬化，增加局部強(qiáng)度，鎖住滾子(圖2、圖3)。保持架材料的組織、塑性性能以及鎖爪加工方式對(duì)鎖爪變形及變形后的強(qiáng)度有重要影響。
圖1 預(yù)劈爪前、后鎖爪形狀示意圖
圖2 凸模沖壓鎖爪變形示意圖
圖3 劈爪后的鎖爪形貌
采用該方式加工的鎖爪，要求滾子不得從鎖爪位置掉出，滾子裝入保持架后，應(yīng)能隨保持架裝入內(nèi)圈或外圈，在鎖點(diǎn)和滾道的共同限制下，使保持架、滾子和套圈三者形成組件；軸承裝配完成后，受內(nèi)、外滾道位置的限制，滾子與鎖爪之間有一定的間隙，不會(huì)產(chǎn)生接觸，對(duì)軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)無影響。滾子在內(nèi)、外滾道的限制下與鎖爪的位置關(guān)系如圖4所示。
圖4 軸承裝配后滾子與鎖爪位置示意圖
2、圓柱滾子軸承保持架鎖爪常見的問題
1）鎖爪斷裂或裂紋
某型圓柱滾子軸承外形尺寸為φ74 mm x φ37mm x9 mm，鎖爪位于保持架外徑面，單耳結(jié)構(gòu)。軸承轉(zhuǎn)速為39200r/min，徑向載荷為400N，屬于高速輕載運(yùn)轉(zhuǎn)，該軸承使用過程中陸續(xù)發(fā)生了保持架鎖爪斷裂故障，斷裂的鎖爪均位于兜孔的同一側(cè)，且斷裂部位均為鎖爪頂端，形貌如圖5所示：
圖5 鎖爪斷裂形貌示意圖
將故障圓柱滾子軸承放平觀察，發(fā)現(xiàn)鎖爪存在不對(duì)稱現(xiàn)象，一側(cè)鎖爪變形過大，頂端已與滾子有明顯接觸，且尚未斷裂的鎖爪已出現(xiàn)裂紋（圖6、7）。
圖6 鎖爪變形過大與滾子接觸
圖7鎖爪頂部產(chǎn)生裂紋
通過分析確認(rèn)故障的產(chǎn)生與鎖爪加工質(zhì)量有關(guān)，若尺寸和形狀控制不當(dāng)，一側(cè)鎖瓜變形過大與滾子產(chǎn)生接觸、軸承高速運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，鎖爪在滾子的不斷碰撞沖擊下會(huì)發(fā)生斷裂。
除了單耳結(jié)構(gòu)鎖爪的斷裂問題外，在雙耳結(jié)構(gòu)的鎖爪中還曾發(fā)現(xiàn)鎖爪的根部存在裂紋的現(xiàn)象(圖8、圖9)。
圖8 雙耳結(jié)構(gòu)鎖爪形貌
圖9 鎖爪根部裂紋
2）異常接觸痕跡
圓柱滾子軸承保持架鎖爪除斷裂和裂紋問題外，鎖爪加工質(zhì)量控制不當(dāng)還會(huì)導(dǎo)致保持架兜孔出現(xiàn)異常接觸痕跡。正常情況下，滾子與保持架橫梁的接觸痕跡如圖10所示，是具有一定寬度的直線狀接觸形貌。異常情況下，如某型圓柱滾子軸承在工作5 h后檢查，即發(fā)現(xiàn)保持架同一兜孔中，一側(cè)橫梁呈兩點(diǎn)接觸痕跡，另一側(cè)橫梁呈一點(diǎn)接觸痕跡(圖11)。
圖10 保持架兜孔正常接觸痕跡示意圖
圖11 保持架兜孔異常接觸痕跡示意圖
通過輪廓儀沿軸向檢測(cè)兩側(cè)橫梁，結(jié)果表明兩側(cè)橫梁表面有明顯的凸、凹區(qū)域，凸點(diǎn)分別與兩側(cè)橫梁的兩點(diǎn)和一點(diǎn)接觸痕跡位置相對(duì)應(yīng)。
經(jīng)后期分析確認(rèn)，該異常接觸痕跡的形成，是因?yàn)榕r(shí)凸模進(jìn)人鎖爪過深，使鎖爪根部變形從而帶動(dòng)橫梁也隨之發(fā)生變形，形成凸凹點(diǎn)，工作過程中滾子與橫梁凸點(diǎn)接觸，出現(xiàn)異常接觸痕跡。
3、軸承保持架鎖爪斷裂、裂紋和異常接觸痕跡的原因分析
通過對(duì)保持架鎖爪加工過程的排查和分析，確認(rèn)上述保持架鎖爪裂紋、斷裂或兜孔異常接觸現(xiàn)象的產(chǎn)生與材料性能因素?zé)o關(guān)，而均與劈爪加工過程中預(yù)劈爪加工控制不當(dāng)、凸模角度選用不合理及凸模行程無限位等因素有關(guān)。
1）預(yù)劈爪位置控制不當(dāng)
通過銑刀形成預(yù)劈爪過程中，銑刀未與鎖爪中心線重合，出現(xiàn)偏離，導(dǎo)致兩側(cè)鎖爪厚度有明顯的差異，使在后續(xù)裝配劈爪中兩側(cè)鎖爪變形不一致，較薄的一側(cè)變形過大與滾子產(chǎn)生接觸，在工作過程中滾子與鎖點(diǎn)發(fā)生碰撞，產(chǎn)生裂紋或斷裂。
2）凸模角度選用不合理
通常保持架預(yù)劈爪后，爪間夾角一般為45°~50° ，而保持架裝配劈爪的凸模夾角為120° ，兩者間的角度差為70° ~ 75°，過大的角度差一方面使劈爪變形跨度過大、變形過快使脆性材質(zhì)易出現(xiàn)裂紋，另一方面也容易導(dǎo)致劈爪與凸模尖角對(duì)中時(shí)凸模中心出現(xiàn)偏移，而使兩側(cè)劈爪變形不一致，出現(xiàn)不對(duì)稱現(xiàn)象(圖12)。
圖12 鎖爪沖壓異常變形
3）劈爪時(shí)施力不均，凸模受力不一致
劈爪加工是操作者憑借經(jīng)驗(yàn)通過手動(dòng)錘對(duì)凸模施加力，使鎖爪頂部向兩側(cè)張開產(chǎn)生一定的變形鎖住滾子，工裝如圖13所示。鎖爪的變形應(yīng)不影響軸承的裝配，對(duì)軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)不產(chǎn)生干涉，但在劈爪過程中若操作者施力過大，凸模完全進(jìn)人鎖爪與鎖爪根部接觸，在沖擊力的作用下，導(dǎo)致鎖爪根部發(fā)生變形，從而帶動(dòng)兜孔橫梁區(qū)域也隨之發(fā)生變形，出現(xiàn)凸凹不平現(xiàn)象，使橫梁產(chǎn)生異常接觸痕跡。
圖13 保持架裝配劈爪工裝及凸模形貌
4、解決措施
1）在預(yù)劈爪時(shí)，對(duì)銑刀與鎖爪中心的一致性進(jìn)行控制，確保兩側(cè)鎖爪位置的對(duì)稱性和厚度的一致性。
2）減小凸模夾角，將凸模夾角由120°降低到90°，對(duì)鎖爪較厚的保持架還可分別采用70°和90°夾角的凸模進(jìn)行二次劈爪，以避免鎖爪變形過大產(chǎn)生裂紋或?qū)L子運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生干涉。
3）將手動(dòng)敲擊凸模進(jìn)行劈爪的方式改為固定模具氣動(dòng)方式對(duì)凸模施加力，確保施力大小的一致性，以控制凸模的行程，避免施力過大使鎖爪根部出現(xiàn)變形，同時(shí)也可保證鎖點(diǎn)加工質(zhì)量的一致性。
4）劈爪后對(duì)鎖爪的夾角θ及厚度S1，S2進(jìn)行檢測(cè)，要求S1，S2兩者的厚度差不大于0.1 mm，檢測(cè)部位如圖14所示；同時(shí)還要求通過熒光磁粉滲透的方式檢查鎖爪裂紋缺陷。
圖14 鎖爪的厚度和夾角
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