角接触球轴承沟位置误差分析及控制

张振强，杨浩亮，朱川峰，刘胜超，焦春照

(洛阳轴研科技股份有限公司，河南 洛阳 471039)

沟位置尺寸是角接触球轴承设计的一项重要参数，直接影响成品轴承的装配高及凸出量，从而对轴承的组配使用、预载荷的施加等方面产生重要影响。在实际的轴承制造过程中，因为机床精度、加工方法、测量仪器等方面的影响，实际沟位置尺寸与理想值会存在一定的误差，从而对后续的装配等工序造成不利影响，如对游隙、装配高的控制等。鉴于沟位置尺寸的重要性，结合生产实际对沟位置尺寸出现误差的原因及其影响进行分析，以期为角接触球轴承精度的提高提供依据。

1 套圈沟位置尺寸及宽度测量试验

以7008C角接触球轴承为试验对象，其内、外圈结构如图1所示，随机抽取25件内圈样品，使用3MK1310B数控内沟道磨床进行磨削(以C端面为加工基准)，采用G904轴承高度测量仪和W023内圈沟位置测量仪分别对各工件宽度、沟位置尺寸进行测量。

图1 7008C角接触球轴承套圈结构

该轴承内圈宽度及沟位置尺寸的偏差如图2所示，其中，沟位置1，2分别指以端面C和端面D为测量基准时内圈的沟位置偏差。从图中可以看到，在实际制造过程中，内圈宽度和沟位置尺寸都存在加工误差。如果测量过程中随机取某个端面为测量基准时，内圈沟位置尺寸散差达37 μm；而当严格区分测量基准后，即都以C端面(加工基准面)或D端面(非加工基准面)为测量基准时，沟位置尺寸散差分别为6，32 μm。沟位置1的尺寸散差明显小于沟位置2；并且沟位置2的尺寸偏差曲线与内圈宽度偏差曲线极为相近，说明二者存在较高的关联性。

图2 内圈宽度及沟位置尺寸偏差曲线

2 分析与讨论

在实际制造过程中，当指定如端面C为加工基准面时，由于各方面的原因，根本不能保证沟位置尺寸为定值。由图2可知，如果测量基准和加工基准一致，沟位置尺寸的加工误差较小，可以接受。

对于沟道对称的套圈(图1b)，如果不对基准面和非基准面加以标识区分，很容易导致加工基准和测量基准不统一，这对套圈的制造加工提出了很高的要求，往往容易造成沟位置尺寸偏差过大。沟位置尺寸偏差过大，对要求不高、单套直接使用的场合影响不大，但是对组配使用、精度要求较高的场合影响较大，必须对沟位置尺寸予以严格控制。

图2中沟位置1情况下沟位置尺寸的散差较小，但沟位置2情况下沟位置尺寸偏差受套圈宽度偏差的影响，散差较大。若分别从2个端面测得的同一沟道的位置尺寸存在偏差时，说明机床调整存在一定误差或工件宽度发生了变化，这也是影响沟位置稳定性的重要因素。偏沟套圈中不存在基准不统一的问题，故其沟位置尺寸偏差不受套圈宽度的影响。

轴承装配高和凸出量(图3)分别为[1-2]

图3 轴承凸出量及装配高测量示意图

T=ai+ae-(ri+re-Dw)sinα,

(1)

δ=B-T,

(2)

式中：T为轴承的装配高；ai，ae分别为内、外圈的沟位置尺寸；ri，re分别为内、外圈的沟曲率半径；Dw为钢球直径；α为接触角；δ为凸出量；B为内圈宽度。

从(1)，(2) 式可以看出，内、外圈的沟位置误差完全反映到了轴承的装配高和凸出量上，如果沟位置尺寸偏差过大，将导致后续修磨凸出量过程中工作量的增加，降低加工效率。

游隙是角接触球轴承需要控制的另一个重要参数。内、外圈合套时，需要重新测量内、外圈的沟底直径。需要指出的是，目前生产制造过程中普遍采用比较测量法，测头根据标准件调整到理论上的沟底位置后被锁死(即测量点到测量基准端面的距离是固定的)，然而由于加工误差的存在，实际的沟位置并非理想的沟位置，如图4所示。虽然理论上的沟位置在F点，但是由于各种误差因素致使实际沟位置偏到了E点，因此对沟底直径的测量便存在误差。

图4 内圈沟底直径测量误差示意图

内圈沟底直径的测量误差δi为

δi=FF1-EE1=2EG，

(3)

EG=ri(1-cosθ)，

(4)

(5)

式中：FG为沟位置尺寸偏差。则

(6)

同理可得外圈沟底直径的测量误差δe，则轴承内、外圈合套后的径向游隙偏差为

ΔGr=δi+δe。

(7)

需要说明的是，此处所指的游隙偏差是相对合套前的理想值而言，没有考虑钢球的尺寸偏差。由于原始接触角、轴向游隙、角度游隙与径向游隙存在如下关系[3]

(8)

(9)

(10)

式中：α为原始接触角；Gr为径向游隙；fi，fe分别为轴承内、外圈沟曲率半径系数；Ga为轴向游隙；β为角度游隙；Dpw为球组节圆直径。因此，径向游隙的偏差会引起原始接触角、轴向游隙、角度游隙出现相应的偏差。

3 控制措施及验证

由上述理论分析可知，实际加工中沟道对称套圈沟位置尺寸散差较大的问题有2种方法可以改善：

(1)采用无基准磨削，严格控制套圈的宽度偏差。该方法对加工设备的要求非常高，设备较为昂贵，成本较高。譬如进口某型双端面磨床加工中小型轴承套圈的加工精度可达到宽度偏差±1 μm，平行差1 μm。

(2)采用有基准的磨削方式。该方法只需在加工过程中标识出轴承的基准面即可。在实际生产中应用此方法，操作人员能够有效区分基准面，使沟道磨削、超精、测量及装配所用的基准统一，有效控制了沟位置尺寸的散差，提高了套圈的加工精度，使凸出量及装配高的分布更趋合理。对于万能组配轴承，沟位置尺寸散差减小后，轴承修磨前的原始凸出量也更易控制和减小，不仅可以避免修磨凸出量过程中磨削外圈基准面，而且能够提高修磨效率，降低生产成本。

4 结论

(1)沟位置误差是影响轴承装配高和凸出量的主要因素之一，同时也影响沟底直径的测量结果，进而影响轴承装配后的径向游隙，从而引起轴向游隙、角度游隙、原始接触角等的变化，是高精密角接触球轴承加工过程中需要控制的重要参数。

(2)压缩对称沟道套圈的宽度偏差和统一加工基准面都可以有效控制沟位置的散差，可以根据实际情况选择合适的加工方法。实践证明，统一基准进行加工的方法，简单易行，对机床的要求不高。