防止外球面轴承外圈变形的密封件冲压模设计

朱克明

（常熟长城轴承有限公司，江苏 常熟 215500）

目前，滚动轴承密封件的装配通常是采用特定的工装将密封件通过冲压方式压入轴承外圈对应的密封槽中，密封件受力变形进入外圈密封槽的同时，密封槽受到作用力，使得外圈直径有向外扩张的趋势。由于该装配冲压力具有时变特征且各处不均匀，使得轴承外径向外扩张变形的结果也不一致。通常当密封件被冲压进入轴承密封槽后，会使轴承外径尺寸变大，同时伴随有较大的圆度误差。

针对密封件装配引起的外圈尺寸变化问题，一般控制方法是增加外径整形工序，但存在的不足是：对变形严重的工件，整形效果差；对不同外表面（如圆柱面、球面）的轴承，由于密封槽的结构尺寸不同而引起的径向壁厚不同，整形相对复杂，制造成本增加。因此，以外球面轴承密封件冲压装配工艺为例，从研究冲压模结构设计入手，分析冲压时该类轴承的外径受力情况，提出防变形结构的设计原理及实施方式［1］。

1 轴承密封件装配受力分析

外球面轴承密封件结构及成形受力分析如图1所示。装配时凸模向下压密封件顶部，密封件变形向密封槽内运动，直至完全进入密封槽内。以任一工作截面对工艺过程进行受力分析，图中，F1为凸模向下的压力；F2为轴承支承面的反力；F3为密封件在变形进入密封槽时对外球面轴承外径压力的合力（忽略截面上的重力）。正是F3造成了外圈外径的变化。

图1 外球面轴承密封件装配受力分析图Fig.1 Load analysis diagram during assmbly of seals of insert bearing

与同规格的圆柱面轴承相比，外球面轴承密封槽的平均壁厚更小，因此，外球面轴承密封件装配后外圈外径更容易产生尺寸和形状变形。同时外球面半径的变大，也将严重影响轴承与轴承座之间的装配［2］。

2 冲压模防变形设计基本原理

为减小密封件冲压过程中对外圈的变形影响，应采取一定的办法使密封件在被压入密封槽并延伸接触到外圈时，给予一定的反力以平衡F3对外球面轴承外径的扩张作用。由于外球面轴承外径面为球面，基于力平衡原理，需要准确判定F3的位置并在外球面对应处形成共线反向的反作用力F4。

依据受力分析，结合现有冲模结构，设计外球面轴承外圈防变形冲压模如图2所示。弹簧组件和外环依次套装在凸模的外表面，将弹簧组件的上端通过锁紧圈固定在凸模上，弹簧组件的下端与外环的上端面相接触。外环的内表面设计成阶梯状与凸模外表面的阶梯相适配，使外环能够在凸模的外表面上下移动。为保证外环与外球面轴承外径面（球面）的可靠接触，将外环头部内表面设计为斜面，当凸模下降时，外环同时下降与外球面接触。用锁紧圈调节弹簧的松紧，可改变外环斜面与外径面的接触位置和施力状况，不仅能用于调节F3与反作用力F4的共线位置，而且能调节F4的大小［3］。

图2 外球面轴承密封件冲压模结构Fig.2 Structure of stamping die for seals of insert bearing

3 冲压模设计关键参数确定

3.1 外环斜面与外圈接触角α

由于防变形冲压模外环斜面与外球面轴承外圈接触点上的反作用力F4具有平衡变形力F3的作用，因此，外环斜面与外圈接触角α的确定应该力求F4与F3满足反向、共线的条件。接触角α分析计算图如图3所示。

图3 外环斜面与外圈接触角α分析计算图Fig.3 Analysis and calculation diagram of contact angleα between outer ring oblique plane and outer ring

当α确定后，可根据凸模运动情况及密封圈深度，确定外环斜面高度、厚度等其他尺寸［4］。

3.2 外环结构尺寸与弹簧组件参数

冲压模平衡反作用力F4的大小通过弹簧组件参数予以调节。外环在凸模下降并与外圈接触时的任一截面的受力如图4所示（截面图中忽略了外环重力）。

由图4可知，当凸模下降，外环与外球面轴承外圈接触时，外环受到自身重力W与弹簧压力F的作用，形成正压力N作用于外圈，其水平分力形成与F3的平衡力F4。当仅考虑弹簧压力时，则

图4 冲压模外环任一截面的受力分析简图Fig.4 Load analysis diagram of any cross section of outer ring of stamping die

式中：k为弹簧的弹性系数；x为弹簧由锁紧圈与凸模台阶面配合后产生的位移。

由于F3和F4在实际工况中均沿外圈外径面圆周分布，故考虑在外环上端面沿圆周均布N个弹簧，由此外环斜面给予外圈的总平衡力为

综合（1）～（3）式，就可以确定外环及弹簧组件的相关数据。实际设计过程一般步骤为：

1）根据密封件结构估算变形力F3；

2）依据F′4＝NF4＝F3的原则，初步估算N，x的值，一般情况下可取N＝6～8，x则视凸模台阶位置及锁紧圈行程适当选取；

3）根据（1）式确定的α及凸模尺寸，确定外环及弹簧组件的k等相关数据。

4 改进效果

采用205KRRB2新冲压模具对205KRRB2外球面轴承进行密封圈冲压装配，其中，装配后轴承精度要求为：单一平面平均外径偏差ΔDmp为0～－13μm，单一平面外径变动量VDsp不大于20 μm。装配试验结果表明（表1），轴承尺寸及精度均合格，说明设计的冲压模合理、有效。

表1 205KRRB2新冲压模具冲压试验数据Tab.1 Stamping experimental data of new stamping die 205KRRB2 μm

5 结束语

对于密封轴承特别是外圈结构较为复杂的密封轴承，其密封圈冲压过程中的外径变形问题，必须从制造工艺分析和工艺装备改进两方面进行研究，以解决问题。由于轴承种类及规格繁多，改进设计方案应建立在对产品结构和要求充分理解以及熟练应用工程力学和机械设计等相关理论的基础上，力求通过试验及持续改进使制造过程尽可能符合产品技术要求，从而更好地提升制造水平、经济效益。文中设计的外球面轴承密封圈冲压模实际应用结果表明：模具装配调整方便，密封冲压变形小，质量稳定，较好地解决了外球面轴承密封件冲压时外圈的变形问题。