微型角接触推力球轴承沟道轮廓测量工装设计

崔静伟，张旭，苏海龙，张风琴，姚海波

(1.洛阳轴研科技股份有限公司，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；4.第一拖拉机股份有限公司 第三装配厂，河南 洛阳 471004)

由于角接触推力球轴承的球径小，球数较多，能够承受较重的双向轴向载荷，轴向刚性好，适用于较高转速的工况，因此在车床、钻床、镗床等机床上应用广泛[1]。轴承零件的质量控制是保证成品轴承各项性能的基础[2-3]，在轴承零件加工过程中，通常采用表面形貌测量仪检测内、外套圈的沟道形状误差和表面粗糙度，测量结果的准确性直接影响着轴承的回转精度、配合性及表面磨损等性能指标。测量过程中，离散测量点的采集应在套圈沟道的实际工作面进行，由于表面形貌测量仪的三维工作台最大只能旋转45°，使用直接采集到的测量点进行轮廓评定无法反映沟道真实的工作表面质量。因此，在现有表面形貌测量仪的基础上设计出辅助工装，以实现接触角为60°的微型角接触推力球轴承套圈沟道有效区间上的测量点采集，从而对沟道的工作表面质量进行控制。

1 测量仪器及原理

某微型角接触推力球轴承内径为6 mm，高度为6.12 mm，沟曲率半径为1.66 mm，接触角最大62°，最小58°。在精磨沟道工序中，沟曲率半径偏差精度要求如图1所示，其中沟道表面过点A的法线与轴承径向平面的夹角为0°，过点B的法线与轴承径向平面的夹角为60°。

图1 内圈沟道曲率半径精度

沟道形状误差(沟曲率半径偏差)的评定原理是先在沟道工作面的有效区间内采集一系列离散点，再用一定的方法(如最小二乘圆弧法)对采集的离散点进行数据处理，根据加工精度要求选择合适的有效数字，最终计算出实际沟道形状误差。技术人员及相关质量检测人员依据测量结果指导机床操作人员控制机床参数，使沟道形状误差控制在工艺要求的精度内。实际生产过程中，采用XM-200型触针式表面形貌测量仪(图2)进行测量。

1—仪器测量基座；2—Z向传动系统；3—X向装置； 4—Z向电动机；5—Z向手动调整旋钮；6—立柱导轨； 7—电感传感器；8—金刚石测头；9—被测轴承套圈； 10—旋转工作台；11—多维工作台

XM-200在对沟道进行轮廓分析时，评定长度按沟曲率半径的0.707截取，即以测量中心点位置左右摆角20.7°为评定区域，摆角α=41.4°。则分别以A，B点为测量中心点进行测量评定的评定区域如图3所示,以A点为测量中心点的测量区间记为弧l1，以B点为测量中心点的测量区间记为弧l2。

图3 摆角为α的评定区域示意图

测量过程中，金刚石测头测量的离散点是以A点所在平面(接触角为0°)为中心进行采集，由于沟较深，且套圈两边的凸台与形貌测量仪上的传感器测头干涉，l1不能完全包含l2，极限偏差时，l1与l2甚至没有交集。若以A点为测量评定中心点，则采集的测量点不是套圈沟道上实际工作面上的点，后续数据处理计算出的结果不能反映沟道实际工作面的沟道形状误差和表面粗糙度，用于评判沟道形状误差及表面粗糙度是否满足加工质量要求也不科学，将影响成品轴承的旋转精度等性能，甚至导致轴承成批报废，浪费人力物力。

以B点为测量评定中心点的l2包含了套圈沟道在实际工作中的接触面(线)，是理想的离散数据采集区域，沟道轮廓分析的评定长度也完全包含了沟道的实际工作区域，得到的评定结果能真实、有效地反映工序中对沟道轮廓的精度要求。

2 测量工装设计

XM-200多维工作台上的旋转台旋转角度为-45°～45°，若将套圈直接安放于旋转台上的V形槽中，即使旋转台旋转到最大角度，测量仪采集的数据点也不能完全处于沟道理想的有效区间，因此需要设计能够使工件旋转60°的定位测量工装，如图4所示。

1—定位工装；2—被测套圈；3—固定螺钉

为了防止测量过程中测量工装发生轻微转动，使测头所测量的套圈轮廓不再是过轴心线的轴向平面与套圈沟道表面相交的轮廓，而是与轴向平面产生一夹角，定位工装与V形槽接触部分设计成V形面。当定位测量工装安放在三维工作台的V形槽中时，工装与V形槽的V形面能够紧密贴合，从而提高测量的有效性和精确性。微型角接触推力球轴承沟道检测定位工装工作状态如图5所示。

1—定位工装；2—被测套圈；3—固定螺钉；4—传感器测头

测量时，先使用固定螺钉将被测套圈固定到定位工装上，再将定位工装吸到磁铁上放于V形槽内，操作仪器，移动传感器测头接近被测套圈，使测头向左侧移动到初始测量点(可适当移动1～2 mm，排除仪器本身因电动机启动造成的测头跳动)开始测量，使测头经过沟道工作面的有效区间，进行数据采集，进入仪器分析界面，记录测量结果。

3 实际测量

由图1可知，内圈沟道形状误差精度要求不大于1.1 μm。对10件沟道形状误差测量结果(以A点为测量中心)不合格的样品按图5方法重新进行测量，使用测量工装前后的测量结果见表1。

表1 沟道形状误差的测量结果 μm

由表可知，在以B点为中心的有效工作面测量区域进行测量后，有7件合格品，且不合格的3件套圈的测量结果也与之前结果明显不同，说明测量区域的选取直接影响测量结果。使用设计的辅助测量工装进行向心推力球轴承沟道的轮廓测量，可以在沟道的有效工作区间上进行数据采集，满足测量评定结果真实性的要求，测量结果可以为套圈生产加工提供有效的质量控制参数。

4 结束语

针对接触角为60°的微型角接触推力球轴承沟道轮廓测量中测量数据的采集问题，设计了定位测量工装，使沟道有效工作区间置于测头更方便测量的方位。避免了由于沟道较深、套圈带凸台等因素引起的测头与工件干涉问题，使套圈实际参与工作的区间包含在数据采集区域和评定区域内，测量出沟道的曲率半径偏差(表面粗糙度、波纹度也可在这一测量过程中得出)，为机床加工参数及零件质量的控制提供真实、有效的依据。同时，对其他角接触轴承套圈沟道形状误差检测及测量工装设计提供一定的参考。