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        圓柱滾子軸承保持架的結(jié)構(gòu)改進(jìn)

        2014-07-21 09:35:18宋利濤
        軸承 2014年12期
        關(guān)鍵詞:架結(jié)構(gòu)精車基準(zhǔn)面

        宋利濤

        (哈爾濱中盈軸承技術(shù)有限公司,哈爾濱 150040)

        1 M,EM型保持架結(jié)構(gòu)及缺點(diǎn)

        圓柱滾子軸承通常采用M或EM型保持架(銅保持架)。M型保持架用直鉚釘將保持架和擋蓋鉚合在一起,如圖1a所示;EM型保持架靠保持架梁上的凸臺與擋蓋鉚合在一起,如圖1b所示。這2種保持架存在以下缺點(diǎn):(1)由于滾子與保持架全接觸,因此軸承旋轉(zhuǎn)時(shí)噪聲較大;(2)保持架精度要求較高,兜孔較深,擋蓋較薄易變形,加工難度大;(3)較為費(fèi)料,材料利用率不到18%;(4)保持架梁與滾子接觸面積較大,因此,摩擦磨損較大,磨損脫落的銅屑有可能進(jìn)入接觸區(qū),引起軸承早期失效。

        圖1 保持架結(jié)構(gòu)對比

        2 保持架結(jié)構(gòu)改進(jìn)

        針對上述問題,結(jié)合N308圓柱滾子軸承,對保持架結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。N308軸承保持架為滾子引導(dǎo)(EM)。N308圓柱滾子軸承改進(jìn)后的保持架結(jié)構(gòu)(簡稱EM1型結(jié)構(gòu))如圖2所示。該結(jié)構(gòu)將保持架的梁縮短,改為兩“半保持架”的結(jié)構(gòu)。由于保持架不承受軸向力,將2個半保持架用3個(根據(jù)軸承型號,可以選擇3個及以上的圓柱銷)圓柱銷(圖3)定位連接鉚合成整體保持架。保持架梁的長度在滾子倒角最大尺寸的基礎(chǔ)上再加3~4 mm。2片保持架的梁可以隔離滾子,保證軸承的平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)。

        圖2 N308軸承EM1型保持架

        圖3 N308軸承EM1型保持架中的圓柱銷

        改進(jìn)后的保持架有以下優(yōu)點(diǎn):(1)滾子與保持架的接觸面積減小,降低了軸承的旋轉(zhuǎn)噪聲;(2)在保證保持架精度不變的情況下,降低了保持架的加工難度;(3)由于滾子對保持架梁的圓周力及摩擦力減小,使得保持架壽命得到提高;(4)2片保持架之間沒有貫穿梁,使得保持架有更好的散熱性能。(5)保持架梁縮短后,材料利用率從不到18%提高到60%~65%;(6)保持架兜孔鏜孔加工效率提高2倍;(7)保持架制造成本降低30%~35%。

        3 保持架工藝分析

        3.1 M型工藝過程

        鑄造→粗車外圓→粗車內(nèi)孔、切斷→精車外圓→精車內(nèi)孔、基準(zhǔn)面、倒內(nèi)角→精車外圓、非基準(zhǔn)面、倒內(nèi)外角→切擋蓋→精車切斷面、倒角→精車擋蓋端面、倒角→鏜兜孔→除兜孔毛刺→鉆鉚釘孔→倒釘孔角→酸洗→檢驗(yàn)、包裝。

        3.2 EM型工藝過程

        鑄造→粗車外圓→粗車內(nèi)孔、切斷→精車外圓→精車內(nèi)孔、基準(zhǔn)面、倒內(nèi)角→精車外圓、非基準(zhǔn)面、倒內(nèi)外角→切擋蓋→精車切斷面、內(nèi)臺階、倒角→精車外臺階、倒角→鏜兜孔→除兜孔毛刺→精車擋蓋的切斷面、倒角→精車擋蓋槽→車擋蓋槽內(nèi)、外倒角→擋蓋沖孔→除擋蓋毛刺→酸洗→檢驗(yàn)、包裝。

        3.3 EM1型工藝過程

        鑄造→粗車外圓→粗車內(nèi)孔、切斷→精車外圓→精車內(nèi)孔、基準(zhǔn)面、倒內(nèi)角→精車外圓、非基準(zhǔn)面、倒內(nèi)外角→精車非基準(zhǔn)面槽、倒角→鏜兜孔→除兜孔毛刺→鉆銷孔→倒銷孔角→光飾處理→檢驗(yàn)、包裝。

        3.4 加工工藝分析

        M型保持架鏜完兜孔后,還需要將保持架和擋蓋合到一起鉆鉚釘孔并劃裝配線,裝配時(shí),按裝配線鉚合,給裝配操作帶來一定困難,該結(jié)構(gòu)現(xiàn)已逐步被EM型保持架取代。

        EM型保持架雖然不用鉆鉚釘孔,但保持架的總體高度增加,需在保持架端面上車出凸臺,并依靠凸臺將擋蓋鉚合;而且擋蓋上的n個錐形孔需加工,增加了沖孔模具。由于保持架高度及車加工工序的增加,使得保持架成本相應(yīng)增加。

        EM1型保持架結(jié)構(gòu)吸取了M型和EM型保持架的優(yōu)點(diǎn),在其基礎(chǔ)上增加了車槽、鉆銷孔、倒銷孔角工序。由于EM1型保持架圓柱銷數(shù)量比鉚釘數(shù)量減少了60%~70%,而且左右2個半保持架相同,裝配時(shí)保持架可互換,從而節(jié)省了裝鉚釘及鉚合時(shí)間,提高了裝配的工作效率。

        從以上3種結(jié)構(gòu)保持架的加工工藝可以看出,M和EM型保持架比EM1型保持架多出2~5道工序,而且兜孔加工也比EM1型深,兜孔加工難度較大。此外EM1型保持架加工工藝用振動研磨機(jī)取代酸洗進(jìn)行光飾處理,去除兜孔毛刺,不僅保證了保持架的外觀質(zhì)量,而且避免了酸洗對環(huán)境的污染。

        4 保持架有限元仿真分析

        使用ANSYS Workbench 軟件分別對M,EM和EM1型保持架進(jìn)行有限元仿真,分析保持架的強(qiáng)度和性能。

        4.1 保持架的CAD建模

        在進(jìn)行保持架CAE仿真之前,首先使用Solidworks軟件建立了3種保持架的三維CAD模型。3種保持架的基本設(shè)計(jì)參數(shù)見表1[1]。

        表1 保持架的參數(shù)

        4.2 保持架的有限元模型 [2-3]

        將之前建立好的三維CAD模型導(dǎo)入ANSYS Workbench中,依次進(jìn)行材質(zhì)定義、網(wǎng)格劃分,然后施加約束與載荷。網(wǎng)格的類型與數(shù)量見表2。

        表2 網(wǎng)格類型與數(shù)量

        保持架梁和擋蓋都為銅合金,圓柱銷為結(jié)構(gòu)鋼,鉚釘為鋁合金,材質(zhì)具體參數(shù)見表3。約束保持架前、后端面垂直端面方向的位移,對保持架施加5 kN的徑向力和1 kN的軸向力,對擋蓋施加一個繞z軸的210 rad/s的轉(zhuǎn)速(圖4)[4]。

        表3 材料的各項(xiàng)指標(biāo)

        圖4 保持架約束和載荷施加情況

        對建立好的CAE模型進(jìn)行仿真,分別輸出了3種保持架的等效應(yīng)力、應(yīng)變情況,如圖5和圖6所示。

        4.3 結(jié)果分析

        4.3.1 應(yīng)力分析

        由圖5可知,對于M型保持架,應(yīng)力分布十分不均,保持架與擋蓋結(jié)合處附近的應(yīng)力偏大,最大應(yīng)力為5.69 MPa,出現(xiàn)在梁與端面連接的根部,在長期反復(fù)的加速沖擊力作用下容易出現(xiàn)失效,對直鉚釘?shù)膹?qiáng)度要求較高。EM型保持架的情況與M型類似,但是應(yīng)力的最大值(4.96 MPa)小于M型保持架,總體結(jié)構(gòu)性能略優(yōu)于M型保持架。EM1型保持架的最大應(yīng)力值小于M和EM型保持架,為4.33 MPa,出現(xiàn)在保持架的根部。同時(shí),EM1型保持架對圓柱銷的強(qiáng)度要求較高。

        4.3.2 應(yīng)變分析

        由圖6可知,對于M型保持架,應(yīng)變的分布很不均勻,外側(cè)的應(yīng)變大于內(nèi)側(cè)的應(yīng)變,最大值為51.8 μm。EM型與EM1型保持架的最大應(yīng)變值都遠(yuǎn)小于M型,其中EM1型保持架的應(yīng)變分布更為均勻,性能優(yōu)于EM型保持架。

        仿真分析可知,EM1型保持架的性能要明顯優(yōu)于M和EM型保持架。

        5 結(jié)束語

        設(shè)計(jì)的EM1型保持架與M,EM型保持架相比,減少了2~5道工序,降低了兜孔的加工難度,明顯減少了鉚釘鉚合時(shí)間,提高了裝配效率和材料利用率。有限元分析表明,EM1型保持架的性能優(yōu)于M,EM型保持架。目前,裝有該結(jié)構(gòu)保持架的N308軸承在紙板機(jī)上已穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)了4個多月,滿足了設(shè)備正常運(yùn)行的要求,下一步將積極推廣使用,以獲得更多的實(shí)際使用效果。

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