陳金地

（龍溪集團(tuán) 福建省永安軸承有限責(zé)任公司，福建 永安 366000）

1 引言

在高精度圓錐滾子軸承自動(dòng)化連線磨削加工中發(fā)現(xiàn)：精磨內(nèi)圈的滾道和擋邊時(shí)，因無心電磁夾具的磁力偏小，導(dǎo)致極個(gè)別工件停轉(zhuǎn)，造成加工面磨削缺口。該類缺口十分細(xì)微，超精后在日光燈下很難分辨，只能在特定角度、光線下看到（圖1），截面如圖2所示。

圖1 擋邊缺口與內(nèi)滾道缺口缺陷件照片F(xiàn)ig.1 Defective photos of gaps on rib and inner raceway

圖2 擋邊缺口與內(nèi)滾道缺口截面圖Fig.2 Cross－section diagram of gaps on rib and inner raceway

因缺陷產(chǎn)品數(shù)量較少且混入正常產(chǎn)品中，裝配前的人工終檢很難發(fā)現(xiàn)，常規(guī)檢驗(yàn)方法下漏檢率達(dá)30%以上。而一旦缺陷件裝機(jī)使用，輕則造成早期損壞、異響，重則造成軸承抱死、車軸起火等重大安全事故。

針對上述異常件現(xiàn)象，嘗試?yán)盟俣刃驼駝?dòng)檢測機(jī)和旋轉(zhuǎn)力矩檢測機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以在自動(dòng)化生產(chǎn)線上有效剔除異常件。

2 測量原理

2.1 振動(dòng)

滾動(dòng)軸承的振動(dòng)是指軸承零件幾何中心瞬時(shí)位置偏離理想位置的運(yùn)動(dòng)，軸承零件隨時(shí)間變化的彈性變形以及其他軸承旋轉(zhuǎn)所必要的一切運(yùn)動(dòng)，通稱為軸承的振動(dòng)。

振動(dòng)值是軸承的綜合性質(zhì)量指標(biāo)，主要反映軸承各工作表面的微觀質(zhì)量水平。對于單個(gè)軸承振動(dòng)值的檢測，目前采用2種計(jì)量單位，一種為加速度型，計(jì)量單位為dB，組別代號(hào)為Z1，Z2，Z3，Z4；另一種為速度型，計(jì)量單位為μm／s，組別代號(hào)為V0，V1，V2，V3。

速度型振動(dòng)值測量裝置如圖3所示，速度傳感器置于外徑面上。測量時(shí)，向外圈施加軸向載荷，外圈靜止，儀器帶動(dòng)軸承內(nèi)圈以890 r／min的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。分析對象為內(nèi)滾道缺口和擋邊缺口，可看作內(nèi)圈滾道與內(nèi)孔間的厚度變動(dòng)量Ki和內(nèi)圈擋邊平行差Sif嚴(yán)重超差的產(chǎn)品。影響圓錐滾子軸承振動(dòng)值的因素比較復(fù)雜，不同參數(shù)對軸承振動(dòng)的影響見表1，由表可知：內(nèi)圈滾道缺陷對中低頻值有一定影響，而在實(shí)際工況下，內(nèi)圈滾道缺口會(huì)造成滾子運(yùn)動(dòng)不平穩(wěn)，對高頻值也將產(chǎn)生一定影響；內(nèi)圈擋邊缺陷對振動(dòng)值的影響相對較小。

圖3 振動(dòng)測量圖Fig.3 Diagram ofmeasurement for vibration

表1 影響圓錐滾子軸承振動(dòng)值的套圈參數(shù)Tab.1 Ring parameters influencing vibration value of tapered roller bearing

2.2 旋轉(zhuǎn)力矩

由于啟動(dòng)力矩在實(shí)際測量中取值難度很大，且在裝配線的實(shí)際應(yīng)用中價(jià)值有限，因此采用旋轉(zhuǎn)力矩進(jìn)行分析。

圓錐滾子軸承承受軸向載荷時(shí)，其旋轉(zhuǎn)力矩主要包括：1）滾子與內(nèi)、外圈滾道面的滾動(dòng)阻力（摩擦）與彈性滯后和EHL黏性滾動(dòng)阻力之差；2）內(nèi)圈擋邊與滾子端面之間的滑動(dòng)摩擦阻力。考慮在裝配線旋轉(zhuǎn)力矩測量中溫度影響較小，油黏度變化對旋轉(zhuǎn)力矩的影響可以忽略不計(jì)。

不同軸向載荷下軸承轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)力矩的關(guān)系如圖4所示。從圖中可以看出：相同轉(zhuǎn)速下，軸向載荷越大旋轉(zhuǎn)力矩越大；在相同軸向載荷下，轉(zhuǎn)速低于一定值時(shí)（圖中A點(diǎn)），轉(zhuǎn)速越低旋轉(zhuǎn)力矩越大。

圖4 轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)力矩的關(guān)系Fig.4 Relationship between rotational speed and running torque

3 試驗(yàn)分析

3.1 振動(dòng)試驗(yàn)

轉(zhuǎn)速300 r／min，軸向載荷1 100 N時(shí)，對同一套33217型軸承，分別裝入帶有滾道缺口、擋邊缺口的內(nèi)圈以及正常內(nèi)圈，各測量5次得到3種狀態(tài)振動(dòng)均值數(shù)據(jù)見表2。由表可知：內(nèi)圈擋邊缺口軸承振動(dòng)值比正常軸承振動(dòng)值有所增加，但差別不大；內(nèi)圈滾道缺口軸承振動(dòng)值則比正常軸承振動(dòng)值增大明顯。符合理論分析。

表2 三種狀態(tài)振動(dòng)均值數(shù)據(jù)Tab.2 Data of average values of vibration under three kinds of states

因此，考慮批次產(chǎn)品的振動(dòng)值差異，利用振動(dòng)檢測識(shí)別內(nèi)圈擋邊缺口軸承不可行，但可用于識(shí)別內(nèi)圈滾道缺口軸承。

3.2 旋轉(zhuǎn)力矩試驗(yàn)

軸向載荷2 750 N下，轉(zhuǎn)速分別為20，120 r／min時(shí)，缺陷軸承與正常軸承的旋轉(zhuǎn)力矩對比如圖5所示，該數(shù)據(jù)從設(shè)備內(nèi)部導(dǎo)出，每秒采集1次，共取52個(gè)數(shù)據(jù)。從圖中可以看出：120 r／min時(shí)，缺陷軸承與正常軸承的旋轉(zhuǎn)力矩曲線基本重合，兩者難以區(qū)分；而20 r／min時(shí)，缺陷軸承與正常軸承的旋轉(zhuǎn)力矩曲線有所分離，兩者間存在一定的差別。

圖5 缺陷軸承與正常軸承的旋轉(zhuǎn)力矩對比Fig.5 Comparison of running torque between defective bearing and normal bearing

為分析旋轉(zhuǎn)力矩檢測的可行性，列出不同轉(zhuǎn)速下3種缺陷狀態(tài)軸承的旋轉(zhuǎn)力矩均值，見表3。由表可知：120 r／min時(shí)，缺陷軸承與正常軸承的旋轉(zhuǎn)力矩差別不大，甚至因儀器分辨率等因素，內(nèi)圈滾道缺口軸承的旋轉(zhuǎn)力矩小于正常軸承，無法檢出缺陷軸承；載荷保持不變，主軸轉(zhuǎn)速由120 r／min變化到20 r／min時(shí)，缺陷軸承和正常軸承的旋轉(zhuǎn)力矩值均有所增加，符合之前的理論分析，但正常軸承的旋轉(zhuǎn)力矩增加量較小，缺陷軸承的旋轉(zhuǎn)力矩均有較大的增幅，其中內(nèi)圈擋邊缺口軸承旋轉(zhuǎn)力矩增幅更大；進(jìn)一步分析，內(nèi)圈擋邊缺口軸承與正常軸承之間的旋轉(zhuǎn)力矩差值由120 r／min時(shí)的0.078 N·m變化為20 r／min時(shí)的0.211 N·m，增加近3倍。綜上可知，可采用低轉(zhuǎn)速下的旋轉(zhuǎn)力矩均值檢測內(nèi)圈擋邊缺口軸承。

表3 不同缺陷狀態(tài)軸承的旋轉(zhuǎn)力矩均值Tab.3 Average values of running torque of bearing under different defective states

4 振動(dòng)與旋轉(zhuǎn)力矩在裝配線中的應(yīng)用

如果客戶沒有明確要求，實(shí)際應(yīng)用中一般參照國家標(biāo)準(zhǔn)測定產(chǎn)品振動(dòng)值，并通過適當(dāng)提高要求作為工序控制指標(biāo)；旋轉(zhuǎn)力矩控制則一般采用主軸轉(zhuǎn)速120 r／min時(shí)固定載荷下的測量值。針對33217型軸承，依據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置的企業(yè)內(nèi)控指標(biāo)見表4。而對于同批次軸承，檢測20件正常軸承的振動(dòng)均值以及20 r／min時(shí)的旋轉(zhuǎn)力矩制定新內(nèi)控指標(biāo)，其與舊指標(biāo)的對比見表4。

表4 33217軸承新舊企業(yè)內(nèi)控指標(biāo)Tab.2 New and old internal control indexes of enterprise for bearing 33217

對于內(nèi)圈滾道缺口和內(nèi)圈擋邊缺口軸承，各取5套進(jìn)行檢測，結(jié)果見表5。

表5 缺陷軸承振動(dòng)值及旋轉(zhuǎn)力矩檢測結(jié)果Tab.5 Testing results on vibration value and running torque of defective bearing

由表4、表5可知：如果仍采用舊內(nèi)控指標(biāo)，缺陷軸承均無法檢出，漏檢率100%。而采用新指標(biāo)，振動(dòng)檢測檢出全部內(nèi)圈滾道缺口軸承，但有2套內(nèi)圈擋邊缺口軸承未檢出；旋轉(zhuǎn)力矩檢測則檢出全部內(nèi)圈擋邊缺口軸承，有1套內(nèi)圈滾道缺口軸承未檢出。

分別使用振動(dòng)和旋轉(zhuǎn)力矩檢測對內(nèi)圈滾道缺口和內(nèi)圈擋邊缺口軸承進(jìn)行批次跟蹤試驗(yàn)，得出如下結(jié)果：1）僅使用振動(dòng)檢測，內(nèi)圈滾道缺口漏檢率為0，誤檢率約3%，內(nèi)圈擋邊缺口漏檢率約47%；2）僅使用旋轉(zhuǎn)力矩檢測，內(nèi)圈擋邊缺口漏檢率為0，誤檢率約1.5%，內(nèi)圈滾道缺口漏檢率約15%；3）振動(dòng)與旋轉(zhuǎn)力矩檢測串聯(lián)使用，2種缺陷的漏檢率為0，誤檢率約4.5%。

綜上分析，最終確定的圓錐滾子軸承裝配線流程為：超聲波清洗→人工終檢→內(nèi)外徑檢測→裝滾子→鉚合→清洗→合套→振動(dòng)檢查→旋轉(zhuǎn)力矩檢測→清洗→涂油→包裝。

5 結(jié)束語

利用振動(dòng)與旋轉(zhuǎn)力矩檢測的特點(diǎn)，在全自動(dòng)裝配線中采用串聯(lián)方式，并設(shè)定符合產(chǎn)品批次質(zhì)量的控制值，能有效識(shí)別出圓錐滾子軸承內(nèi)圈滾道缺口和擋邊缺口的軸承。該方法雖然沒有漏檢，但仍存在誤檢的問題，說明采用旋轉(zhuǎn)力矩均值識(shí)別產(chǎn)品缺陷時(shí)識(shí)別能力仍有不足。

在上述研究基礎(chǔ)上，嘗試采用2種以上的壓力和轉(zhuǎn)速來測量旋轉(zhuǎn)力矩，通過計(jì)算變化量來分析軸承零件的制造缺陷，并利用數(shù)據(jù)采集建立相關(guān)缺陷的各種檢測值數(shù)據(jù)庫，采用人工智能加以分析剔除出各類異常件是軸承智能制造中在線檢測的發(fā)展方向。