影響交叉圓柱滾子軸承重復定位精度的常見因素及改進措施

王昆平，范雨晴，胡敬原，趙洋，馮毅杰

(1.空軍裝備部駐洛陽地區第二軍事代表室，河南 洛陽 471009；2.洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039；3.高性能軸承數字化設計國家國際科技合作基地，河南 洛陽 471039；4.河南省高性能軸承技術重點實驗室，河南 洛陽 471039)

交叉圓柱滾子軸承的滾子呈相互垂直交叉排列，可以承受徑向載荷、雙向推力載荷及傾覆力矩[1]，同時具備高剛性，適用于工業機器人關節或旋轉部位、加工中心旋轉工作臺、力矩電動機回轉臺等。隨軸承加工設備性能的提高，交叉圓柱滾子軸承旋轉精度可達到P5以上，能夠滿足大多數用戶的使用需求；但一些客戶對交叉圓柱滾子軸承重復定位精度(軸承轉動一周，內圈或外圈同一測量點處測量數據重復一致，反映到加工設備上即為同一加工程序加工同一批零件所得到的連續測量結果的一致程度)提出了新的要求，重復定位精度將直接影響設備回轉工作臺的重復定位性能，進而影響零件加工精度。

在此介紹常見的3種交叉圓柱滾子軸承結構，從軸承設計、加工工藝及安裝維護等方面列舉影響這3種結構軸承重復定位精度的常見因素，并提出相應的改進措施。

1 交叉圓柱滾子軸承結構

從外形結構上，交叉圓柱滾子軸承(圖1)可分為3類：1)內圈一體、外圈可分離式，適用于內圈旋轉精度要求高的部位；2)外圈一體、內圈可分離式，適用于外圈旋轉精度要求高的部位；3)內外圈均為一體，適用于對外、內圈旋轉精度要求均較高的部位，安裝對軸承性能幾乎無影響。從內部結構上可以分為滿裝滾子和帶間隔保持架2種，滿裝滾子適用于低速、重載工況，帶間隔保持架適用于摩擦力矩小、高速的工況。

圖1 常見的3類交叉圓柱滾子軸承結構

2 影響交叉圓柱滾子軸承重復定位精度的常見因素

2.1 軸承設計方面

2.1.1 隔離塊結構

交叉圓柱滾子軸承滾子排列方式如圖2所示，相鄰滾子用隔離塊分開，隔離塊起減小滾子之間摩擦，引導滾子運動的作用。

圖2 交叉圓柱滾子軸承滾子排列方式

常用隔離塊結構如圖3所示，隔離塊2個圓柱形凹槽的軸心線在同一平面內的投影相互垂直，且平行于凹槽外徑面。該隔離塊通用性強，只要滾子尺寸相同，即可采用同一隔離塊，成本較低。

圖3 常用隔離塊結構

但交叉圓柱滾子軸承相鄰滾子的軸線O1A，O2B與垂直于隔離塊軸線的徑向平面O1O2C不平行[2](圖2)，滾子工作表面素線與隔離塊圓柱形凹槽素線不平行，而是以一定角度傾斜(圖3)，實際接觸狀態為點接觸，軸承回轉中心直徑越小，傾斜角越大，接觸狀態越不好。在轉速較高的工況，隔離塊會歪斜，進而影響滾子回轉軌跡，造成回轉不良，影響軸承重復定位精度。

對隔離塊結構優化設計，使隔離塊圓柱形凹槽軸線與隔離塊所在平面形成一個角度，與滾子軸線平行(圖4)，從而使滾子與隔離塊圓柱形凹槽的接觸狀態由點接觸變為線接觸。改進后的隔離塊與滾子外徑面接觸良好，提高了軸承回轉平穩性，適用于轉速高，對軸承重復定位精度要求高的設備。

圖4 改進后的隔離塊結構

2.1.2 軸承剛度

軸承在徑向載荷、軸向載荷和傾覆力矩聯合作用下，內外圈將產生徑向、軸向相對位移和相對傾角，從而影響軸承重復定位精度。

軸承剛度有徑向剛度、軸向剛度和角剛度。為減小或消除外部作用力下交叉圓柱滾子軸承的相對位移，軸承需施加預載荷。交叉圓柱滾子軸承設計時徑向游隙一般為負游隙，即通過調整徑向游隙控制軸承內部預載荷。故設計時要根據軸承承受的最大當量徑向載荷(徑向載荷、軸向載荷和傾覆力矩合成)計算軸承剛度，得到軸承初始游隙，確保軸承在外載荷作用下具有抵抗變形的能力，進而保證軸承重復定位精度。

2.1.3 滾子圓周總間隙

交叉圓柱滾子軸承滾子與隔離塊裝配后，圓周方向會存在間隙，間隙值可通過更換隔離塊調整，但由于隔離塊結構和材料的限制，圓周總間隙不能完全消除。圓周總間隙過大，回轉過程中隔離塊和滾子易歪斜，從而導致軸承承載不均；圓周總間隙過小，回轉過程中滾子會相互擠壓，滾子與滾道的磨損會加?。鹤罱K均會引起軸承振動增加，重復定位精度不良。根據實際應用經驗，對于外徑小于300 mm的帶隔離塊交叉圓柱滾子軸承，為避免在運轉過程中軸承磨損使圓周總間隙增大，設計時應在便于裝配的前提下盡可能減小圓周總間隙，推薦的圓周總間隙見表1。

表1 交叉圓柱滾子軸承圓周總間隙推薦值

2.1.4 塞子與塞子孔配合間隙

內外圈一體式結構的交叉圓柱滾子軸承，滾子及隔離塊需從外徑面上加工的塞子孔依次裝入。塞子與塞子孔的配合間隙取值非常重要：配合間隙過大，裝配后塞子在孔內會發生傾斜，滾子旋轉到滾道面上塞子與孔配合處可能會出現異常聲，影響軸承旋轉精度，進而影響軸承重復定位精度；配合間隙過小，熱處理后塞子與塞子孔配合面發生變形，將塞子從外圈塞子孔內取出時易造成塞子孔破壞。根據實際應用經驗，塞子外徑面和塞子孔內徑面粗糙度要求不大于0.8 μm，配合間隙為0.01～0.02 mm。

2.1.5 軸承使用方式

交叉圓柱滾子軸承以臥式和立式使用居多:臥式使用時，圓周方向通常采用滾子間隔隔離塊的結構；立式使用中，由于滾子與隔離塊圓周方向存在間隙，重力作用下隔離塊可能會下落，與滾道產生摩擦，使軸承摩擦力矩增大，嚴重時會引起軸承卡頓，最終影響軸承重復定位精度。立式使用時，對軸承重復定位精度要求不高的場合可以采用滾子間隔隔離塊結構，要求較高的場合可采用整體式保持架間隔滾子結構。

2.2 加工工藝方面

2.2.1 毛刺

若軸承油孔或油槽與滾道接觸處毛刺未清理干凈，熱處理后毛刺硬度高，磨加工時未及時處理，滾子轉動到該處時與毛刺磕碰，振動較大，回轉平穩性較差。在車加工與熱處理工序之間應增加清理油孔及潤滑油槽周邊毛刺工序。

2.2.2 滾道角度

交叉圓柱滾子軸承為直線滾道，兩滾道夾角為90°，滾道角度對軸承性能起決定性作用[4]，要求為90°±2′。在實際應用中發現：若軸承一個套圈滾道角度按89°58′加工，另一個套圈滾道角度按90°加工，裝配后兩套圈滾道會形成一個小的夾角α(圖5)，滾子兩端會產生一個附加作用力，使滾子歪斜，進而影響軸承重復定位精度；反之，若滾道角度按正偏差加工，軸承內部也會產生附加作用力。生產加工時應嚴格按照設備操作規程控制砂輪修整次數，避免出現砂輪磨損后未及時修整造成滾道角度偏小，從而導致滾子與滾道接觸不良，影響軸承重復定位精度。

圖5 滾道角度示意圖

2.2.3 圓錐銷與圓錐銷孔接觸區域

內外圈一體式結構的交叉滾子軸承套圈端面塞子與塞子孔的配合處加工有1∶50錐度的圓錐銷孔，通過圓錐銷對塞子固定。塞子與塞子孔間隙配合后，再配鉆圓錐銷孔。配鉆時需確保圓錐銷外徑面與圓錐銷孔內表面接觸區域達到80%以上，若接觸區域低于80%，軸承承受較大沖擊載荷時滾子轉動到塞子處可能會移動，進而影響軸承重復定位精度。軸承零件熱處理后會產生變形，圓錐銷隨套圈一起淬火后韌性降低，故在粗磨后圓錐銷孔與塞子孔表面增加去除氧化皮工序，同時更換圓錐銷。更換圓錐銷時也需對圓錐銷外徑面與圓錐銷孔內表面接觸區域進行著色檢驗，保證接觸區域大于80%以上。

2.2.4 分體式結構兩外徑或兩內徑尺寸相互差

對于外圈或內圈為分體式結構的交叉圓柱滾子軸承，合套時應確保合套的2個套圈外徑或內徑尺寸基本一致，至少應確保兩內徑或兩外徑相互差不低于以下要求：

|Δd1mp-Δd2mp|≤Δd/3,

或

|ΔD1mp-ΔD2mp|≤ΔD/3，

式中：Δd1mp，Δd2mp為內徑單一平面平均尺寸公差；ΔD1mp，ΔD2mp為外徑單一平面平均尺寸公差。

合套的2個分體式套圈外徑或內徑尺寸相互差超出外徑或內徑尺寸公差的1/3時，裝配后2個套圈易錯位，滾道發生偏斜，影響滾子回轉狀態和軸承重復定位精度。

2.3 安裝維護方面

2.3.1 配合尺寸

對于軸承重復定位精度要求高的場合，交叉圓柱滾子軸承一般采用負游隙(CC0游隙)，即安裝之前軸承內部已有預載荷[5]。根據實際應用經驗，過盈配合會增大軸承內部預載荷和摩擦力矩，引起磨損加劇，影響軸承使用壽命。

為避免過盈配合給軸承內部增加額外的預載荷，內圈與軸、外圈與殼體一般采用間隙配合。

2.3.2 安裝

對于外圈或內圈分體式結構的交叉圓柱滾子軸承，安裝時需從端面壓緊2個分體式外圈或內圈，安裝凸緣螺釘時，為避免螺釘擰緊力矩不一致造成軸承內部預壓不均，應按螺釘數量使用扭矩扳手均勻對稱擰緊。在擰緊螺釘過程中，需勻速轉動軸承內圈或外圈，調整滾子復位，避免軸承在轉動時出現死點。采用強度等級較低的螺栓，在軸承受到較大沖擊時螺栓易松動，軸承內部預壓減小，影響軸承重復定位精度。推薦選用軸承端蓋連接螺釘的強度等級為10.9級以上。

2.3.3 潤滑

未及時補充潤滑脂會造成軸承內部潤滑不良，磨損加劇，影響軸承重復定位精度，同時降低軸承使用壽命。交叉圓柱滾子軸承需定期補充潤滑脂，補脂周期為3～6個月[5]。

3 結束語

介紹了3類常見的交叉圓柱滾子軸承，并從軸承設計、加工工藝及安裝維護方面對影響軸承重復定位精度的常見因素進行分析，可為提高交叉圓柱滾子軸承的重復定位精度提供參考。