一種四點(diǎn)接觸球軸承自動(dòng)裝球裝置

張志華，蔣迪永，李紀(jì)元，徐卓然，南建輝

(杭州人本軸承有限公司，杭州 310022)

四點(diǎn)接觸球軸承能承受雙向軸向載荷以及一定的徑向載荷，廣泛應(yīng)用于冶金、礦山機(jī)械、汽車、齒輪箱等領(lǐng)域[1-3]，該類軸承主要以人工裝配為主，效率低，裝配質(zhì)量不穩(wěn)定，成本高，有必要改進(jìn)裝配方式[4-5]。

1 原四點(diǎn)接觸球軸承裝配方法

原四點(diǎn)接觸球軸承采用銅棒敲入球的方式(圖1a)裝配，后根據(jù)杠桿原理設(shè)計(jì)壓球裝置，從內(nèi)鎖口壓入球(圖1b)。壓入法雖然在一定程度上降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了裝配效率，但每次僅能壓入一粒球，無(wú)法實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化生產(chǎn)。此外，目前的2種裝配方法在裝配過(guò)程中容易造成球和溝道的損傷等。

2 四點(diǎn)接觸球軸承裝配方法改進(jìn)

2.1 改進(jìn)球壓入方式

根據(jù)保持架鎖口方向，將球徑向壓入改為圓周側(cè)向壓入，如圖2所示。建立有限元模型，固定保持架， 改進(jìn)壓入方式前后加載同樣的力，得到其變形云圖如圖3所示，圓周側(cè)向壓入時(shí)保持架變形大于徑向壓入，更利于球壓入。經(jīng)綜合分析和模擬試驗(yàn)，確定采用圓周側(cè)向壓入。

圖1 原四點(diǎn)接觸球軸承裝配方法Fig.1 Original assembly method for four point contact ball bearing

圖2 球圓周側(cè)向壓入示意圖Fig.2 Diagram of circumferential lateral pressing of ball

(a) 圓周側(cè)向壓入

2.2 模具結(jié)構(gòu)

通過(guò)仿真軟件模擬壓入過(guò)程中球的運(yùn)動(dòng)軌跡，進(jìn)而確定模具擬合曲線，根據(jù)該曲線設(shè)計(jì)模具壓裝曲線。分析球、保持架和模具尺寸，模擬落球方式，最終確定球由模具內(nèi)部落入裝球工位，根據(jù)三維模型3D打印出模具，經(jīng)試驗(yàn)滿足要求。模具結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 模具結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structure diagram of mold

根據(jù)裝配方式確定壓力為785 N，考慮保持架鎖量偏差，計(jì)算得到模具壓力約為797.1 N，假設(shè)安全系數(shù)為1.8，確定模具旋轉(zhuǎn)扭矩為10 N·m。經(jīng)試驗(yàn)確定最佳模具轉(zhuǎn)速為120 r/min，根據(jù)轉(zhuǎn)速選擇合適的電動(dòng)機(jī)。

2.3 新型自動(dòng)裝球裝置

新型自動(dòng)裝球裝置結(jié)構(gòu)如圖5所示，主要包括自動(dòng)下球裝置、驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、裝球機(jī)構(gòu)、夾具、設(shè)備床身。

1—自動(dòng)下球裝置；2—驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)；3—裝球機(jī)構(gòu)；4—夾具； 5—設(shè)備床身。圖5 裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Structure diagram of device

2.3.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1)自動(dòng)上球機(jī)構(gòu)如圖6所示，通過(guò)控制分球器上2個(gè)氣缸的距離可調(diào)節(jié)球的數(shù)量，可以滿足該類軸承多規(guī)格、小批量的裝配需求。

1—控制球數(shù)的氣缸；2—分球器；3—分球器支架；4—?dú)飧?；5—球盒架；6—球盒。圖6 自動(dòng)上球機(jī)構(gòu)示意圖Fig.6 Diagram of automatic ball filling mechanism

2)裝球機(jī)構(gòu)如圖7所示，采用雙支承結(jié)構(gòu)，球通過(guò)落球管進(jìn)入模具，落球管可滿足所設(shè)計(jì)系列軸承球通過(guò)，軸承型號(hào)改變時(shí)，無(wú)需更換落球管，僅需更換模具即可。

3)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)采用高精度步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)高精度傳動(dòng)，確保所有球均能壓入保持架。

1—固定軸；2—大齒輪；3—軸承1；4—連接套筒；5—落球管；6—軸承2；7—模具。圖7 裝球機(jī)構(gòu)示意圖Fig.7 Diagram of ball filling mechanism

4)設(shè)計(jì)專用夾具，通過(guò)氣缸使上下端面壓緊保持架，確保球壓入時(shí)保持架始終固定。

5)利用PLC控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)裝球位置和時(shí)間的精準(zhǔn)控制。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制器可控制扭矩大小，進(jìn)而滿足工藝要求。此外，控制系統(tǒng)還有自動(dòng)上球、缺球保護(hù)、運(yùn)行指示、防夾手保護(hù)等功能?？刂葡到y(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，考慮球落入保持架兜孔后模具才開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，保證球壓入是一個(gè)循序漸進(jìn)的過(guò)程，不會(huì)損傷保持架。

2.3.2 工作原理

通過(guò)氣缸1將球送入分球器，通過(guò)氣缸控制夾具夾緊保持架，分球器上氣缸落下，下氣缸抬起，球利用自身重力通過(guò)落球管進(jìn)入模具，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)模具旋轉(zhuǎn)，通過(guò)模具將球壓入保持架。

3 實(shí)際使用效果

采用新的裝配方式后，由每次裝一粒球提高到每套軸承僅需一個(gè)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)了半自動(dòng)化裝配，提高了生產(chǎn)效率；同時(shí)也減少了人為主觀意識(shí)對(duì)裝配質(zhì)量的影響及軸承裝配過(guò)程中的不確定因素，避免了球、外圈溝道及保持架的損傷，提高了裝配質(zhì)量。