圓柱滾子軸承銅合金實(shí)體保持架結構緊湊、強度高，運轉性能及抗沖擊能力均優(yōu)于鋼制組合式保持架，是高速、高溫等高性能軸承常采用的結構。保持架結構設計中，為了將滾子裝人保持架和套圈(內圈或外圈)后，使三者形成不可分離的組件，避免成品軸承發(fā)生散套，通常在保持架的外徑面或內徑面部位設計有鎖爪，起到鎖住滾子的作用。

在軸承的運轉過(guò)程中，鎖爪部位并不參與軸承的工作，但如果該部位的加工尺寸、形狀控制不當將會(huì )影響軸承的正常工作，嚴重時(shí)可能會(huì )導致保持架斷裂故障的發(fā)生。

1、圓柱滾子軸承保持架鎖爪的形成過(guò)程

目前，國內軸承生產(chǎn)廠(chǎng)家多通過(guò)凸模沖壓變形的方式加工保持架鎖爪，這種加工方式稱(chēng)為劈爪。在劈爪前需形成預劈爪，即使用銑刀將前工序預留的鎖爪位置的中部材料去除(圖1)，改善其結構塑性。預劈爪后再進(jìn)行劈爪，通過(guò)凸模對鎖爪施加力使鎖爪頂部分別向兩側產(chǎn)生少量的塑性變形，同時(shí)產(chǎn)生一定的加工硬化，增加局部強度，鎖住滾子(圖2、圖3)。保持架材料的組織、塑性性能以及鎖爪加工方式對鎖爪變形及變形后的強度有重要影響。

圖1 預劈爪前、后鎖爪形狀示意圖

圖2 凸模沖壓鎖爪變形示意圖

圖3 劈爪后的鎖爪形貌

采用該方式加工的鎖爪，要求滾子不得從鎖爪位置掉出，滾子裝入保持架后，應能隨保持架裝入內圈或外圈，在鎖點(diǎn)和滾道的共同限制下，使保持架、滾子和套圈三者形成組件；軸承裝配完成后，受內、外滾道位置的限制，滾子與鎖爪之間有一定的間隙，不會(huì )產(chǎn)生接觸，對軸承的運轉無(wú)影響。滾子在內、外滾道的限制下與鎖爪的位置關(guān)系如圖4所示。

圖4  軸承裝配后滾子與鎖爪位置示意圖

2、圓柱滾子軸承保持架鎖爪常見(jiàn)的問(wèn)題

1）鎖爪斷裂或裂紋

某型圓柱滾子軸承外形尺寸為φ74 mm x φ37mm x9 mm，鎖爪位于保持架外徑面，單耳結構。軸承轉速為39200r/min，徑向載荷為400N，屬于高速輕載運轉，該軸承使用過(guò)程中陸續發(fā)生了保持架鎖爪斷裂故障，斷裂的鎖爪均位于兜孔的同一側，且斷裂部位均為鎖爪頂端，形貌如圖5所示：

圖5 鎖爪斷裂形貌示意圖

將故障圓柱滾子軸承放平觀(guān)察，發(fā)現鎖爪存在不對稱(chēng)現象，一側鎖爪變形過(guò)大，頂端已與滾子有明顯接觸，且尚未斷裂的鎖爪已出現裂紋（圖6、7）。

圖6 鎖爪變形過(guò)大與滾子接觸

圖7鎖爪頂部產(chǎn)生裂紋

通過(guò)分析確認故障的產(chǎn)生與鎖爪加工質(zhì)量有關(guān)，若尺寸和形狀控制不當，一側鎖瓜變形過(guò)大與滾子產(chǎn)生接觸、軸承高速運轉過(guò)程中，鎖爪在滾子的不斷碰撞沖擊下會(huì )發(fā)生斷裂。

除了單耳結構鎖爪的斷裂問(wèn)題外，在雙耳結構的鎖爪中還曾發(fā)現鎖爪的根部存在裂紋的現象(圖8、圖9)。

圖8 雙耳結構鎖爪形貌

圖9 鎖爪根部裂紋

2）異常接觸痕跡

圓柱滾子軸承保持架鎖爪除斷裂和裂紋問(wèn)題外，鎖爪加工質(zhì)量控制不當還會(huì )導致保持架兜孔出現異常接觸痕跡。正常情況下，滾子與保持架橫梁的接觸痕跡如圖10所示，是具有一定寬度的直線(xiàn)狀接觸形貌。異常情況下，如某型圓柱滾子軸承在工作5 h后檢查，即發(fā)現保持架同一兜孔中，一側橫梁呈兩點(diǎn)接觸痕跡，另一側橫梁呈一點(diǎn)接觸痕跡(圖11)。

圖10 保持架兜孔正常接觸痕跡示意圖

圖11 保持架兜孔異常接觸痕跡示意圖

通過(guò)輪廓儀沿軸向檢測兩側橫梁，結果表明兩側橫梁表面有明顯的凸、凹區域，凸點(diǎn)分別與兩側橫梁的兩點(diǎn)和一點(diǎn)接觸痕跡位置相對應。

經(jīng)后期分析確認，該異常接觸痕跡的形成，是因為劈爪時(shí)凸模進(jìn)人鎖爪過(guò)深，使鎖爪根部變形從而帶動(dòng)橫梁也隨之發(fā)生變形，形成凸凹點(diǎn)，工作過(guò)程中滾子與橫梁凸點(diǎn)接觸，出現異常接觸痕跡。

3、軸承保持架鎖爪斷裂、裂紋和異常接觸痕跡的原因分析

通過(guò)對保持架鎖爪加工過(guò)程的排查和分析，確認上述保持架鎖爪裂紋、斷裂或兜孔異常接觸現象的產(chǎn)生與材料性能因素無(wú)關(guān)，而均與劈爪加工過(guò)程中預劈爪加工控制不當、凸模角度選用不合理及凸模行程無(wú)限位等因素有關(guān)。

1）預劈爪位置控制不當

通過(guò)銑刀形成預劈爪過(guò)程中，銑刀未與鎖爪中心線(xiàn)重合，出現偏離，導致兩側鎖爪厚度有明顯的差異，使在后續裝配劈爪中兩側鎖爪變形不一致，較薄的一側變形過(guò)大與滾子產(chǎn)生接觸，在工作過(guò)程中滾子與鎖點(diǎn)發(fā)生碰撞，產(chǎn)生裂紋或斷裂。

2）凸模角度選用不合理

通常保持架預劈爪后，爪間夾角一般為45°~50° ，而保持架裝配劈爪的凸模夾角為120° ，兩者間的角度差為70° ~ 75°，過(guò)大的角度差一方面使劈爪變形跨度過(guò)大、變形過(guò)快使脆性材質(zhì)易出現裂紋，另一方面也容易導致劈爪與凸模尖角對中時(shí)凸模中心出現偏移，而使兩側劈爪變形不一致，出現不對稱(chēng)現象(圖12)。

圖12 鎖爪沖壓異常變形

3）劈爪時(shí)施力不均，凸模受力不一致

劈爪加工是操作者憑借經(jīng)驗通過(guò)手動(dòng)錘對凸模施加力，使鎖爪頂部向兩側張開(kāi)產(chǎn)生一定的變形鎖住滾子，工裝如圖13所示。鎖爪的變形應不影響軸承的裝配，對軸承的運轉不產(chǎn)生干涉，但在劈爪過(guò)程中若操作者施力過(guò)大，凸模完全進(jìn)人鎖爪與鎖爪根部接觸，在沖擊力的作用下，導致鎖爪根部發(fā)生變形，從而帶動(dòng)兜孔橫梁區域也隨之發(fā)生變形，出現凸凹不平現象，使橫梁產(chǎn)生異常接觸痕跡。

圖13 保持架裝配劈爪工裝及凸模形貌

4、解決措施

1）在預劈爪時(shí)，對銑刀與鎖爪中心的一致性進(jìn)行控制，確保兩側鎖爪位置的對稱(chēng)性和厚度的一致性。

2）減小凸模夾角，將凸模夾角由120°降低到90°，對鎖爪較厚的保持架還可分別采用70°和90°夾角的凸模進(jìn)行二次劈爪，以避免鎖爪變形過(guò)大產(chǎn)生裂紋或對滾子運轉產(chǎn)生干涉。

3）將手動(dòng)敲擊凸模進(jìn)行劈爪的方式改為固定模具氣動(dòng)方式對凸模施加力，確保施力大小的一致性，以控制凸模的行程，避免施力過(guò)大使鎖爪根部出現變形，同時(shí)也可保證鎖點(diǎn)加工質(zhì)量的一致性。

4）劈爪后對鎖爪的夾角θ及厚度S1，S2進(jìn)行檢測，要求S1，S2兩者的厚度差不大于0.1 mm，檢測部位如圖14所示；同時(shí)還要求通過(guò)熒光磁粉滲透的方式檢查鎖爪裂紋缺陷。

圖14 鎖爪的厚度和夾角