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[摘 要]本文首先概述了相關内容，分析了轴承径向承载试验，并就轴承内圈结构受力分析展开了研究，望该课题的研究，对后续相关工作的实践能够起到借鉴与参考作用。
[关键词]关节轴承；装配；加工；误差
中图分类号：TH133.3；TG95 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）03-0130-01
1前言
在关节轴承的应用中，其装配及加工误差分析是一项综合性较强的系统性工作，如何取得最为理想的效果，保证顺利进行，备受业内人士关注。本文从实际出发，结合相关先进理念，对该课题进行了深入研究，阐述了个人的几点认识。
2概述
关节轴承在轴承座孔中的安装与固定一般采用过盈装配，过盈联接具有承载能力强、定心性好、结构简单等特点，广泛应用于农业机械、航空航天、矿山冶金、印刷、纺织、汽车、船舶等领域。关节轴承的装配质量是保证关节轴承工作的一项重要指标，良好的装配质量可以合理地分布接触应力，提高轴承的疲劳寿命，使轴承性能达到最大优化。影响关节轴承装配质量的因素是多方面的，过盈量、表面质量、形状误差等都影响着关节轴承的装配质量，进而影响其使用寿命，因此研究这些因素对装配质量的影响至关重要。在轴承座孔涂密封剂或润滑脂，使用专用的压装工具进行关节轴承的压装，保证压装力平行于轴承座孔轴线，仅施加在关节轴承外圈端面而不施加在轴承的内圈上，缓慢均匀施加压装力将关节轴承压入轴承座孔。对于单面收口固定的关节轴承，安装时应将轴承压到轴承座孔底，使关节轴承与轴承座孔之间在轴向无间隙；对于双面收口固定的轴承，安装时应将轴承压到孔中间。
3轴承径向承载试验
根据AS81820D标准对轴承进行径向极限承载试验时，往往会遇到轴承破裂失效的问题，即试验施加的载荷尚未达到理论计算的极限载荷值，内圈端部外倒角便出现破裂现象，而且裂纹沿着轴向从外倒角向球面方向延伸。轴承径向加载试验示意见图2。为研究轴承宽内圈破裂失效的原因，取GEW12型轴承为例，其内圈材料为GCr15，热处理硬度为HRC56±2。设计2种内圈结构进行比较，见图3。观察2种内圈结构各自在极限径向承载时的破坏失效情况。窄内圈轴承在同批次宽内圈轴承中随意选取并将其台阶加工去除而获得，仅从结构角度验证破裂问题，排除其他因素的影响。试验根据AS81820D标准的要求开展，2种内圈的样品数量各为10个。试验设备采用CMT5105型电子式万能试验机，其径向极限载荷为140kN，加载速率为140kN/s。试验结果显示，在加载至120kN附近时，有7个宽内圈轴承出现内圈外倒角开裂现象，而窄内圈轴承在加载至140kN时全部完好无损。
4轴承内圈结构受力分析
针对上述现象，采用Abaqus对GEW12型轴承的径向承载试验进行建模分析。为减少模型的网格数量、缩短计算时间，根据模型对称性条件，几何模型的1/2进行分析；网格划分全部采用C3D8R六面体网格，同时对应力集中（如内孔倒角）处的网格尺寸进行局部加密，确保模型的计算精度。模型中各零部件的材料参数见表1。模型中对工装底座的底部端面施加固定约束，轴承所受的径向载荷设置在加载板顶部端面，数值为径向极限载荷的1/2，即140kN/2=70kN。
4.1内圈位移分布
宽内圈和窄内圈在相同径向极限载荷作用下的位移分布（放大20倍）见图4。从位移最大值和最小值的差来看，宽内圈的最大变形量为0.2452-0.1393=0.1059mm，而窄内圈则为0.2934-0.2251=0.0683mm，显然前者的变形程度大于后者。从变形趋势来看，轴承内圈内孔两端顶部区域的变形相比其他区域要大得多，特别是宽内圈的台阶部分有上翘的趋势。这是因为试验工装芯轴受压弯曲，所以造成轴承中间部位下陷而两端向上弯曲。从总体上来看，在相同结构尺寸情况下，宽内圈的结构刚度弱于窄内圈。
4.2内圈等效应力分布
根据有限元分析的计算结果，提取2种内圈的等效应力云图进行对比，观察内圈的应力集中情况。由图5a）可见，宽内圈在径向极限载荷的作用下，上半球部分的等效应力约为600MPa，两端台阶处的等效应力在1200MPa左右，说明台阶区域出现应力集中现象，总体显示该处等效应力比中间厚壁位置要大一倍，而且内孔倒圆角根部出现最大值1330MPa。图5b）显示窄内圈的应力集中在内孔上半边缘处的局部区域，而且内孔倒角根部出现最大等效应力值1479MPa，其余上半球承载区域应力水平约为500MPa。从应力集中程度上来看，窄内圈的等效应力最大值要高于宽内圈。这主要是因为在相同径向载荷作用下，窄内圈内孔承载面积比宽内圈小，所以造成倒角应力集中更加严重。
一般而言，等效应力数值越大，说明轴承内圈的应力集中越显著，更容易导致结构破裂。然而，实际现象表明窄内圈在同等极限载荷下并未发生破裂，显然单纯以等效应力数值来判定轴承破裂失效并不合理，需要辅以主应力的分布进一步判断。
4.3范成机床修整器使用
在机床工作时，如果砂轮出现的磨损较为严重时，可使用修整器对砂轮进行修整，通常利用金刚笔单点插补修整，其从C点至E点为直线修整，而从E点至D点则为插补修整，通过对砂轮的修整后，可通过机床内E点圆环面进行磨削工作，通过修整再磨削之后的工件表面通常呈现为均匀的花纹。对于砂轮修整的空间定位可使用伺服电动机做调节，并且伺服电动机有着空间定位记忆功能，其可使得机床工作时，完成对磨削的科学精确控制，因此使得关节轴承外球面的加工质量将变得更高。
4.4范成机床进给系统
范成机床其核心结构就是进给系统，其使得机床的精度保持性和精度能够得到保证，该范成磨床使用十字交叉滚子导轨，其为机床精度持久性和定位精度打下了较好的基础，进给系统使用伺服电动机进行驱动，通过精密的滚珠丝杠和螺母使得工件拖板做前后运动，并且对修整器金刚笔修整位置和工件前后位置做控制；磨头拖板通过另一个伺服电动机带动做前后运动，最终实现了砂轮和工件的有效进给，使用双伺服电动机对拖板进行驱动，使得整个机床在进行工作时，其精度能达到较高水平。
对于其磨削效果的对比，主要是从以下两方面来看的：（1）粗糙度。范成磨削过程中，杯形砂轮对外球面做磨削，整个圆环均和砂轮做磨削，能够有效的弥补砂轮某处缺陷而导致的工件表面某部位特别粗糙的问题，并且采用树脂作为砂轮和工件之间的润滑剂，在工作过程中，磨粒脱粒更快，最终使得关节轴承外球面的粗糙度较小，通常在0.2μm以下，而传统的切入磨削其砂轮缺陷直接反应在工件表面，所以经过磨削之后的工件表面粗糙度Ra常常大于等于0.4μm。（2）制成的工件球形误差。数控范成机床采用自磨原理，其在工作时，砂轮本身质量对工件影响不大，不管砂轮具体尺寸及表面形状，经过加工最后工件表面形状肯定为圆形，其球形误差通常要比2μm要小，而传统使用的切入磨削其砂轮质量对工件质量影响极大，因此工件质量的好坏和砂轮表面质量有直接关系，通常情况下，其球形误差要超过4μm。
5结束语
总之，在当前各种条件下，关节轴承装配及加工误差分析工作实践中依旧存在着多方面的问题，我们应该从这些问题的实际情况出发，深刻分析其产生的多方面原因，统筹并进，多措并举，克服该项工作中的诸多难点问题，进而获得最为优化可行的实施策略与效果。
参考文献
[1]张学政，李家枢.金属工艺学实习教材（第三版）[M].北京：高等教育出版社.2016（21）：88-89.
[2]许香谷，肖诗纲.金属切削原理与刀具[M].重庆：重庆大学出版社，2006.
[3]刘舜尧，李燕，邓曦明.制造工作工艺基础[M].长沙：中南大学出版社，2002.
[关键词]关节轴承；装配；加工；误差
中图分类号：TH133.3；TG95 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）03-0130-01
1前言
在关节轴承的应用中，其装配及加工误差分析是一项综合性较强的系统性工作，如何取得最为理想的效果，保证顺利进行，备受业内人士关注。本文从实际出发，结合相关先进理念，对该课题进行了深入研究，阐述了个人的几点认识。
2概述
关节轴承在轴承座孔中的安装与固定一般采用过盈装配，过盈联接具有承载能力强、定心性好、结构简单等特点，广泛应用于农业机械、航空航天、矿山冶金、印刷、纺织、汽车、船舶等领域。关节轴承的装配质量是保证关节轴承工作的一项重要指标，良好的装配质量可以合理地分布接触应力，提高轴承的疲劳寿命，使轴承性能达到最大优化。影响关节轴承装配质量的因素是多方面的，过盈量、表面质量、形状误差等都影响着关节轴承的装配质量，进而影响其使用寿命，因此研究这些因素对装配质量的影响至关重要。在轴承座孔涂密封剂或润滑脂，使用专用的压装工具进行关节轴承的压装，保证压装力平行于轴承座孔轴线，仅施加在关节轴承外圈端面而不施加在轴承的内圈上，缓慢均匀施加压装力将关节轴承压入轴承座孔。对于单面收口固定的关节轴承，安装时应将轴承压到轴承座孔底，使关节轴承与轴承座孔之间在轴向无间隙；对于双面收口固定的轴承，安装时应将轴承压到孔中间。
3轴承径向承载试验
根据AS81820D标准对轴承进行径向极限承载试验时，往往会遇到轴承破裂失效的问题，即试验施加的载荷尚未达到理论计算的极限载荷值，内圈端部外倒角便出现破裂现象，而且裂纹沿着轴向从外倒角向球面方向延伸。轴承径向加载试验示意见图2。为研究轴承宽内圈破裂失效的原因，取GEW12型轴承为例，其内圈材料为GCr15，热处理硬度为HRC56±2。设计2种内圈结构进行比较，见图3。观察2种内圈结构各自在极限径向承载时的破坏失效情况。窄内圈轴承在同批次宽内圈轴承中随意选取并将其台阶加工去除而获得，仅从结构角度验证破裂问题，排除其他因素的影响。试验根据AS81820D标准的要求开展，2种内圈的样品数量各为10个。试验设备采用CMT5105型电子式万能试验机，其径向极限载荷为140kN，加载速率为140kN/s。试验结果显示，在加载至120kN附近时，有7个宽内圈轴承出现内圈外倒角开裂现象，而窄内圈轴承在加载至140kN时全部完好无损。
4轴承内圈结构受力分析
针对上述现象，采用Abaqus对GEW12型轴承的径向承载试验进行建模分析。为减少模型的网格数量、缩短计算时间，根据模型对称性条件，几何模型的1/2进行分析；网格划分全部采用C3D8R六面体网格，同时对应力集中（如内孔倒角）处的网格尺寸进行局部加密，确保模型的计算精度。模型中各零部件的材料参数见表1。模型中对工装底座的底部端面施加固定约束，轴承所受的径向载荷设置在加载板顶部端面，数值为径向极限载荷的1/2，即140kN/2=70kN。
4.1内圈位移分布
宽内圈和窄内圈在相同径向极限载荷作用下的位移分布（放大20倍）见图4。从位移最大值和最小值的差来看，宽内圈的最大变形量为0.2452-0.1393=0.1059mm，而窄内圈则为0.2934-0.2251=0.0683mm，显然前者的变形程度大于后者。从变形趋势来看，轴承内圈内孔两端顶部区域的变形相比其他区域要大得多，特别是宽内圈的台阶部分有上翘的趋势。这是因为试验工装芯轴受压弯曲，所以造成轴承中间部位下陷而两端向上弯曲。从总体上来看，在相同结构尺寸情况下，宽内圈的结构刚度弱于窄内圈。
4.2内圈等效应力分布
根据有限元分析的计算结果，提取2种内圈的等效应力云图进行对比，观察内圈的应力集中情况。由图5a）可见，宽内圈在径向极限载荷的作用下，上半球部分的等效应力约为600MPa，两端台阶处的等效应力在1200MPa左右，说明台阶区域出现应力集中现象，总体显示该处等效应力比中间厚壁位置要大一倍，而且内孔倒圆角根部出现最大值1330MPa。图5b）显示窄内圈的应力集中在内孔上半边缘处的局部区域，而且内孔倒角根部出现最大等效应力值1479MPa，其余上半球承载区域应力水平约为500MPa。从应力集中程度上来看，窄内圈的等效应力最大值要高于宽内圈。这主要是因为在相同径向载荷作用下，窄内圈内孔承载面积比宽内圈小，所以造成倒角应力集中更加严重。
一般而言，等效应力数值越大，说明轴承内圈的应力集中越显著，更容易导致结构破裂。然而，实际现象表明窄内圈在同等极限载荷下并未发生破裂，显然单纯以等效应力数值来判定轴承破裂失效并不合理，需要辅以主应力的分布进一步判断。
4.3范成机床修整器使用
在机床工作时，如果砂轮出现的磨损较为严重时，可使用修整器对砂轮进行修整，通常利用金刚笔单点插补修整，其从C点至E点为直线修整，而从E点至D点则为插补修整，通过对砂轮的修整后，可通过机床内E点圆环面进行磨削工作，通过修整再磨削之后的工件表面通常呈现为均匀的花纹。对于砂轮修整的空间定位可使用伺服电动机做调节，并且伺服电动机有着空间定位记忆功能，其可使得机床工作时，完成对磨削的科学精确控制，因此使得关节轴承外球面的加工质量将变得更高。
4.4范成机床进给系统
范成机床其核心结构就是进给系统，其使得机床的精度保持性和精度能够得到保证，该范成磨床使用十字交叉滚子导轨，其为机床精度持久性和定位精度打下了较好的基础，进给系统使用伺服电动机进行驱动，通过精密的滚珠丝杠和螺母使得工件拖板做前后运动，并且对修整器金刚笔修整位置和工件前后位置做控制；磨头拖板通过另一个伺服电动机带动做前后运动，最终实现了砂轮和工件的有效进给，使用双伺服电动机对拖板进行驱动，使得整个机床在进行工作时，其精度能达到较高水平。
对于其磨削效果的对比，主要是从以下两方面来看的：（1）粗糙度。范成磨削过程中，杯形砂轮对外球面做磨削，整个圆环均和砂轮做磨削，能够有效的弥补砂轮某处缺陷而导致的工件表面某部位特别粗糙的问题，并且采用树脂作为砂轮和工件之间的润滑剂，在工作过程中，磨粒脱粒更快，最终使得关节轴承外球面的粗糙度较小，通常在0.2μm以下，而传统的切入磨削其砂轮缺陷直接反应在工件表面，所以经过磨削之后的工件表面粗糙度Ra常常大于等于0.4μm。（2）制成的工件球形误差。数控范成机床采用自磨原理，其在工作时，砂轮本身质量对工件影响不大，不管砂轮具体尺寸及表面形状，经过加工最后工件表面形状肯定为圆形，其球形误差通常要比2μm要小，而传统使用的切入磨削其砂轮质量对工件质量影响极大，因此工件质量的好坏和砂轮表面质量有直接关系，通常情况下，其球形误差要超过4μm。
5结束语
总之，在当前各种条件下，关节轴承装配及加工误差分析工作实践中依旧存在着多方面的问题，我们应该从这些问题的实际情况出发，深刻分析其产生的多方面原因，统筹并进，多措并举，克服该项工作中的诸多难点问题，进而获得最为优化可行的实施策略与效果。
参考文献
[1]张学政，李家枢.金属工艺学实习教材（第三版）[M].北京：高等教育出版社.2016（21）：88-89.
[2]许香谷，肖诗纲.金属切削原理与刀具[M].重庆：重庆大学出版社，2006.
[3]刘舜尧，李燕，邓曦明.制造工作工艺基础[M].长沙：中南大学出版社，2002.