曹崇崇，顧家銘，徐浩

(上海天安軸承有限公司，上海 201108)

接觸角是角接觸球軸承的關(guān)鍵參數(shù)，是衡量軸承性能的重要指標(biāo)。對(duì)于精密主軸用角接觸球軸承，特別是配對(duì)用軸承，其接觸角的大小及一致性將直接影響整個(gè)軸系的剛度、旋轉(zhuǎn)精度及使用壽命，所以接觸角測(cè)量的準(zhǔn)確性直接影響軸承的使用性能。

目前，國(guó)內(nèi)一般使用軸承接觸角測(cè)量?jī)x檢測(cè)軸承的接觸角，但由于沒(méi)有校準(zhǔn)規(guī)范，測(cè)量?jī)x沒(méi)有完善、統(tǒng)一的校準(zhǔn)方法，導(dǎo)致無(wú)法確保接觸角的測(cè)量能溯源至國(guó)家基準(zhǔn)。因此，針對(duì)用于內(nèi)圈固定、外圈旋轉(zhuǎn)類型的接觸角測(cè)量?jī)x，提出了一種測(cè)量原理和校準(zhǔn)方法。

1 接觸角測(cè)量原理

接觸角的測(cè)量采用間接測(cè)量方式，被測(cè)軸承的放置如圖1所示，外圈旋轉(zhuǎn)內(nèi)圈保持靜止，此時(shí)被測(cè)軸承可作為一個(gè)行星輪系統(tǒng)看待。

圖1 軸承放置示意圖

圖2 測(cè)量原理

2 示值誤差的校準(zhǔn)方法

2.1 校準(zhǔn)環(huán)境及標(biāo)準(zhǔn)

環(huán)境條件：溫度(20±2)℃，相對(duì)濕度≤65%。

校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)：半角為15°，大端直徑為15.2 mm的圓錐體標(biāo)準(zhǔn)件如圖3所示，查該圓錐體標(biāo)準(zhǔn)件的檢定證書可知，其半角角度測(cè)量不確定度U95=11.2″，k=2。

圖3 圓錐體標(biāo)準(zhǔn)件

2.2 校準(zhǔn)過(guò)程

對(duì)接觸角測(cè)量?jī)x示值誤差進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，需將圓錐體標(biāo)準(zhǔn)件同與之配套的B7000C/P4軸承的外圈、鋼球和保持架組合在一起，如圖4所示。將圖4所示的組件置于CA-1型軸承接觸角測(cè)量?jī)x的軸承座上，并且用螺釘將標(biāo)準(zhǔn)件大端面壓緊，如圖5所示。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)件與軸承零件的組合

儀器的預(yù)置值使用實(shí)測(cè)值，即在萬(wàn)能測(cè)長(zhǎng)儀上測(cè)量外圈溝底直徑De，在立式光學(xué)計(jì)上測(cè)量1組鋼球的直徑Dw，鋼球預(yù)置值取該組鋼球的平均值，內(nèi)圈溝底直徑為

Di=De-2Dw-2(Re-Dw)(1-cosα0)，

式中：Re為外圈溝道半徑；α0為標(biāo)準(zhǔn)件的接觸角標(biāo)稱值。將上述數(shù)值預(yù)置于儀器中，精確到0.001 mm。

圖5 軸承固定在軸承座內(nèi)

最后，根據(jù)儀器說(shuō)明書設(shè)定軸承外圈轉(zhuǎn)速為60 r/min、采樣時(shí)間為15 s，根據(jù)被測(cè)軸承的型號(hào)設(shè)定加載力為19.8 N并開始測(cè)量，儀器讀數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)件的角度差值即為儀器示值誤差。

2.3 示值誤差

儀器的示值誤差與儀器角度值讀數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)件的角度標(biāo)稱值有以下關(guān)系

e=Lm-Ls，

式中：e為儀器示值誤差；Lm為儀器角度值讀數(shù)；Ls為標(biāo)準(zhǔn)件的角度標(biāo)稱值。

靈敏系數(shù)為

3 標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量的評(píng)定

影響標(biāo)準(zhǔn)件接觸角測(cè)量值的不確定度來(lái)源主要有：重復(fù)性測(cè)量帶來(lái)的不確定度分量u(Lm)1；安裝誤差帶來(lái)的不確定度分量u(Lm)2；標(biāo)準(zhǔn)件引入的不確定度分量u(Ls)。

3.1 重復(fù)性測(cè)量帶來(lái)的不確定度分量u(Lm)1

對(duì)角度標(biāo)稱值為15°04′的標(biāo)準(zhǔn)件重復(fù)測(cè)試10次，以A類不確定度評(píng)定，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 標(biāo)準(zhǔn)件的重復(fù)測(cè)試結(jié)果

標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

u(Lm)1=s(Lm)=0.12°。

3.2 安裝誤差帶來(lái)的不確定度分量u(Lm)2

對(duì)內(nèi)圈為標(biāo)準(zhǔn)件的軸承重復(fù)安裝5次，每次安裝測(cè)量10次取平均值，以A類不確定度評(píng)定，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 標(biāo)準(zhǔn)件重復(fù)安裝后的測(cè)試結(jié)果

標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

u(Lm)1=s(Lm)=0.07°。

3.3 標(biāo)準(zhǔn)件引入的不確定度分量u(Ls)

以B類不確定度評(píng)定，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)件測(cè)量有:U95=11.2″,k=2，則

4 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定及擴(kuò)展不確定度評(píng)定

4.1 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定

u(Ls)=0.002°。

由于測(cè)量誤差與標(biāo)準(zhǔn)件自身的誤差相互獨(dú)立，故u(Lm)與u(Ls)不相關(guān)，因此

4.2 擴(kuò)展不確定度的評(píng)定

取置信概率為95%，查表得k=2,則

U95=uc(e)×2=0.28°。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)軸承接觸角測(cè)量?jī)x示值誤差的校準(zhǔn)結(jié)果不確定度分析可知：影響軸承接觸角測(cè)量?jī)x示值結(jié)果的主要因素為測(cè)量的重復(fù)性和安裝誤差。因此，在校準(zhǔn)軸承接觸角測(cè)量?jī)x示值誤差時(shí)，應(yīng)小心仔細(xì)地安裝被測(cè)軸承，使之與軸承座貼合，以減小安裝誤差對(duì)校準(zhǔn)結(jié)果的影響；另外，測(cè)量時(shí)可取多次測(cè)量的平均值，以減小重復(fù)性測(cè)量對(duì)校準(zhǔn)結(jié)果的影響。