Технология и оборудование крепления защитных шайб подшипников с помощью точечной лазерной сварки

СФ ФИАН

Самарский филиал Федерального государственного бюджетного учреждения науки Физического института им. П.Н. Лебедева Российской академии наук

		В последние годы значительно возрос спрос на закрытые подшипники, в которых при одноразовой закладке смазки тела качения и поверхность желоба защищается специальными шайбами. Металлические защитные шайбы крепятся к наружному кольцу подшипника с двух сторон механически: развальцовкой или с помощью пружинного стопорного кольца, фиксирующегося в специальной кольцевой проточке в наружном кольце, рис.1а. Первый способ неприменим для подшипников высоких классов точности, т.к. сопряжен с деформацией наружного кольца. В производстве приборных подшипников наиболее широко используется второй способ. Однако и этот способ не обеспечивает необходимых требований по параметру отклонения от круглости наружной цилиндрической поверхности подшипников высших классов точности (2 и 4).
		Рис.1. Крепление защитной шайбы: а - пружинным стопорным кольцом, б - точечной лазерной сваркой: 1 - наружное кольцо подшипника, 2 - посадочная проточка, 3 - стопорное кольцо, 4 - сфокусированное лазерное излучение, 5 - тело сварного соединения, 6 - защитная шайба, 7 - внутреннее кольцо подшипника.	На основе исследовательских и опытно-конструкторских работ, проведенных в CФ ФИАН, был предложен новый способ крепления защитных шайб, заключающийся в том, что защитная шайба крепится к наружному кольцу подшипника с помощью импульсной лазерной сварки в нескольких точках, симметрично расположенных по наружной окружности шайбы. На основе анализа экспериментальных данных было установлено, что на наружное кольцо подшипника действуют сжимающие усилия со стороны приваренной защитной шайбы, приложенные в точках крепления и направленные к центру кольца вдоль линий, соединяющих отдельные точки сварки. Увеличение объема и количества точечных сварных соединений приводит к увеличению деформации кольца. С другой стороны, для обеспечения достаточно высокой прочности крепления количество точечных соединений должно быть больше определенного минимума. В результате проведенных исследований установлено, что оптимальное количество N точечных сварных соединений для приборных подшипников можно определить из соотношения: , где: h - толщина защитной шайбы в мм, D - наружный диаметр подшипника в мм. Для наиболее массовых типов приборных подшипников оптимальным оказалось: N=6.Особенности лазерного излучения позволяют фокусировать его на площадке с очень малым поперечным размером: в рассматриваемом случае - 0,25-0,30 мм, обеспечивая этим высокую локальность и прецизионность процесса сварки, т.к. поперечный размер тела сварного соединения при толщине шайбы 0,12-0,15 мм составляет 0,3-0,4 мм. Благодаря тому, что размеры тела сварного соединения малы, остаточная деформация наружного кольца подшипника после сварки в среднем в 1,5 раза ниже, чем в случае использования стопорного кольца.
		Проведен комплекс исследований структуры и прочностных свойств сварных соединений, влияния концентрации никеля в расплаве и состава защитной атмосферы на статическую и усталостную прочность сварных соединений различных марок сталей, применяемых для изготовления колец подшипников и защитных шайб. Крепление защитной шайбы осуществляется за счет сквозного проплавления материала шайбы, уложенной в прямоугольную проточку (рис.1б). Операция крепления защитной шайбы может быть реализована как при последовательной сварке в каждой из точек в процессе непрерывного вращения подшипника вокруг своей оси в специальном электромеханическом приспособлении, так и одновременно во всех точках на неподвижном подшипнике с использованием оптической системы деления и фокусировки лазерного излучения. Производительность операции крепления защитной шайбы во втором случае значительно выше производительности традиционных механических способов. Предложенный способ предполагает упрощение конструкции подшипника: во-первых, из состава подшипника исключается пружинное стопорное кольцо, во-вторых, исключается необходимость выполнения в наружном кольце проточки сложного профиля. Это позволяет не только получить экономию за счет уменьшения трудоемкости изготовления деталей подшипника, но и уменьшить расход специального режущего инструмента. Кроме того, значительно более высокая жесткость неразъемного соединения сваркой позволяет исключить необходимость профилирования защитной шайбы и уменьшить ее толщину.
		Замена традиционных механических способов крепления защитных шайб подшипников на лазерную сварку обеспечивает следующие преимущества: значительное повышение точности подшипников после сборки за счет снижения среднего уровня деформации наружного кольца; упрощение конструкции подшипника; снижение трудоемкости изготовления деталей подшипника и его сборки, снижение расхода режущего инструмента; повышение статической и динамической прочности крепления защитных шайб; улучшение качества подшипника по параметру герметичности сборки. Благодаря перечисленным преимуществам разработанный способ крепления защитных шайб подшипников является предпочтительным как для подшипников высших классов точности, так и для подшипников массовых типов. На рис.2 показан общий вид полуавтоматической лазерной сварочной установки для сборки приборных подшипников. Локальность воздействия лазерного излучения и низкий уровень остаточной деформации позволили с помощью прецизионной лазерной сварки решить еще одну важную технологическую проблему: крепление защитных шайб миниатюрных подшипников легкой и сверхлегкой серий. До настоящего времени для этих типов подшипников всеми производителями, включая ведущие зарубежные фирмы, применяется механический способ крепления, заключающийся в фиксации защитной шайбы в наружном кольце за счет трения между пружинящей отбортовкой шайбы и стенкой наружного кольца.	Рис.2. Внешний вид полуавтоматической лазерной технологической установки для сварки защитных шайб подшипников.
		Контакты: Гусев А.А. gusev_aa@fian.smr.ru Физический институт им. П.Н. Лебедева, Самарский филиал.