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1、特殊用途大尺寸薄壁轴承的设计及加工分析陈磊 ,宋浩岚(洛阳轴承研究所 ,河南 洛阳 471039)摘要 :介绍高精度大尺寸薄壁轴承材料 、结构及内部参数设计 ; 保持架材料 、加工 、测试及相关工艺 ; 冷热加工及检验测试技术等 , 进行优化设计 , 对不同的设计参数和结果加以比较选择 , 最终确定最佳设计方案 。关键词 :薄壁轴承 ; 大型轴承 ; 保持架 ; 材料 ; 工艺中图分类号 :TH133. 33文献标识码 :B文章编号 :1000 - 3762 (2003) 10 - 0004 - 03根据用户要求 , 需要研制开发一种高精度大尺寸薄壁灵敏轴承 , 该轴承的外部装配尺寸为260
2、mm 310 mm 20 mm。主要要求为 :单套轴承 的质量要求不能超过 2 . 75 kg ; 整体精度达到 P4级 ,其中旋转精度 ( S i a , Ki a ) 不大于 0. 005 mm ( 达 到 P2 级) ; 此外 , 在 450 N 轴向载荷作用下启动摩 擦力矩小于 200 Nmm , 且摩擦力矩要均匀 , 测量值波动范围不能超过 30 % ; 在 500 N 轴向载荷作 用下 , 变形总量小于 0. 008 mm ; 在 1 500 N 轴向载荷作用下 , 变形总量小于 0. 015 mm 。另外 , 轴承还需要在恶劣的使用环境下经受各项测试 , 如高 低温 ( - 40
3、 50 ) 、潮 湿 ( 相 对 湿 度 93 % 98 %) 、振动冲击 ( 轴向 40 g , 径向 20 g) 等环境条 件 。通常 , 大尺寸薄壁轴承的制造主要依赖于高 精度的加工设备和较高的工艺水平 。但是 , 如果轴承在使用中有多项性能指标要求 , 那么从设计理论上讲这几方面的要求往往会存在一定相互制 约的关系 。尤其对轴承有质量限制时 , 就会在一 定程度上加剧现有的矛盾 。因此 , 无论是材料的 选取 、内部参数的设计 , 还是滚动体尺寸和数量的选择等都应对上述存在的问题进行充分地考虑 。轴承的润滑性能及保持架的加工工艺性 , 保持架材料采用以聚酰亚胺 ( PI) 为基体 ,
4、聚四氟乙稀 ( F4) 和二硫化钼 (MoS2 ) 为润滑添加剂的复合材 料 。轴承工作时以承受轴向冲击载荷及线过载为 主 , 所以选择角接触球轴承作为轴承的基本结构 型式 。1 . 2 轴承内部参数的设计分析根据前文所述的产品技术要求可知 , 轴承的 摩擦力矩和刚度是两项主要的性能指标 , 要求同时满足 。实际上这是一个多目标函数的优化设计 。而在设计过程中要使两项指标同时达到最优 是很困难的 , 需要在两项目标的最优值之间进行 协调 , 以便求得对于两项目标都比较好的方案 , 而 且这种最优解很可能不是唯一的 。因此 , 在轴承 设计分析过程中 , 对包括滚动体尺寸 、滚动体数量 和沟曲率
5、半径系数在内的基本结构参数如何进行 选择确定 , 应着重考虑这些参数的变化对产品性 能方面所产生的不同影响 。1 . 2. 1 方案一 :采用常规设计按照常规设计计算 , 钢球的直径 Dw = 15. 875 mm , 数量 Z = 49 , 沟曲率半径系数 f i 、f e 在 0. 5150. 535 之间取值。该方案的优点在于正常情况 下轴承可以获得较大的载荷容量 , 耐振动冲击性能好 , 相应地刚性也较好 。但是轴承的摩擦力矩 可能较大 , 另外 , 按此方案轴承套圈的沟底壁厚还不到 5 mm , 这可能会影响到轴承的刚性及加工的 工艺性 。而且 , 由于保持架也相对较窄 , 兜孔侧壁
6、厚度仅为 1. 5 mm 左右 , 这样对保持架的强度和加 工工艺性都是很不利的 。1 . 2. 2 方案二 :采用小尺寸钢球可 以 减 小 滚 动 体 尺 寸 , 采 用 直 径 Dw =11 . 112 5mm 的钢球 , 此时钢球数量 Z = 68 , 沟曲1 结构及内部参数的设计分析1. 1轴承材料及结构的选择因为轴承要在相对湿度为 93 % 98 % 的环 境条件下工作 , 所以 , 应选择不锈钢类材料 , 确定采用9 Cr18不锈钢作为套圈及钢球材料 ; 考虑到收稿日期 :2002 - 12 - 06作者简介 : 陈磊 , 男 , 洛阳轴研科技股份有限公司特种 轴承开发部高级工程师
7、 。陈 磊等 :特殊用途大尺寸薄壁轴承的设计及加工分析5 率半径系数 f i 、f e 可在 0. 525 0. 545 之间取值 。采用该方案可以减小轴承的摩擦力矩 , 既能增加 轴承套圈的沟底壁厚 ( 大约为 6. 5 mm) , 又可以增 加保持架兜孔侧壁厚度 ( 大约为 3 . 5 mm) 。从单方面来看 , 壁厚的增加可以增强套圈和保持架的刚度及强度 , 并改善零件加工时的工艺性能 。球 数的增加也可以提高轴承的承载能力和刚度 ; 但 是由于钢球直径尺寸的减小及沟曲率半径系数的增大 , 会影响到轴承的承载能力和刚度 , 而且球数 增加会导致保持架过梁尺寸减小 , 从而使保持架 的过梁
8、强度降低 。1. 2. 3方案三 :采用小尺寸钢球并减少钢球数量 采用小尺寸钢球的同时 , 还可以把按常规计算的 滚 动 体 数 量 减 少 。同 样 采 用 直 径 Dw =11 . 112 5 mm 的钢球 , 此时钢球数量 Z = 46 , 沟曲 率半径系数 f i 、f e 仍在 0. 525 0. 545 之间取值 。 该方案同方案二相比 , 进一步减小了轴承的摩擦力矩 , 增加了轴承套圈的沟底壁厚及保持架兜孔 的侧壁厚度 , 同时还能够增加保持架的过梁尺寸 ,进一步增强保持架的强度 。但由于钢球数量的减 少 , 会降低轴承的刚度和承载能力 。除定性分析外 , 需分别对上述不同方案中
9、轴 承的摩擦力矩和刚度进行定量的理论计算和分 析 。因为产品要求的是启动摩擦力矩 , 所以在验算该项指标时 , 并没有采用帕姆格林所提出的计算公式 , 而是采用了较简单的近似公式 。根据经 验 , 该近似公式用于验算启动摩擦力矩还是比较可靠的 。不足之处在于式中未能包含轴承内部的主要结构参数 , 无法进行优化 。 摩擦力矩近似计算公式为用了方案三 。但根据试制产品的测试结果 , 确实反映出轴承的刚度相对较低 。因此 , 有关研究人 员认为应当在方案三的基础上加以改进 , 适当增 加钢球的数量来提高轴承的刚度 。这说明针对同 一项指标的变化而言 , 具体何种因素所起的作用更大 , 以及某一参数的
10、改变 , 对哪一项性能指标的 影响更为显著 , 必需做综合的计算 、分析 、对比和 论证 , 最终还应经过试验检验才能确定 。上述三 种方案均未提及保持架的厚度 。对于保持架而 言 , 其厚度尺寸非常关键 , 很大程度上决定着保持架的强度 、机械加工性能及测试性能 。该轴承保 持架的厚度尺寸为 6 mm 左右 , 保持架的中心径大 约为 285 mm , 因此 , 保持架的相对厚度是非常薄 的 , 能否满足其强度要求和加工工艺需要 , 主要取 决于所使用保持架材料的综合性能 。2 保持架材料、加工及测试2 . 1 材料的性能要求及配方根据轴承的技术要求及保持架的结构 , 所选 保持架材料的性能
11、应当着重满足两点 : ( 1) 较高的机械强度 , 满足加工及使用要求 。(2) 较低的摩擦系数和磨损率 , 减小摩擦力矩及满足使用要求 。 聚酰亚胺作为特殊高分子材料 , 具有良好的 机械强度 、高的耐温性和耐老化性 , 适用于高强度 结构件 ; 聚四氟乙稀是所有塑料中摩擦系数最低的材料 , 其耐温范围 - 253250 , 因其摩擦系数 小 , 性能稳定 , 易在相对摩擦表面上形成自润滑转 移层而起到减摩作用 , 因此早已广泛使用 ; 二硫化 钼作为固体润滑剂 , 广泛应用于减摩领域 , 其特有 的层状结构使它的摩擦系数小 , 易于转移 , 可用于较宽的温度范围 , 并且有助于聚四氟乙稀在
12、相对 摩擦表面上转移 。根据以往对类似复配材料所作 的研究表明 , 这种组合具有较好的综合性能 。通常情况下 , 材料配方比例是按重量百分比 计算 , 可以有多种选择 。比如 : 80 %PI + 15 %F4+ 5 %MoS2 ; 85 %PI + 10 %F4 + 5 %MoS2 ; 85 %PI + 5 %F4 + 10 %MoS2 等 。选用何种配方比例需 视轴承的工作条件而定 , 且无论是何种方案 , 都必 须通过成型试验及性能评价 , 根据性能评价结果 才能确定最佳材料配方 。本项目采用方案 。2 . 2 材料成型及加工聚酰亚胺复合材料是采用热压成型方法制成 管材 , 然后设计制造
13、专用加工模具 , 在高温烧结炉 内加温并保温一定时间 , 再利用压力机使之加压M = 1 d F2轴承的摩擦系数 轴承内径轴承所受载荷 , 对于向心轴承指径向载荷 , 对于推力轴承指轴向载荷式中dF变形与载荷关系计算公式为0. 000 44 F2/ 3aa =Z2/ 3 D1/ 35/ 3sinb式中轴承所承受的轴向载荷滚动体数量 滚动体直径 接触角名义值F a Z Db根据理论计算及对比 , 在实际研制过程中采 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/6
14、轴承2003. . 10成型 。在制备过程中应注意的主要问题是 :保温时间不能过长 , 防止有机高分子材料长期处于熔 点温度以上而发生急剧老化 , 导致强度降低 , 甚至 丧失 。因为强度足够与否是这种薄壁保持架加工 的关键 。具体保温时间应依制品的厚度而定 。保持架成型后还需时效处理 , 以消除内应力 , 确保其 尺寸稳定 。对于尺寸较大 、相对壁厚较薄且强度有限的 非金属材料保持架 , 在加工过程中必须使保持架 各部分均匀受力 , 尽可能防止出现加工椭圆 ; 其次 , 要防止由于加工面处摩擦产生的热量积存在 刀尖与工件之间而导致塑料表面熔化; 此外 , 还要 考虑到由于保持架材料的热膨胀系
15、数较大 ( 是一般金属材料的 45 倍) , 从而可能导致的由于温 度变化而对保持架成品尺寸产生的影响 。专用工装 。磨加工工艺主要应针对如何消除磨削应力及 减小变形 。比如说 , 由于轴承的内圈有锁口 , 从而 造成内圈的两面壁厚不同 。因此内圈在淬火过程 中的变形 , 两面是不同的 , 因而在磨削过程中就会 产生不均衡的变形 ; 另外 , 在最终加工锁口高度 时 , 如果斜坡的斜角过大 , 那么斜度的磨削量也可 能会使 轴 承 产 生 变 形 。而 在 轴 承 的 旋 转 精 度 ( S ia , Kia) 指标要求很高的情况下 , 这一点变形就 可能造成内圈的椭圆超差 。针对这种情况 ,
16、 可以采用两次或两次以上的 消除磨削应力的补充回火 , 并采取控制磨削进给 量和反复加工的工艺顺序 , 逐步去除加工余量 , 提 高零件的加工精度 , 以保证轴承的尺寸稳定性和 精度稳定性 。另外 , 为减小磨斜坡时的磨削量 , 可 以尝试减小斜坡角度 , 从而减小磨削量以尽量避 免由于两面壁厚不同可能造成的变形 。而且减小 斜坡角度 , 也会使锁口处的尖角减小 , 这对成套轴 承合套时保护钢球也很有好处 。3 薄壁轴承冷热加工分析3. 1 热加工工艺在对以 9Cr18 不锈钢为材料的大尺寸薄壁轴 承套圈的热加工过程中 , 关键问题是如何防止在锻造过程中材料产生孪晶 , 因为材料中一旦形成 孪
17、晶 , 将会严重影响轴承的耐振动冲击性能 。其 次是如何防止在淬火过程中工件产生变形 , 发生 大的椭圆 、锥度和端面翘曲 。一般来说 , 在锻造过程中 , 为确保轴承内部质量 , 必须确定合适的始锻温度 、高温保温时间及冷 却速度 。对于此类大尺寸薄壁不锈钢轴承套圈 , 可以在首道和末道锻造工序时 , 加大锻造比 , 均匀 变形程度 , 细化组织 ; 同时 , 加热速度要快 , 尽可能 缩短每道变形工序高温下的保温时间 , 以避免在 长时间高温下 , 晶粒长大严重 , 锻件冷却碳化物析 出时形成孪晶 。为防止热处理过程中变形较大 , 在淬火时 , 应当使用热模夹具来减小热处理变形 。3. 2
18、 冷加工工艺对于薄壁轴承套圈 , 尽管可以在淬火过程中 使用模具来减小热处理变形 , 但如果在车加工过程中采用常规的加工方法 , 就很容易产生车削应 力 , 而切削应力大 , 就会造成热处理变形大 。另 外 , 车加工质量的好坏 , 还直接影响着磨削加工的 质量和效率 。因此在车制大尺寸薄壁轴承套圈 时 , 可以根据轴承套圈的特点 , 采用反复加工 , 并在工序中增加去应力退火 , 以减小车削应力 。另 外 , 为保证加工精度 , 各工序都应当在加工中使用( 编辑 :张葵)2003 中国国际机械基础件展览会最新展期定于本年十二月中上海举行原定于 2003 年 6 月 3 日至 6 日在上海国际
19、 展览中心及上海世贸商城举行的 2003 中国国际 机械基础件展览会 (Machine Components 2003) 已 定于 12 月 14 日至 17 日假座上海光大会展中心 盛大举行 。2003 中国国际机械基础件展览会由中国轴 承工业协会 、中国机械通用零部件工业协会 、中国 机械基础件成套技术公司及工商业展览有限公司联合主办 ,旗下包括两大专题盛会2003 中国国际轴承及其专用装备展览会 (Bearing 2003) 及2003 中国国际机械通用零部件及专用装备展览 会 (Machine Parts 2003) 。2003 中国国际机械通用零部件展设有两个专题 ,分别为 2003 中国国际紧 固件及其专用装备展览会 ( Fastener China 2003) 及2003 中国国际齿轮传动 、制造技术及装备展览会( Gear China 2003) 。 有关参展事宜请与工商业展览有限公司北京办事处联系 ,电话 : (86 10) 68361189 、68351029 。 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/