整形方式對卷制滑動軸承精度特性的影響

徐偉，馬少波，蔣秀凡，焦明華

(1.合肥波林新材料有限公司，合肥 230031；2.合肥工業(yè)大學(xué) 摩擦學(xué)研究所，合肥 230009)

1 引言

卷制滑動軸承通常采用覆有減摩改性塑料層的三層復(fù)合自潤滑材料或者鋼-銅合金雙金屬等復(fù)合材料板材卷制成形，具有優(yōu)秀的使用性能和良好的性價比，在各種機械結(jié)構(gòu)中不斷得到推廣應(yīng)用[1-2]。為了生產(chǎn)出用在高壓齒輪泵上的高精度三層復(fù)合材料卷制滑動軸承(圖1)，對其制造過程進行了深入研究，實踐表明影響軸承精度的因素除了板材、模具之外，整形是提高卷制滑動軸承幾何和形位精度的主要手段。在此通過幾種整形方式的探討分析，希望最終優(yōu)化一種能獲得較高軸承幾何精度的整形方法。

圖1 高壓齒輪泵用高精度卷制滑動軸承

2 整形工藝分析

對卷制滑動軸承的整形實質(zhì)就是冷擠壓變形，擠壓力的大小與模具的形狀及加壓面積，坯料在擠壓條件下的力學(xué)性能、變形程度，潤滑效果等因素有關(guān)[3]。擠壓產(chǎn)生的塑性變形使軸承坯料形狀發(fā)生改變，不同的整形方式對坯料產(chǎn)生的塑性變形不同，坯料的形狀改變亦存在差別，從而直接導(dǎo)致軸承精度差異。

卷制滑動軸承的主要工藝流程為：板材→校平→落料→圈圓→整形→后加工→檢驗→包裝。在其他條件相同的情況下，分別對3種整形方式進行整形效果的對比分析。這3種整形方式分別為外箍內(nèi)脹式整形，內(nèi)、外圓同時推入式整形，內(nèi)撐外箍貫穿式整形。

2.1 外箍內(nèi)脹式整形

外箍(靜)內(nèi)脹(動)式整形是一種常規(guī)的通用整形方式(圖2)，分3個步驟完成：(1)送料，用凸模把已圈圓的軸承坯件送到凹模腔中；(2)整形，軸承坯在凹模腔中保持不動，采用整形芯棒從上至下擠壓并穿過軸承內(nèi)孔進行整形；(3)脫模，再次用凸模將軸承推出凹模，完成整形過程。

圖2 外箍內(nèi)脹式整形

在送料和脫模過程中，凸模芯棒部分的直徑略小于軸承內(nèi)孔的理論尺寸，主要起導(dǎo)向作用，軸承坯受到的擠壓力很小。而整形芯棒的直徑略大于軸承內(nèi)孔尺寸，整形時軸承外表面在凹模腔中保持不動，整形余量主要集中在內(nèi)孔表面，當整形芯棒從上至下擠壓軸承坯內(nèi)孔時，強迫使其發(fā)生塑性變形，使其圓度等相關(guān)精度得到提高。該整形方式一般用于手動模整形工藝，其優(yōu)點在于不需專用工裝，模具制作也相對簡單。

2.2 內(nèi)、外圓同時推入式整形

內(nèi)、外圓同時推入式整形分2個步驟進行(圖3)：(1)送料并整形，上凸模下壓，把軸承坯推入芯棒與凹模之間的模腔，同時利用軸承壁厚的過盈進行施壓整形，直至軸承坯全部進入模具整形帶后停止繼續(xù)向下運動；(2)上凸?；爻蹋瑫r下凸模向上運動把軸承胚頂出模腔，完成整形過程。

圖3 內(nèi)、外圓同時推入式整形

在內(nèi)、外圓同時推入的整形過程中，凹模與芯棒之間的模腔間隙是固定的，軸承坯在上凸模的作用下向下運動，軸承坯內(nèi)、外圓表面同時受到凹模和芯棒的擠壓，使軸承坯的整形余量分布在內(nèi)孔和外圓2個表面，當軸承坯全部進入模腔后，整形效果也同時產(chǎn)生。采用該整形方式將凹模與芯棒安裝在專用模架上，可用于半自動或自動整形。該整形方式也具備較高的生產(chǎn)效率，但整形摩擦力較大。

2.3 內(nèi)撐外箍貫穿式整形

內(nèi)撐(靜)外箍(動)貫穿式整形與外箍內(nèi)脹式整形正好相反，整形過程中軸承的內(nèi)孔表面與凸模芯棒不發(fā)生相對運動，而軸承外圓表面在凹模腔中滑動，并且送料、整形和脫模一步到位。如圖4所示，在整形過程中，凸模芯棒首先導(dǎo)入軸承坯內(nèi)孔，并繼續(xù)下壓把軸承坯推入芯棒與凹模之間的模腔，對軸承坯施壓整形，同時凸模一直向下運動把軸承頂出模腔，完成整形過程。

圖4 內(nèi)撐外箍貫穿式整形

該整形方式可將凸模與凹模安裝在專用模架上，實現(xiàn)半自動或自動整形，整形操作簡單、生產(chǎn)效率高。而整形時凸模推動軸承坯自上而下貫穿凹模，使軸承坯的變形集中在外圓表面，避免了軸承內(nèi)孔滑動表面的損傷。

3 整形結(jié)果討論

3.1 整形方式對軸承精度的影響

由于卷制滑動軸承在自由狀態(tài)下有一定的彈性變形，需要專門制作的測量環(huán)規(guī)進行幾何精度檢測。測量時將軸承壓入環(huán)規(guī)內(nèi)，用內(nèi)徑千分表測量內(nèi)孔尺寸精度和圓柱度；再壓入專用芯軸，夾持到偏擺儀上用千分表檢測軸承的同軸度和跳動精度。對3種整形方式獲得的軸承樣件進行內(nèi)孔表面幾何和形位精度檢測，測量結(jié)果見表1。

表1 3種整形方式下軸承精度檢測結(jié)果 mm

從表1的檢測數(shù)據(jù)可知，采用外箍內(nèi)脹的整形方式加工的軸承幾何和形位精度較差，主要原因在于芯棒與凹模位置不固定，芯棒下穿時容易偏擺游動，致使軸承整體精度下降。相對而言，內(nèi)、外圓同時推入式整形可以明顯提高軸承的幾何和形位精度，但缺陷在于整形過程中軸承的內(nèi)、外壁同時產(chǎn)生滑動摩擦和擠壓剪切變形，需要的整形力較大；而且在整形過程中模具的磨損以及整形材料表面的損傷也可能相對較大。而內(nèi)撐外箍的整形方式可以獲得最好的幾何和形位精度。與另外2種整形方式相比，內(nèi)撐外箍式整形軸承的圓柱度可提高2～4倍，同軸度可提高1～2倍。這種整形方式能夠使軸承獲得較高的精度，首先在于凸模與凹模模腔的高精度配合，整形時模具不容易發(fā)生游動或偏擺，整形模腔間隙保持均勻，能夠?qū)S承壁厚進行整定；再者在于整形時芯棒與軸承內(nèi)孔無相對運動，芯棒磨損甚微,且不易損傷軸承內(nèi)孔滑動表面復(fù)合層，因此通過提高芯棒的制造精度可以很好地控制軸承內(nèi)孔的精度，由此保證良好的整形效果。

3.2 整形方式對軸承工作表面變形的影響

卷制滑動軸承在整形時不僅要承受擠壓應(yīng)力，而且當內(nèi)、外圓表面與整形模具有相對運動時還會產(chǎn)生摩擦剪切應(yīng)力，并影響到軸承表面結(jié)構(gòu)形態(tài)。圖5～圖8分別給出了整形前、后卷制滑動軸承橫截面的金相照片，可以看出，經(jīng)過整形的卷制滑動軸承靠近內(nèi)表面的中間層銅粉形狀都發(fā)生了不同程度的畸變。其中采用外箍內(nèi)脹和內(nèi)、外圓同時推入式整形的卷制滑動軸承，靠近內(nèi)表面的中間層銅粉在擠壓和剪切應(yīng)力的協(xié)同作用下，由近似球形的原始形態(tài)變成了不規(guī)則的扁平形狀，密實地靠在一起(圖6、圖7)；而采用內(nèi)撐外箍貫穿式整形的卷制滑動軸承仍保持著相對較好的結(jié)構(gòu)形態(tài)(圖8)。

圖5 整形前卷制滑動軸承內(nèi)層截面

圖6 外箍內(nèi)脹式整形后軸承內(nèi)層截面

圖7 內(nèi)、外同時推入式整形后軸承內(nèi)層截面

圖8 內(nèi)撐外箍貫穿式整形后軸承內(nèi)層截面

對于三層自潤滑復(fù)合材料，多孔隙的銅粉中間層不僅是承受軸承載荷的主體，也是嵌合保持表層自潤滑材料附著性的載體[4]，因此，卷制滑動軸承制作過程中銅粉中間層的變形情況對于軸承的使用性能都有著重大影響。綜合比較表明，采用內(nèi)撐外箍貫穿式整形加工的卷制滑動軸承不僅能夠獲得理想的幾何精度，而且對于維持銅粉層的孔隙率，保證表面自潤滑材料的嵌合性和改善其使用性能也有良好的促進作用。

4 結(jié)束語

采用內(nèi)撐外箍式整形時軸承的內(nèi)孔表面與芯棒不發(fā)生相對運動，凸模芯棒推動軸承坯自上而下貫穿凹模，送料、整形和脫模一步到位，不僅操作簡單、生產(chǎn)效率高，而且可避免軸承內(nèi)孔滑動表面的過度變形和損傷，對于改善表面自潤滑材料的附著性，提高卷制滑動軸承的綜合使用性能有著良好的促進作用。與傳統(tǒng)的外箍內(nèi)脹式整形相比，采用內(nèi)撐外箍式整形可以使卷制滑動軸承的圓柱度提高2～4倍，同軸度提高1～2倍，滿足了一般精密滑動軸承的使用要求。