自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承精密擠壓合套技術(shù)

劉東雷，劉勝吉，費(fèi)鵬，蔡亞林

(1.江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.江蘇希西維軸承有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212009)

1 擠壓合套自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承特點(diǎn)

擠壓合套自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承由一個(gè)帶有外球面的內(nèi)圈和一個(gè)帶有內(nèi)球面的整體外圈及貼合在外圈內(nèi)表面的自潤(rùn)滑層組成，如圖1所示。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，承載力強(qiáng)，耐沖擊性好，在使用時(shí)無(wú)需補(bǔ)充潤(rùn)滑劑，與其他類型的關(guān)節(jié)軸承相比，因沒(méi)有開縫結(jié)構(gòu)，內(nèi)外圈不易分離，受力均勻，承載能力和可靠性更高，且運(yùn)行中不易損傷內(nèi)圈及自潤(rùn)滑層，自潤(rùn)滑性能高，所以廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械、水利設(shè)施、重載汽車、航空等設(shè)備中[1-3]。

圖1 擠壓合套自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承結(jié)構(gòu)

擠壓合套工藝是該類自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承的核心制造技術(shù)[4],是一種將軸承外圈通過(guò)塑性成形裝配到內(nèi)圈上的工藝。擠壓合套工藝方法與質(zhì)量水平直接關(guān)系到成品軸承的性能，擠壓工藝控制不當(dāng)，極易造成貼合在外圈內(nèi)表面的自潤(rùn)滑材料受壓而破損、甚至壓潰，還會(huì)產(chǎn)生內(nèi)外圈之間貼合度差、游隙不均、殘余應(yīng)力過(guò)大等問(wèn)題，從而降低產(chǎn)品的力學(xué)性能、可靠性與使用壽命等。我國(guó)自潤(rùn)滑軸承起步較晚，制造技術(shù)與工藝研究相對(duì)落后，開展具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的核心設(shè)計(jì)方法與制造工藝的研究，對(duì)提高我國(guó)自潤(rùn)滑軸承的制造水平至關(guān)重要[1,5]。

2 擠壓合套技術(shù)

由于技術(shù)保密，國(guó)內(nèi)外對(duì)擠壓合套自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承的研究報(bào)道較少，多集中在自潤(rùn)滑軸承摩擦磨損性能試驗(yàn)與自潤(rùn)滑材料機(jī)理上[6-8]，鮮有擠壓合套自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承擠壓合套工藝的文獻(xiàn)公布。文獻(xiàn)[9]提出了一種浮動(dòng)芯軸擠壓成形工藝；文獻(xiàn)[10]提出一種過(guò)盈芯軸球窩擠壓成形；文獻(xiàn)[11-12]提出了無(wú)內(nèi)圈作用模壓成形方法與旋壓成形工藝。傳統(tǒng)的擠壓合套成形工藝及設(shè)備落后，主要依據(jù)經(jīng)驗(yàn)與實(shí)物試驗(yàn)獲得成形工藝參數(shù)，單件質(zhì)量穩(wěn)定性和可靠性差異較大，自潤(rùn)滑層極易受壓損傷，且合套后外圈的內(nèi)球面形狀尺寸精度低，游隙不均，產(chǎn)品開發(fā)周期長(zhǎng)、費(fèi)用高，獲得高性能產(chǎn)品的難度大。

數(shù)字化精密成形技術(shù)的發(fā)展為擠壓合套工藝提供了新的方法和手段，通過(guò)數(shù)值分析優(yōu)化外圈毛坯、成形模具的結(jié)構(gòu)及尺寸參數(shù)，嚴(yán)格控制擠壓合套的各個(gè)環(huán)節(jié)，使外圈內(nèi)表面在不受內(nèi)圈劇烈擠壓作用的情況下逐漸接近一個(gè)理想尺寸的球面，可最大限度地減少成形工藝對(duì)自潤(rùn)滑層的損傷，確保游隙均勻，從而大大提高產(chǎn)品的壽命與可靠性。因此，基于數(shù)字化精密塑性成形技術(shù)，提出一種減少自潤(rùn)滑層損傷的無(wú)損擠壓合套自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承精密擠壓成形工藝方法，如圖2所示。

1—下凹模；2—外圈；3—浮動(dòng)芯軸；4—上凹模；5—內(nèi)圈；6—自潤(rùn)滑材料

成形過(guò)程：首先應(yīng)用數(shù)值分析設(shè)計(jì)出優(yōu)化的外圈坯料、擠壓模具尺寸及結(jié)構(gòu)，將自潤(rùn)滑層粘貼在已加工好的外圈坯料內(nèi)圓柱面上；然后將加工好的浮動(dòng)芯軸置于內(nèi)圈中，外圈毛坯套在內(nèi)圈外，將芯軸連同內(nèi)外圈置入下凹模內(nèi)；當(dāng)上、下凹模對(duì)合時(shí)，內(nèi)圈和外圈坯料分別由浮動(dòng)芯軸和凹模的內(nèi)錐面定位，外圈坯料與自潤(rùn)滑層緊緊包在內(nèi)圈上，當(dāng)作用在上、下凹模上的壓力卸去后，外圈坯料由于回彈產(chǎn)生游隙；最后對(duì)外圈坯料外表面進(jìn)行機(jī)加工。

3 無(wú)損傷精密擠壓成形關(guān)鍵技術(shù)

擠壓合套自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承無(wú)損傷精密成形工藝的關(guān)鍵是獲得精準(zhǔn)的外圈毛坯與擠壓模具尺寸、結(jié)構(gòu)參數(shù)及合理的擠壓成形過(guò)程，成形中避免外圈的彈塑性形變對(duì)自潤(rùn)滑層劇烈擠壓，確保成形后自潤(rùn)滑層不受損傷或者損傷最小，且得到符合游隙要求的產(chǎn)品，提高產(chǎn)品可靠性及使用壽命。基于體積不變?cè)?、包邊成形后與內(nèi)圈球面同心的設(shè)計(jì)原則，依據(jù)試驗(yàn)、數(shù)值分析與經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，提出了2種類型的自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承擠壓合套精密成形工藝方法。

3.1 外圈坯料圓環(huán)狀設(shè)計(jì)，全包式精密擠壓成形工藝

外圈坯料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為圓環(huán)狀，如圖3所示，擠壓模具型腔設(shè)計(jì)為圓弧面，上、下凹模保持一致，如圖4所示。采用一次或多次成形，成形中以內(nèi)圈端面限位，浮動(dòng)芯軸輔助定位，上下全包擠壓，利用成形后外圈回彈產(chǎn)生均勻游隙。該工藝設(shè)計(jì)的外圈與模具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，外圈沿產(chǎn)品對(duì)中性好，工藝操作性強(qiáng)，缺點(diǎn)是外圈及自潤(rùn)滑層變形量大，自潤(rùn)滑層在成形中所受應(yīng)力應(yīng)變較大。

圖3 圓環(huán)狀外圈

3.2 外圈坯料半邊圓弧設(shè)計(jì)，半包式精密擠壓成形工藝

外圈坯料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)半邊為圓環(huán)狀，半邊為圓弧狀，如圖5所示。擠壓模具上凹模型腔設(shè)計(jì)為圓弧面(同圖4)，下凹模設(shè)計(jì)為專用模具(圖6)。一次或多次成形，內(nèi)圈端面限位，浮動(dòng)芯軸輔助定位，半包成形，利用成形后外圈回彈產(chǎn)生均勻游隙。半包式工藝設(shè)計(jì)的外圈單邊形變量小，自潤(rùn)滑材料與內(nèi)圈貼合度好，缺點(diǎn)是非對(duì)稱外圈及模具結(jié)構(gòu)，產(chǎn)品對(duì)中性差。

圖4 擠壓模具型腔圓弧面結(jié)構(gòu)

圖5 半圓弧狀外圈

圖6 擠壓模具型腔圓錐面結(jié)構(gòu)

4 有限元分析

自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承外圈擠壓合套成形工藝屬于動(dòng)態(tài)的多體接觸問(wèn)題，外圈材料強(qiáng)度高、彈塑性變形復(fù)雜，成形后的內(nèi)球面尺寸與形狀精度要求高，經(jīng)驗(yàn)與試驗(yàn)方法無(wú)法獲得精準(zhǔn)可靠的模具結(jié)構(gòu)與工藝參數(shù)，需采用數(shù)值模擬分析方法。

以某型號(hào)擠壓合套自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承圓環(huán)狀外圈全包式工藝，擠壓模具型腔圓弧面結(jié)構(gòu)一次成形分析為例，通過(guò)對(duì)外圈裝配擠壓成形過(guò)程的有限元模擬，論述確定無(wú)損傷精密擠壓成形工藝關(guān)鍵參數(shù)的分析過(guò)程、分析方法與分析要點(diǎn)。

4.1 模型的建立與邊界條件設(shè)置

擠壓成形過(guò)程為多體接觸問(wèn)題，考慮到對(duì)稱性，取1/2 模型進(jìn)行計(jì)算，由于自潤(rùn)滑材料比較薄，成形前已經(jīng)與外圈粘結(jié)在一起，為簡(jiǎn)化模型將其與外圈作為一體分析；模具與內(nèi)圈的硬度相對(duì)外圈較高，且不是分析重點(diǎn)，將其作為剛體；外圈擠壓過(guò)程發(fā)生彈塑性變形；成形過(guò)程中，內(nèi)外圈同軸，外圈上下模具沿軸線同時(shí)上下動(dòng)作擠壓成形，以模擬實(shí)際的接觸情況。內(nèi)圈與上、下模具采用R3D4網(wǎng)格單元類型，外圈采用C3D8R網(wǎng)格單元，網(wǎng)格劃分如圖7所示。

圖7 有限元模型網(wǎng)格劃分

4.2 分析過(guò)程與結(jié)果

通過(guò)控制外圈上、下模具位移量施加載荷，以外圈成形模具底部端面擠壓至內(nèi)圈端面時(shí)為成形結(jié)束，而后分模。模擬分析成形過(guò)程中外圈(帶自潤(rùn)滑層，下同)應(yīng)力分布、分模回彈后外圈與內(nèi)圈球面貼合度及外圈殘余應(yīng)力；考察成形過(guò)程中自潤(rùn)滑層損傷程度、游隙均勻性及殘余應(yīng)力大小等關(guān)鍵性能指標(biāo)。

4.2.1 成形過(guò)程外圈應(yīng)力分布

成形過(guò)程中上、下凹模合模后，外圈所受應(yīng)力逐漸增大；成形結(jié)束時(shí)應(yīng)力達(dá)到最大值，應(yīng)力分布沿外圈兩端面向內(nèi)逐漸減小(圖8)，符合成形實(shí)際情況。擠壓合套過(guò)程產(chǎn)生的最大應(yīng)力約為799 MPa，位于外圈外圓面倒角處，對(duì)自潤(rùn)滑層沒(méi)有直接影響，自潤(rùn)滑材料所受應(yīng)力約為400～600 MPa，應(yīng)力分布比較均勻。

圖8 外圈成形結(jié)束時(shí)應(yīng)力分布

4.2.2 分模后外圈與內(nèi)圈外球面貼合度

貼合度越好，參與潤(rùn)滑的自潤(rùn)滑層面積越大，軸承的使用壽命越長(zhǎng)。以內(nèi)圈外球面與外圈游隙0.076 mm為貼合界限標(biāo)準(zhǔn)，游隙小于此值認(rèn)為貼合。分析表明，從內(nèi)圈端面起，端面沿軸線約3.4 mm以下內(nèi)、外圈可完全貼合，如圖9所示。

圖9 外圈與內(nèi)圈外球面貼合度分析

4.2.3 分模后外圈殘余應(yīng)力

上、下凹模分模后，外圈發(fā)生回彈，應(yīng)力得到相應(yīng)的釋放，但仍產(chǎn)生一定的殘余應(yīng)力。具有內(nèi)應(yīng)力的零件, 其內(nèi)部組織處于不穩(wěn)定狀態(tài)，有恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)的強(qiáng)烈傾向, 對(duì)零件的形狀和原有精度產(chǎn)生影響。分析表明，合套擠壓成形后，軸承外圈殘余應(yīng)力約為100～310 MPa，如圖10所示。

圖10 外圈殘余應(yīng)力分布

采用有限元方法進(jìn)行擠壓合套成形分析，可以全面、精準(zhǔn)地分析外圈成形工藝的整個(gè)過(guò)程。通過(guò)優(yōu)化外圈、模具結(jié)構(gòu)和工藝方式，可最大限度地減少對(duì)自潤(rùn)滑層的損傷，并為后續(xù)工藝提供可靠數(shù)據(jù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于精密塑性擠壓成形技術(shù)的自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承無(wú)損傷擠壓合套工藝方法已經(jīng)得到實(shí)踐驗(yàn)證，應(yīng)用于生產(chǎn)中，并取得了很好的實(shí)用效果。數(shù)值分析可以優(yōu)化成形參數(shù)與工藝過(guò)程，控制對(duì)自潤(rùn)滑層的損傷程度，減少試驗(yàn)次數(shù)，縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期，特別是對(duì)用于航空航天等尖端領(lǐng)域的高性能、高精密關(guān)節(jié)軸承的制造，為提高產(chǎn)品性能、縮小國(guó)內(nèi)外差距提供了一種新的方法和思路，對(duì)其他類型關(guān)節(jié)軸承擠壓合套工藝也具有一定的借鑒意義。