H型動壓氣體軸承軸套端面平面度制造誤差分析

曹耀平，邵荔寧，周景春，郭 月

（航天科技集團九院16所，西安710100）

H型動壓氣體軸承軸套端面平面度制造誤差分析

曹耀平，邵荔寧，周景春，郭 月

（航天科技集團九院16所，西安710100）

針對H型動壓氣體軸承端面平面度指標(biāo)問題，從軸承端面研磨的定位夾具、工藝方法入手，分析了研磨工藝方法對端面平面度帶來系統(tǒng)誤差，并根據(jù)加工時的裝配狀態(tài)及操作方法，提出了改進措施，從而達到進一步提高平面度指標(biāo)的目的。

氣體軸承；平面度；加工方法；誤差

0　引言

形位誤差及表面質(zhì)量作為H型碳化硼氣體軸承的關(guān)鍵指標(biāo)，對軸承的回轉(zhuǎn)精度、軸承的摩擦和磨損特性，以及動壓氣體軸承剛度和承載力有很大影響。通過多年生產(chǎn)數(shù)據(jù)積累，發(fā)現(xiàn)裝配后的軸承間隙與零件計量數(shù)據(jù)計算間隙相差較大，說明軸承零件的形位精度誤差較大。因此，有必要分析并找出誤差的來源，以提高電機的性能。

H型動壓氣體軸承形位公差指標(biāo)主要有圓柱度、平面度、垂直度、平行度等。在檢測軸套與碳化硼轉(zhuǎn)子體的高度差時發(fā)現(xiàn)，檢測軸套端面不同位置點時高度差數(shù)據(jù)誤差變化較大，說明零件端面的平面度存在問題。本文主要分析軸承端面研磨工裝及研磨方法對軸承端面平面度的影響。

1　工藝裝備及加工方法的工藝性分析

如圖1所示，由于軸套零件屬于細長零件，端面面積太小，軸向長度較長，很難用手工進行單件端面的高精度研磨，為了保證軸承端面的平面度及垂直度，設(shè)計如圖2所示定位夾具進行軸承的端面研磨。

該定位夾具，可以根據(jù)生產(chǎn)情況，一次裝夾4 ～8件零件。研磨加工裝配結(jié)構(gòu)如圖3所示。

該結(jié)構(gòu)工裝通過一次裝配較多零件，增大了研磨時零件端面與研磨平板的接觸面積，使研磨時受力點的位置范圍變大，易于控制，從而實現(xiàn)控制平面度的目的。

圖1　軸套Fig.1 Alxe sleeve

圖2　定位夾具實物圖Fig.2 Actual picture of stationary fixture

圖3　研磨裝配結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of grinder

2　影響軸套平面度誤差的因素分析

2.1平面度誤差模型建立

平面度是限制實際表面對理想表面平面變動量的一項指標(biāo)，它反映了零件表面的平整程度。其公差帶是距離為公差值的兩平行平面之間的區(qū)域。也就是說，若對平面給定一個大小為TF的平面度要求，則平面上所有的點均必須位于距離為TF值的兩平行平面所形成的公差域內(nèi)，如圖4所示。其公差域由滿足下述條件的所有點P組成：

式中，O為公差域中心面的位置矢量；TF為給定的平面度公差大小。

圖4　平面度公差域定義圖Fig.4 Definition diagram of field of flatness tolerance

式（1）中的O是不確定的，由此可知平面度公差域的位置和方向均是浮動不定的。

根據(jù)定向公差的特點，當(dāng)零件對某一被測要素給出定向公差后，通常不再對該要素給出形狀公差，而且，形狀公差值一定小于定向公差值。所以，為了保證軸套的垂直度、平行度等要求，平面度必須滿足小于0.00012mm的要求。

2.2影響平面度誤差的因素分析

（1）端面表面質(zhì)量的影響分析

由圖4及式（1）可知，平面上任意點P必須位于距離為TF的兩平行平面所形成的公差域內(nèi)。由此可見，軸承端面缺陷、粗糙度程度等表面質(zhì)量狀態(tài)直接影響軸承端面的平面度；而端面缺陷、粗糙度等與研磨磨料、研磨平板的表面精度和形狀，以及材料表面的致密程度等因素直接相關(guān)。這些因素，在生產(chǎn)中通過工藝參數(shù)的精細控制已經(jīng)得到解決，本文不再進行詳細分析。

（2）加工方法帶來的誤差分析

軸套零件在進行手工平面研磨時，要受到沿運動方向的切向力和垂直壓力，沿運動方向的切向力只是為了克服摩擦力，與垂直壓力相比很小，分析時可忽略不計。由于端面研磨時是靠手工加載方式，假設(shè)零件只受垂直壓力作用，手掌不可能將壓力正好加在工裝的中心位置，通常給工裝所施加的是偏心壓力，如圖5所示。

圖5　偏心壓力模型示意圖Fig.5 Sketch of field of eccentric pressure model

根據(jù)圖5軸承端面研磨時偏心壓力模型示意圖，可以簡單地繪制出研磨時的壓力分布圖，如圖6所示。

圖6　加工壓力分布圖Fig.6 Diagram of processing pressure distribution

假設(shè)研磨時一組零件與平板的接觸面積半徑為Rw，零件及工裝的自重為Fw，研磨時的作用力為Fe，其加載的位置距工裝的中心點為Xe，則可求出加載在距中心位置任意點X處的壓力分布P（x），由式（2）得出：

由于零件在研磨過程必須始終保持整個平面處于研磨狀態(tài)，即P（x）是恒正的，因此必須滿足式（3）的條件：

由圖6、式（2）和式（3）對平面研磨時零件的受力分析可知，研磨方法對平面度誤差的影響程度是由受力點的位置決定的，如果受力點位置滿足式（3），則端面的平面度會得到保證。因此，必須知道研磨時實際加載的位置點。

假定加壓載荷Fe≈（3～5）kg，而零件與工裝的實際重量約為Fw≈0.4kg，零件與平板接觸面積半徑Rw=30mm。

將以上參數(shù)帶入式（3），可得：

由計算結(jié)果可知，加載位置點必須控制在直徑Φ16.2以內(nèi)才能滿足式（3）的條件不等式，而研磨時是靠操作工的手掌進行加力的，要讓操作工在研磨過程中始終將受力點控制在如此小的范圍內(nèi)是比較困難的。

如果在研磨時出現(xiàn)了不滿足式（3）的情況，即可能造成圖6中-Rw方向處局部表面沒有受力，那么就可能導(dǎo)致如圖7所示的情形。即在軸承端面局部出現(xiàn)傾斜，使端面形成兩個平面。

圖7　局部未受力時結(jié)果示意圖Fig.7 Sketch of local unstressed results

而實際研磨時，由于軸承端面受力點及移動方向的不確定性，結(jié)果可能會造成軸承端面出現(xiàn)許多微小夾角的小平面，也就是在端面出現(xiàn)多棱面現(xiàn)象。多棱面現(xiàn)象的出現(xiàn)不但會影響平面度，而且會使裝配時軸套端面與止推板的接觸位置出現(xiàn)不確定性，影響電機的裝配狀態(tài)，進而影響電機的性能。

（3）熱變形對平面度的影響

動壓氣體軸承零件的精度要求高，如果夾緊定位工裝由于受熱不均產(chǎn)生微小變形，會導(dǎo)致軸承零件在工裝上的定位基準(zhǔn)被破壞，對軸承零件平面度、垂直度誤差造成影響。而研磨過程手掌的熱量傳遞到工裝及零件就會造成工裝或零件的局部微小變形，從而導(dǎo)致平面度超差。

3　解決措施

在實際研磨過程中，研磨平板的表面精度和形狀以及零件材料致密度等因素對平面度誤差的影響已經(jīng)得到了控制，在這里不再贅述。下面針對加工方法及熱變形對平面度誤差影響提出解決措施。

3.1加工方法誤差的解決措施

根據(jù)前面的分析，加工方法誤差主要是控制研磨受力點位置。研磨時是靠手掌加力于工裝上，很難將壓力加在零件的中心位置。因此，為了控制受力點位置，必須在研磨時增加一件過渡工裝——加壓墊，如圖8所示。操作者通過加壓墊ΦB端面將研磨壓力傳遞到研磨工裝上，從而實現(xiàn)對受力點位置的控制。工裝改進后研磨時加力位置是在加壓墊上，如圖9所示。

圖8　加壓墊結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8 Structure sketch of pressurized pad

圖9　改進后研磨受力狀態(tài)示意圖Fig.9 Sketch of improved situation of grinder stress

根據(jù)圖9所示軸承端面研磨時的偏心壓力模型示意圖，可以繪制出研磨時的壓力分布圖，如圖10所示。

圖10　改進后研磨加工壓力分布圖Fig.10 Sketch of improved grinder processing pressure distribution

改進后軸承端面研磨加工壓力分布圖（圖10）與圖6的加工壓力分布圖基本一樣，但是實際受力點半徑r得到了有效控制，也就是r遠小于零件與研磨平板的接觸面積半徑Rw；實際制作的加壓墊ΦB尺寸也遠小于直徑Φ16.2，通過該措施有效地解決了多棱面的問題。

3.2熱變形影響的解決措施由于采用手工研磨的方式，而軸套零件的精度達到了亞微米級，圖2所示的定位夾具的精度也是亞微米級，熱變形對它們的影響不容忽視。因此，在設(shè)計工裝夾具時要考慮人體熱量的傳遞，即必須控制研磨時手掌熱量的傳遞。

改進后研磨方法是通過加壓墊給定位夾具施力的，將加壓墊設(shè)計成隔熱或熱傳導(dǎo)慢的材料，就可降低熱傳遞的影響。

4　結(jié)論

通過理論分析與計算，說明研磨方法是造成軸套平面度誤差的主要來源，并制定了改進研磨方法帶來誤差的措施。通過該解決措施的應(yīng)用，有效地提高軸承零件平面度指標(biāo)及加工效率。

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Analysis of the Flatness Error about Shaft Sleeve of H-shape Hydrodynamic Bearings

CAO Yao-ping，SHAO Li-ning，ZHOU Jing-chun，GUO Yue
（The 16thInstitute，China Aerospace Science and Technology Corporation，Xi'an 710100）

This paper takes the flatness requirement about shaft sleeve of the H-shape hydrodynamic bearings as research object.The method of machining technics and the clamping apparatus which for grinding of shaft sleeve are utilized to analyzed the system error of the flatness caused by grinding technics.The advanced measurement according to the assembling state and operating methods when it is machining is established to improve the flatness precision finally.

hydrodynamic bearings；flatness；machining method；error

TH133.3

A

1674-5558（2016）04-01161

10.3969/j.issn.1674-5558.2016.04.014

2015-07-14

曹耀平，男，高級工程師，研究方向為慣性儀表制造。