通孔鑲嵌固體自潤滑材料鋼軸套的開發(fā)研究

鄭鉆斌

（福建龍溪軸承（集團(tuán)）股份有限公司，福建 漳州 350600）

石墨固體自潤滑顆粒是一種良好的減摩材料，被廣泛應(yīng)用于軸承、軸瓦、襯套等產(chǎn)品中[1]。例如，大型銅外圈內(nèi)球面上盲孔鑲嵌固體自潤滑材料，已應(yīng)用于水工用軸承產(chǎn)品[2]；通孔鑲嵌固體自潤滑銅套也應(yīng)用于油缸襯套等輕載、中載工況場合[3]。本文研究的為一種帶法蘭鋼軸套，表面均布通孔并鑲嵌固體自潤滑材料，可經(jīng)受重載和沖擊載荷的復(fù)雜工況及野外粉塵沙礫的惡劣環(huán)境，已應(yīng)用于底盤懸架球鉸鏈系統(tǒng)，成功地服役于某重型特種車輛。

1 產(chǎn)品性能及結(jié)構(gòu)的設(shè)計

1.1 原材料的選擇

由于該軸套應(yīng)用于重型特種車，需經(jīng)受來自車輛部件的自重和野外路面顛簸造成的沖擊載荷，對材料的承載能力提出了很高的要求。采用行業(yè)常用的銅軸套，無論是油潤滑或自潤滑結(jié)構(gòu)，都不能滿足其使用要求，在車輛路試中出現(xiàn)了嚴(yán)重的磨損失效。經(jīng)材料力學(xué)性能對比，熱處理后的軸承鋼套應(yīng)比銅套具有更高的屈服強(qiáng)度，應(yīng)能承受該類特種車要求的10 kN的徑向載荷和3倍的沖擊載荷。

1.2 熱處理硬度的選擇

由于實(shí)際使用中存在沖擊載荷，軸套與銷軸在長期的沖擊載荷作用下容易發(fā)生接觸疲勞磨損，且該磨損主要出現(xiàn)在硬度較低的一方。從價值量和更換方便的角度考慮，更希望磨損發(fā)生于軸套上，因此，選取比軸的表面硬度更低的硬度。由于配合銷軸的表面硬度為55～57 HRC，綜合考慮取軸套的熱處理硬度為45～50 HRC。

1.3 配合尺寸和間隙的確定

針對本產(chǎn)品，客戶處的配合座孔尺寸為Φ60H7（＋0.03，0），銷軸尺寸為Φ50h6（0，－0.016）。由于該軸套為壓裝，因此，軸套的外徑采用小過盈配合Φ60m7（＋0.041，＋0.011）。根據(jù)這些配合尺寸，并參考了配合間隙計算公式[4]，對軸套與軸的間隙進(jìn)行了測算。綜合考慮了軸的撓曲變形量，軸與軸套的表面粗糙度和形位公差，裝配后軸套內(nèi)孔的收縮量，溫升對間隙的影響這幾方面，間隙按0.05～0.15 mm考慮，因此，軸套內(nèi)徑尺寸公差確定為Φ50（＋0.13，＋0.05）。

1.4 固體自潤滑材料排布形式的選擇

固體自潤滑材料的排布面積有一個合理的區(qū)間，一般占摩擦面積的25%～35%[5]，如果排布面積遠(yuǎn)小于該區(qū)間，自潤滑材料的潤滑效果明顯不足，產(chǎn)品使用壽命將大幅縮短；如果排布面積過大，意味著自潤滑材料軟質(zhì)點(diǎn)廣泛分布，鋼基體由于存在較多的鏤空區(qū)域，整體強(qiáng)度和承載能力將明顯下降，使用壽命也會受到影響。由于該軸套存在法蘭位，且磨削加工時需留出一定空間以便支承，結(jié)合其內(nèi)孔和高度尺寸，采用4列均布，每列12個，鑲嵌直徑為8的固體自潤滑材料顆粒的排布方式，保證了自潤滑顆粒邊緣。自潤滑顆粒與端面及越程槽邊緣的距離基本相同，從而保證了基體材料不存在突出的薄弱位置，且自潤滑顆粒均勻分布。經(jīng)計算，該排布方式的面積占比為25.3%，滿足潤滑性能的要求。

圖1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖

1.5 越程槽的設(shè)計

由于該軸套存在自潤滑材料軟質(zhì)點(diǎn)，與鋼基體存在硬度上的落差，且外徑精度要求比較高，如果采用車加工，刀具無法保證尺寸要求，因此，需采用磨加工，并在法蘭轉(zhuǎn)角處設(shè)計砂輪越程槽。設(shè)計越程槽時，既要考慮軸套壁薄的風(fēng)險（僅為5 mm），又要考慮自潤滑顆粒的位置，因此，應(yīng)保證深度淺、寬度合理，既防止在其周圍出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中，又便于加工，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 加工工藝的研究

2.1 高精度孔的加工工藝

由于固體自潤滑材料需牢固鑲嵌在通孔內(nèi)，因此，對兩者間的配合間隙有特定的要求。如果間隙過小，固體自潤滑顆粒無法裝入；如果間隙過大，固體自潤滑顆粒在粘貼后容易脫落。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，間隙應(yīng)控制在0.1～0.2 mm。由于鉆孔工序在熱處理前，考慮到熱處理后孔會存在一定程度的變形，因此，鉆孔的精度宜控制在0.1 mm。為此，鉆孔工序采用一道鉆難以保證精度，需分成粗精兩道加工，即先采用較小尺寸的鉆頭粗加工，再用最終尺寸的鉆頭精加工，但采用2把鉆頭換刀加工的加工效率不高。鑒于此，我方應(yīng)用了臺階鉆工具，一道鉆可實(shí)現(xiàn)先粗后精的加工要求。試驗(yàn)結(jié)果表明，臺階鉆的應(yīng)用既保證了鉆孔精度，又提高了生產(chǎn)效率。

2.2 新型粘貼劑及工藝的應(yīng)用

相比銅外圈盲孔鑲嵌固體自潤滑材料所用的厭氧膠，本產(chǎn)品采用新型環(huán)氧膠粘貼，該膠水需在60℃下烘干1 h方可固化。雖然原有的厭氧膠可以常溫固化，但由于本品為通孔鑲嵌型產(chǎn)品，不存在厭氧環(huán)境。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用厭氧膠，固體自潤滑顆粒粘貼不牢固，后續(xù)特別容易脫落；而采用新型環(huán)氧膠，雖然需要烘干固化，但粘貼操作方便且粘貼牢固。

2.3 熱處理變形及余量的控制

由于該產(chǎn)品表面存在大量均布通孔，熱處理容易變形，所以，在試制時預(yù)留了較大的精加工余量。但是，根據(jù)實(shí)際熱處理后的尺寸測量，橢圓變形僅有0.2～0.3 mm。由材料力學(xué)理論分析可知，自潤滑材料表面積占比較小，且分布較為均勻，保障了軸套整體的剛性和尺寸的穩(wěn)定性。熱處理后的加工余量太大，容易在車削軸套內(nèi)外徑表面時在固體自潤滑顆粒表面造成明顯的車痕、凹坑等，導(dǎo)致自潤滑顆粒破損而返工粘貼。因此，余量最終縮減為0.5 mm左右，既保證了產(chǎn)品質(zhì)量，又降低了加工成本。

3 磨損壽命試驗(yàn)及結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)

3.1 磨損壽命試驗(yàn)和失效分析

對此軸套在SDZ-40/0.6K交變負(fù)荷關(guān)節(jié)軸承壽命試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行了加速磨損壽命試驗(yàn)，工況條件是，徑向恒定載荷10 kN（沖擊載荷為其3倍），擺角為±20°，頻率為0.5 Hz，配合軸材料為42CrMo，表面硬度為55～57HR，壽命情況如圖2所示。

從圖2中可以看出：①在10 kN恒載下，該軸套共運(yùn)行了38 882次（±20°往復(fù)為一次），發(fā)生摩擦系數(shù)超差失效；②在該軸套運(yùn)行過程中（27 770次處），瞬間將載荷提高到30 kN，立即出現(xiàn)明顯噪聲，同時，出現(xiàn)軸轉(zhuǎn)速下降的爬行現(xiàn)象，之后載荷恢復(fù)到10 kN。

圖2 產(chǎn)品壽命曲線

該試驗(yàn)結(jié)果表明，軸套無法承受30 kN的載荷。當(dāng)出現(xiàn)30 kN的瞬時沖擊載荷時，極大可能導(dǎo)致系統(tǒng)功能失效。試驗(yàn)完畢拆下軸套發(fā)現(xiàn)，兩頭近端面位置（無自潤滑材料的部位）出現(xiàn)嚴(yán)重磨損，有自潤滑材料的部位未發(fā)生磨損，配合軸在兩端的相應(yīng)部位也發(fā)生了明顯磨損。

對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析，如圖3、圖4所示，以便研究其磨損破壞機(jī)理。分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)軸套受載達(dá)到30 kN時，接觸應(yīng)力云圖顯示值為133.8 MPa，為10 kN時（78.81 MPa)的1.7倍，而該接觸應(yīng)力位于軸套兩頭，很可能是軸受載產(chǎn)生的撓曲在軸套兩頭產(chǎn)生的邊緣應(yīng)力集中。由于軸套兩頭未分布固體自潤滑材料，接觸應(yīng)力的存在造成了兩端磨損。當(dāng)載荷達(dá)到30 kN時，邊緣接觸應(yīng)力過大，軸的爬行失效。

圖3 徑向受載10 kN的接觸應(yīng)力云圖

圖4 徑向受載30 kN的接觸應(yīng)力云圖

圖5 改進(jìn)型產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖

3.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)

針對邊緣接觸應(yīng)力集中的問題，由于在軸套兩頭未有充分空間分布固體自潤滑材料，因此，采取在軸套內(nèi)孔兩頭分別增加一條徑向槽的方式削弱接觸應(yīng)力，具體結(jié)構(gòu)如圖5所示。對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析，如圖6、圖7所示，經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，徑向槽的存在確實(shí)可以減弱軸套邊緣的接觸應(yīng)力，10 kN加載時接觸應(yīng)力僅為56.15 MPa，30 kN加載時接觸應(yīng)力僅為117.2 MPa。

圖6 新結(jié)構(gòu)產(chǎn)品受載10 kN的接觸應(yīng)力云圖

圖7 新結(jié)構(gòu)產(chǎn)品受載30 kN的接觸應(yīng)力云圖

圖8 新結(jié)構(gòu)產(chǎn)品壽命曲線

對此軸套進(jìn)行加速磨損壽命試驗(yàn)，在同樣的工況條件下，壽命情況如圖8所示。

從圖8中可以發(fā)現(xiàn)：①在10 kN恒載下，該軸套順利運(yùn)行了27 770次；②此時將載荷提高到30 kN，在30 kN恒載下又運(yùn)行了18 306次才發(fā)生摩擦系數(shù)超差失效的情況；③整個加載過程中未再出現(xiàn)噪聲，也未再出現(xiàn)軸的爬行現(xiàn)象。

試驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)后的軸套結(jié)構(gòu)可以承受30 kN的沖擊或恒定載荷。試驗(yàn)完畢拆下軸套發(fā)現(xiàn)，該軸套兩頭未出現(xiàn)被磨損的情況，磨損出現(xiàn)在自潤滑材料與基體的交界處，屬自潤滑材料顆粒功能失效后的正常磨損。

目前，該結(jié)構(gòu)改進(jìn)的產(chǎn)品已成功應(yīng)用于某重型特種車的懸架球鉸鏈系統(tǒng)，得到了用戶的肯定。

4 結(jié)論

該特種車用通孔鑲嵌固體自潤滑材料鋼軸套的成功開發(fā)，在材料、結(jié)構(gòu)、性能、工藝切合實(shí)際工況的同時，很好地引入了有限元分析和磨損壽命試驗(yàn)的驗(yàn)證，并在此基礎(chǔ)上對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，延長了產(chǎn)品的使用壽命，提高了客戶的滿意度。由此可見，無論是新產(chǎn)品、新技術(shù)，還是已有產(chǎn)品的技術(shù)改進(jìn)，現(xiàn)代分析和試驗(yàn)手段的運(yùn)用將為我們提供更多的解決思路和方案。

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