超大型剖分三排圓柱滾子轉(zhuǎn)盤軸承加工工藝

趙瑞瑞

(洛陽LYC軸承有限公司 特大型軸承事業(yè)部，河南 洛陽 471039)

隨著海工裝備技術(shù)日趨成熟，海工行業(yè)大型起重機(jī)已經(jīng)向超大尺寸、超大噸位發(fā)展，與其配套的轉(zhuǎn)盤軸承直徑達(dá)10 m以上。該直徑段的轉(zhuǎn)盤軸承結(jié)構(gòu)多為剖分式，其優(yōu)點(diǎn)是便于運(yùn)輸、儲存及拆裝，缺點(diǎn)為需要多次拆分、拼接，加工工藝復(fù)雜，加工精度難以保證，故需確定合適的加工工藝。

1 超大型剖分三排圓柱滾子轉(zhuǎn)盤軸承結(jié)構(gòu)

某剖分三排圓柱滾子轉(zhuǎn)盤軸承結(jié)構(gòu)如圖1所示，采用階梯搭接，軸向用鉸制螺栓定位連接(圖2)的方式組合成整體內(nèi)、外圈，裝配后軸承內(nèi)圈沿內(nèi)徑方向展開示意圖如圖3所示。

1—外齒圈剖分段二；2—第2內(nèi)圈剖分段二；3—第2內(nèi)圈剖分段一；4,7—鉸制螺栓；5—內(nèi)圈剖分段二;6—內(nèi)圈剖分段一；8—外齒圈剖分段一圖1 剖分三排圓柱滾子轉(zhuǎn)盤軸承結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of split three-row cylindrical roller slewing bearings

1—內(nèi)圈；2—鉸制螺栓圖2 內(nèi)圈連接示意圖Fig.2 Diagram of inner ring connection

1—內(nèi)圈剖分段二;2—內(nèi)圈剖分段一圖3 內(nèi)圈沿內(nèi)徑方向展開示意圖Fig.3 Diagram of inner ring expanding along inner diameter direction

該剖分軸承最大外徑為12.377 6 m，高度為0.6 m，最大壁厚為489 mm，內(nèi)外圈共分為18段。技術(shù)要求：裝配高為(600±2)mm，軸向游隙為1.2～1.8 mm，徑向游隙為0.5～1.2 mm， 軸向跳動不大于0.6 mm，徑向跳動不大于2 mm[1-3]。

2 加工難點(diǎn)

1)軸承直徑超出機(jī)床工作臺加工范圍。

2)在推力滾道上剖分切口會與滾子素線形成一定夾角，使?jié)L子能通過切口。為保證齒輪強(qiáng)度受影響小，將外齒圈剖分切口切在齒槽底中心位置，增大了銑連接面及拼接整圓的難度。

3)剖分軸承直徑大，加工過程中剖分段因自重下墜傾斜，兩端面及軸向滾道平面度、傾斜度大，徑向滾道橢圓度、錐度超出工藝要求，裝配后軸承旋轉(zhuǎn)精度不能滿足要求。

4)外齒圈淬火面總長度為490 mm，屬大截面滾道淬火。整圈淬火時剖分段會出現(xiàn)不規(guī)則變形(圖4)，變形后無法拼接成整圓，影響后序加工。整圈淬火后接縫處應(yīng)力較大，套圈會從接縫處脫開。整圈尺寸大，淬火機(jī)床回轉(zhuǎn)困難。

圖4 套圈淬火變形示意圖Fig.4 Diagram of quenching deformation of ring

5)軸承質(zhì)量大，剖分軸承拼接時接縫處徑向及圓周方向間隙不易調(diào)整。

6)剖分軸承直徑大、零件多，修磨滾道配制游隙時修磨次數(shù)多，需頻繁吊裝、拼接。

7)剖分軸承直徑大，刀具切削時間長，且在接縫處出現(xiàn)斷續(xù)切削，傳統(tǒng)高速鋼材料刀刃易磨損，不能滿足要求。

3 方案制定

3.1 工裝夾具

剖分軸承在胎具上加工，為便于吊裝，胎具也采用剖分結(jié)構(gòu)。整個胎具分為4段,連接方式為上下搭接，軸向用錐銷定位，加雙排螺釘緊固(圖5)。胎具材料選用具有較高屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的ZG380-510鑄鋼，保證胎具剛度[2]。胎具為剖分軸承加工提供了可靠的剛性支承，可減小各工序加工變形，保證加工精度。

1—錐銷;2—連接螺釘圖5 胎具連接示意圖Fig.5 Diagram of moulds connection

為拓展機(jī)床加工范圍，重新制作專用方箱、支座以及配套的T形塊、螺桿、擋板、壓板、墊塊等，解決了大直徑軸承超范圍加工問題。

3.2 裝夾方式

加工時要考慮胎具與剖分軸承的裝夾方式，以內(nèi)圈主推力滾道加工為例，內(nèi)圈裝夾如圖6所示。方箱底部設(shè)計2排連接孔，通過螺栓與機(jī)床工作臺連接?？ㄗ⑻ゾ呖ňo并用壓板固定。內(nèi)圈放置在胎具上，長擋板頂緊外徑面，壓板壓緊內(nèi)圈端面。胎具和內(nèi)圈進(jìn)行軸向和徑向定位，固定點(diǎn)數(shù)量是軸承分段數(shù)的3倍，防止零件加工中出現(xiàn)平移。

1—方箱；2—卡爪；3—T形螺桿；4—長壓板；5—內(nèi)圈；6—胎具；7,9,13—六角螺釘；8—長擋板；10,12—T形塊；11—墊塊圖6 內(nèi)圈裝夾示意圖Fig.6 Diagram of inner ring clamping

3.3 拼接整圓

剖分面為臺階形狀，要求拼接軸向間隙不大于0.1 mm，徑向間隙不大于0.3 mm。拼接會影響軸承加工精度，因此要保證外齒圈剖分切口在齒槽底中心位置。工藝上選擇先劃出成品齒形及精銑連接面剖分線(圖7)，其軸向和圓周貼合面均在數(shù)控龍門銑床上加工。通過程序設(shè)定、預(yù)先模擬調(diào)整每段弧長及2個結(jié)合面的角度和尺寸，多次研配結(jié)合面以確保連接精度，待連接整圓后依次配對編號。

1—成品齒形；2—粗銑齒形；3—剖分線圖7 精銑連接面示意圖Fig.7 Diagram of fine milling of connection surface

剖分軸承在加工中需多次吊裝、拼接、拆分，為保證成品連接精度，在前工序加工時采用小尺寸的工藝錐錐孔，通過錐銷對每段連接點(diǎn)定位后連接加工。終加工時將定位錐銷孔加工成鉸制螺栓孔，保證零件連接可靠。

3.4 淬火方案

選取分段、分面淬火。為方便吊裝，淬火前加工吊裝孔。為減小淬火變形，在套圈上設(shè)置端面臺階，胎具設(shè)置凹槽(配合間隙1～2 mm)進(jìn)行限位。另外，在胎具上加工與套圈吊裝孔位置一致的螺紋孔，用螺釘將套圈與胎具固定(圖8)。

1—胎具；2—連接螺釘；3—外齒圈圖8 淬火時零件放置示意圖Fig.8 Diagram of part placement during quenching

3.5 整形方案

淬火后每段曲率不規(guī)則，不成正圓，總趨勢為外圈弦長減小，內(nèi)圈弦長增大。套圈壁厚較大，淬火后需進(jìn)行熱整形。整形要求如下：

1)對比淬火前、后每段弦長變化，確定整形量，選定整形位置；

2)火焰溫度為700～800 ℃，加熱時控制加熱面積，防止產(chǎn)生新的變形，加熱后澆注冷卻液；

3)粗整形，以實(shí)際弦長為依據(jù)(不需要在機(jī)床上進(jìn)行)；

4)精整形，邊整形邊測量每段圓周跳動(在機(jī)床上進(jìn)行)，使每段均符合工藝要求；

5)整形后測量每段尺寸是否達(dá)到整形要求。

3.6 裝配方案

剖分軸承精加工、裝配均以淬火、整形后每段連接面處軸向、徑向間隙做為拼接基準(zhǔn)。裝配方案：先吊取第2內(nèi)圈，按編號依次完成拼接，通過徑向定位夾具調(diào)整徑向間隙(圖9)，通過周向定位夾具(圖10)調(diào)整圓周方向間隙，然后用校對樣板內(nèi)圈半徑R2(圖11)校驗(yàn)接縫處曲率，通過鉸制螺栓連接，完成第2內(nèi)圈裝配。再按照常規(guī)三排圓柱滾子轉(zhuǎn)盤軸承的裝配方法組裝成整套軸承。內(nèi)、外圈裝配方法參考第2內(nèi)圈。

1—第2內(nèi)圈；2—螺栓；3—夾具圖9 徑向定位夾具示意圖Fig.9 Diagram of radial positioning fixture

1—螺紋孔定位銷；2—螺桿；3—光孔定位銷圖10 周向定位夾具示意圖Fig.10 Diagram of circumferential positioning fixture

圖11 校對樣板Fig.11 Check sample

調(diào)整徑向間隙時，將夾具放置在套圈端面上，螺桿頂緊軸承內(nèi)、外徑面，通過螺桿調(diào)節(jié)。調(diào)整圓周方向間隙時,將螺紋孔定位銷與光孔定位銷分別放在連接縫處的2個安裝孔內(nèi)，通過螺桿緊固調(diào)節(jié)。

3.7 軸承游隙

通過軸向游隙推算所需加工的內(nèi)、外圈軸向滾道尺寸，可減少滾道修磨次數(shù)，從而減少吊裝、拼接次數(shù)，提高加工效率。軸向游隙計算示意圖如圖12所示，軸向游隙Ga=b+c-a-d1-d2。

1—外齒圈；2—第2內(nèi)圈；3—內(nèi)圈圖12 軸向游隙計算示意圖Fig.12 Diagram of axial clearance calculation

剖分軸承分段拼接，每段外齒圈會因自重下墜傾斜，普通三點(diǎn)測量軸向游隙已不適用[4]。軸向游隙測量示意圖如圖13所示，虛線、實(shí)線分別為軸承組裝后的實(shí)際位置和理論位置。千斤頂與百分表位置均會對軸向游隙產(chǎn)生影響，測得A點(diǎn)值比B點(diǎn)大，B點(diǎn)值更接近實(shí)際游隙。采用單點(diǎn)測量軸向游隙，千斤頂與百分表位置靠近軸承內(nèi)圈，在每段中間部位及連接縫處各取1個點(diǎn)，共計12個點(diǎn)或更多，取其平均值作為實(shí)測軸向游隙。

徑向游隙的配制：試配初始徑向游隙→確定滾子尺寸→修磨滾子。

徑向游隙的測量：第2內(nèi)圈、軸向滾子與外圈裝配后，在連接縫處及每段中間部位(共計12處)，裝入徑向滾子(為保證徑向游隙測量準(zhǔn)確，采取無間隔并排滾子，要求每組滾子數(shù)量不少于30粒)，測量徑向滾子與內(nèi)、外圈間隙，取其平均值作為實(shí)測徑向游隙。

1—內(nèi)圈胎具；2—第2內(nèi)圈；3—內(nèi)圈；4—百分表；5—外齒圈；6—圓形支座；7—千斤頂圖13 軸向游隙測量示意圖Fig.13 Diagram of axial clearance measurement

3.8 選擇刀具及加工參數(shù)

精加工余量小，可使用帶涂層的硬質(zhì)合金刀具完成車削，該刀具硬度達(dá)69～81 HRC,車削平穩(wěn)，耐磨性好，切削速度是普通高速鋼的4～7倍，提高了加工效率。硬質(zhì)合金刀具加工參數(shù)為：機(jī)床轉(zhuǎn)速2 r/min，進(jìn)給量0.4～0.7 mm/r。

滾道表面淬火后硬度為57～62 HRC，終磨滾道前先硬車去除滾道淬火變形較大部位，可減小后續(xù)磨加工留量，大幅提高加工效率。硬車使用立方氮化硼(CBN)刀具完成以車代磨。CBN是超硬刀具材料，硬度高和耐磨性好，用于對淬硬鋼(硬度45～65 HRC)的精加工，也可用于精車斷續(xù)表面，但在斷續(xù)加工中，不能使用冷卻液[5]。CBN刀具加工參數(shù)為：機(jī)床轉(zhuǎn)速2.5 r/min，進(jìn)給量0.08～0.2 mm/r。

4 確定工藝流程

4.1 初步工藝流程

根據(jù)剖分軸承的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，初步確定工藝流程：鍛件→粗車→銑連接面→拼接整圓→鉆、鉸工藝錐銷孔→半精車→滾道表面淬、回火→整形→精車→鉆孔→硬車滾道→終磨→配游隙→裝配。

該流程存在以下問題：1)粗車切除材料較多，應(yīng)力不能完全釋放；2)淬火后變形量(端面翹曲、徑向跳動)大，影響后序加工；3)熱整形溫度高，整形部位有較大內(nèi)應(yīng)力，易出現(xiàn)裂紋。

4.2 優(yōu)化工藝流程

對上述問題分析，認(rèn)為剖分軸承加工重點(diǎn)是要控制熱處理變形，保證整形質(zhì)量，最終確定優(yōu)化后的工藝流程為：鍛件→粗車→去應(yīng)力退火→半粗車→粗銑連接面→振動時效→精銑連接面→拼接整圓→鉆、鉸工藝錐銷孔→半精車→鉆、攻吊裝孔→附加回火(溫度170 ℃±10 ℃，爐內(nèi)保溫4 h±0.5 h)→滾道表面淬、回火(溫度170 ℃±10 ℃，爐內(nèi)保溫8 h±0.5 h)→整形→附加回火→精車→鉆孔→硬車滾道→終磨→配游隙→裝配。

優(yōu)化后的工藝流程具有以下優(yōu)點(diǎn)：1)淬火前增加附加回火，可及時消除或減小前工序產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，進(jìn)而減小淬火變形；2)熱整形后增加附加回火，可防止整形開裂。

5 實(shí)際加工效果

采用優(yōu)化工藝加工后軸承的各項技術(shù)指標(biāo)檢測結(jié)果見表1，滿足技術(shù)要求。軸承交付使用后，未發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象。

表1 軸承成品檢測結(jié)果Tab.1 Test results of finished bearing mm