基于產(chǎn)品特征的自潤滑關(guān)節(jié)軸承滾壓技術(shù)研究

鐘秀虹，豆海峰，龍貽偉，馮亮

(航空工業(yè)成都飛機工業(yè)(集團)有限責(zé)任公司，成都 610092)

自潤滑關(guān)節(jié)軸承是一種無需補充潤滑劑的特殊關(guān)節(jié)軸承，具有承載能力強，化學(xué)性能穩(wěn)定，摩擦因數(shù)小，耐腐蝕性好，安全可靠性高等特點，廣泛應(yīng)用于航空航天、武器裝備及汽車工業(yè)等領(lǐng)域[1]。在飛機的艙門、起落架、方向舵、擾流板等重要部件中，自潤滑關(guān)節(jié)軸承通常安裝在支座、搖臂和拉桿的端頭，用于傳遞力的作用，因此軸承安裝滾壓技術(shù)對飛機的機動性和安全性起著至關(guān)重要的作用。

雖然國內(nèi)外的軸承安裝工藝文件均明確規(guī)定了軸承與軸承座的配合關(guān)系、工裝類型及工藝尺寸等相關(guān)信息，但在實際工程應(yīng)用中，軸承的安裝收口質(zhì)量是軸承、工裝、軸承座及工藝尺寸多方面相互影響的結(jié)果[2-3]，工藝尺寸設(shè)計不合理將導(dǎo)致軸承滾壓收口后轉(zhuǎn)動及擺動力矩增大甚至出現(xiàn)抱死現(xiàn)象，產(chǎn)品無法交付使用。然而，在實際生產(chǎn)中，軸承工藝尺寸難以改變，工裝的定制、返修周期長，當(dāng)出現(xiàn)軸承安裝質(zhì)量問題時，往往只能通過更改軸承座工藝尺寸來滿足軸承安裝收口需求。鑒于實際應(yīng)用情況，基于ABAQUS建立接觸部位的有限元模型，分析軸承外圈唇邊的形成過程，總結(jié)軸承座厚度W及倒角r與軸承工藝尺寸的關(guān)聯(lián)性，通過優(yōu)化軸承座工藝尺寸解決軸承收口質(zhì)量問題。

1 自潤滑關(guān)節(jié)軸承安裝與收口技術(shù)

1.1 自潤滑關(guān)節(jié)軸承安裝工藝

自潤滑關(guān)節(jié)軸承安裝方法如圖1所示，首先將軸承座放在支撐座上，然后利用銷軸將軸承與軸承座調(diào)整至同心，最后通過壓頭對軸承外圈施加壓力，將軸承緩慢壓入軸承座并保證軸承與軸承座同軸。軸承與軸承座內(nèi)孔的配合關(guān)系將直接影響軸承的安裝性能，安裝后施加適當(dāng)?shù)念A(yù)緊力可以提高軸承的性能，改善軸承內(nèi)部的載荷分布，但過大的預(yù)緊力會降低軸承壽命，縮短軸承服役時間[3]，因此，軸承與軸承座內(nèi)孔采用過渡配合。

1—支撐座；2—軸承座；3—軸承；4—壓頭；5—銷軸

1.2 自潤滑關(guān)節(jié)軸承滾壓工藝

目前，自潤滑關(guān)節(jié)軸承常用的收口方式為靜壓收口和滾壓收口。外圈帶安裝槽自潤滑關(guān)節(jié)軸承的滾壓收口示意圖如圖2a所示：首先，將收口工具安裝到鉆床上并調(diào)整好同心度，使?jié)L壓工具的導(dǎo)向桿與軸承同心，不能發(fā)生單面摩擦；然后，在滾輪與軸承外圈翻邊槽的接觸工作區(qū)域涂抹潤滑脂，啟動鉆床使?jié)L輪輕輕旋壓軸承外圈，保證唇邊與軸承座倒角充分接觸，達(dá)到如圖2b所示的結(jié)構(gòu)。

圖2 自潤滑關(guān)節(jié)軸承滾壓收口示意圖

1.3 自潤滑關(guān)節(jié)軸承收口質(zhì)量檢查

1.3.1 變形及表面質(zhì)量檢查

軸承滾壓收口后，需檢查零件是否有受損、掉漆等表面質(zhì)量問題，確保翻邊槽無裂紋、刮痕及毛刺，允許有滾輾痕跡。收口后允許軸承唇邊與軸承座之間存在間隙，但其范圍不能超過軸承收口圓周的40%，數(shù)值不能超過各機型規(guī)定的最大值(通常取0.15 mm)。唇邊間隙m的檢查方法如圖3所示，采用對應(yīng)厚度的塞尺放入唇邊間隙中，檢查塞尺是否能完全插入，同時需保證塞尺與豎直平面的角度為20°～30°。

圖3 軸承收口后唇邊間隙檢查示意圖

1.3.2 軸承靈活性檢查

軸承滾壓收口后，需對軸承的靈活性進行檢查，即檢測軸承的無載啟動力矩，主要包括轉(zhuǎn)動力矩和擺動力矩，檢測方法如圖4所示，圖中：Mr為轉(zhuǎn)動力矩,MR為擺動力矩,F為力,L為力臂,α為允許的最大擺動角度。滾壓收口后軸承的無載啟動力矩有增有減，無明顯規(guī)律，但其最小值不能低于軸承標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的最小值，最大值不能超過規(guī)定范圍上限的2倍。

圖4 轉(zhuǎn)動力矩和擺動力矩檢測示意圖

1.3.3 軸向位移檢查

軸承滾壓收口后，必須通過載荷試驗檢驗軸承的軸向承載能力，通常是進行軸向位移檢查，即在軸承外圈上施加規(guī)定的載荷，檢查軸承是否發(fā)生軸向位移并記錄位移量。試驗過程的加載曲線如圖5所示：首先施加5%規(guī)定載荷的預(yù)載荷并消除系統(tǒng)誤差，記錄軸承位移值W1；然后加載到標(biāo)準(zhǔn)要求值，保持規(guī)定時間后卸載到預(yù)載荷，記錄此時的位移W2，兩者之間的差值即軸承的軸向位移量。

圖5 軸承軸向位移測量載荷譜

2 經(jīng)驗公式及理論計算

2.1 經(jīng)驗公式

外圈帶安裝槽軸承的安裝結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示，主要涉及軸承外圈厚度C、軸承外圈V形槽深度P、軸承座厚度W以及軸承座內(nèi)孔倒角r。對生產(chǎn)中符合收口質(zhì)量的軸承及軸承座數(shù)據(jù)(表1)進行對比分析，發(fā)現(xiàn)軸承收口均滿足

C-2P

由于C，P均為固定值，故W及r直接決定著軸承收口的質(zhì)量。

圖6 外圈帶安裝槽軸承的軸承座尺寸

表1 常用軸承型號的相關(guān)數(shù)據(jù)

2.2 理論計算

為分析W，r與軸承收口質(zhì)量的關(guān)系，將關(guān)節(jié)軸承的唇邊形成問題簡化為平面應(yīng)變問題[4-5]，同時假設(shè)金屬塑性變形是均勻和不可壓縮的，滾輪與軸承外圈V形槽工作面的接觸力均勻分布，忽略變形材料的彈性行為，則軸承收口前、后翻邊槽的金屬形狀如圖7所示。

圖7 軸承收口前后翻邊槽金屬形狀示意圖

區(qū)域①,②的面積S1，S2分別為

(Htan 60°-a)，

式中：a為變形前的唇邊寬度；H為滾輪的進給距離；K為翻邊槽的深度；m為唇邊間隙。

根據(jù)假設(shè)條件，理想狀態(tài)下變形區(qū)域①,②的面積相等，唇邊與倒角的接觸長度A為

則

根據(jù)軸承安裝固定規(guī)范要求，需滿足

通過換算，唇邊間隙m可表示為

故軸承收口后，唇邊間隙m與C-W值的大小及r有密切聯(lián)系，在滿足C-2P

3 自潤滑關(guān)節(jié)軸承滾壓收口有限元模型

為進一步研究軸承座厚度與倒角對軸承收口質(zhì)量的影響，采用ABAQUS 有限元軟件建立了自潤滑關(guān)節(jié)軸承有限元模型。

軸承滾壓收口是復(fù)雜的動態(tài)非線性接觸問題，采用ABAQUS/Explicit能更有效地反映唇邊的形成過程及軸承的收口質(zhì)量。與3D模型相比，2D模型既能揭示軸承外圈的金屬流動和應(yīng)力應(yīng)變分布，又能提高模型的計算效率，減少計算時間。

軸承外圈材料為17-4PH不銹鋼，參照標(biāo)準(zhǔn)ISO 6892-1:“2019 Metallic materials—Tensile testing—Part 1:Method of test at room temperature”進行拉伸試驗所得的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系如圖8所示。為簡化模型，忽略了自潤滑襯墊的存在，將軸承球體與軸承座均設(shè)為彈性體，由于主要研究軸承外圈受滾輪滾壓后的變形情況，將滾輪設(shè)定為剛體。

圖8 17-4PH 拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線

軸承滾輪收口的2D有限元模型如圖9所示。為節(jié)約計算時間，進行單邊數(shù)值模擬，將2個滾輪簡化成單個滾輪。在2D模型中有3對接觸面：軸承外圈與軸承球面，軸承外圈與軸承座，V形槽斜面與滾輪，分別將其摩擦因數(shù)定義為0.3，0.1，0.1；法向默認(rèn)為硬接觸，由于接觸面間存在滑動和分離，故定義接觸面屬性時采用“finite sliding”。

圖9 軸承滾輪收口2D有限元模型

軸承滾壓收口仿真過程中設(shè)置3個Dynamic/Explicit分析步：滾輪進給分析步、滾輪保壓分析步、滾輪遠(yuǎn)離分析步。滾輪進給和遠(yuǎn)離的速度均設(shè)置為0.2 mm/s，滾輪保壓時間設(shè)置為5 s。網(wǎng)格劃分是決定分析精度的重要環(huán)節(jié)，網(wǎng)格的大小及類型也對計算結(jié)果有重要影響，本次單元類型均選用CPE4R單元，特別將軸承外圈關(guān)鍵塑性變形位置進行網(wǎng)格細(xì)化，非重要部位的網(wǎng)格劃分相對稀疏，從而提高計算效率。

4 唇邊成形及結(jié)果分析

4.1 唇邊的形成

解析計算中，唇邊的形成如圖10所示，由圖可知：滾輪沿y軸方向均勻進給，首先與軸承外圈的頂點接觸，隨著載荷的逐漸增大，外圈發(fā)生塑性變形，持續(xù)施壓的過程中，外圈與軸承座倒角斜面貼合形成唇邊。圖10c中唇邊尾部與軸承座倒角斜面的間隙由金屬變形后的回彈引起[8-10]，通常采取增加保壓時間的措施減小金屬回彈量。

圖10 唇邊的形成過程

軸承收口過程中會對唇邊連續(xù)滾壓，V形槽及軸承外圈表面有滾輾痕跡屬于正?，F(xiàn)象。但實際工程中，有時為了滿足唇邊間隙而過度滾壓軸承外圈，導(dǎo)致V形槽內(nèi)部出現(xiàn)材料堆積(圖11)，嚴(yán)重影響軸承外表面質(zhì)量，則屬于非正?，F(xiàn)象。因此，若出現(xiàn)唇邊間隙不合格的情況，不能通過過度滾壓解決，否則會造成軸承表面質(zhì)量不合格，可通過修改軸承座工藝尺寸解決間隙問題。

圖11 軸承收口后表面質(zhì)量圖

4.2 工藝尺寸對軸承收口質(zhì)量的影響

4.2.1 軸承座厚度

以ASNA2123-04X軸承為例，固定軸承座倒角r為0.50 mm，通過有限元分析軸承座厚度分別為8.000，8.178，8.300，8.500 mm時對軸承收口質(zhì)量的影響，具體情況如圖12和表2所示。由圖表可知：在相同參數(shù)的情況下，軸承座厚度為8.000和8.178 mm時，唇邊的應(yīng)力應(yīng)變及貼合間隙均滿足軸承收口質(zhì)量要求；當(dāng)軸承座厚度增加到8.300 mm時，倒角尖點處發(fā)生應(yīng)力集中，與倒角斜面的有效貼合長度減小，容易出現(xiàn)載荷試驗不合格的現(xiàn)象；繼續(xù)增加軸承座厚度至8.500 mm時，唇邊與倒角斜面的接觸面積越來越小，同時唇邊間隙也非常明顯，此時軸承的收口質(zhì)量直線下降。

圖12 軸承座厚度對軸承收口質(zhì)量的影響

表2 軸承座厚度對軸承收口質(zhì)量的影響數(shù)據(jù)表

在實際工程應(yīng)用中，ASNA2123-04X軸承的軸承座厚度常為8.178或8.000 mm。如圖13b所示，W=8.178 mm的軸承滾壓收口后外圈發(fā)生金屬變形，與軸承座倒角完全貼合，幾乎沒有唇邊間隙且載荷試驗一次合格。如圖13c所示，W=8.000 mm的軸承滾壓收口后，唇邊沒有完全充盈倒角斜面，裸露的倒角斜面不均勻，容易堆積多余物，當(dāng)軸承座厚度比軸承外圈厚度小0.3～0.5 mm時，軸承安裝過程中存在上下竄動的現(xiàn)象，影響載荷試驗的合格率。

圖13 軸承收口實例示意圖

通過ABAQUS有限元仿真及實際工程應(yīng)用分析發(fā)現(xiàn)：當(dāng)W>C時，基本上很難滿足軸承收口質(zhì)量要求；當(dāng)W≤C時，能滿足軸承收口質(zhì)量要求,特別是當(dāng)C-W∈(0.1,0.2)時，軸承收口質(zhì)量最好。

4.2.2 軸承座倒角

將ASNA2123-04X軸承的軸承座厚度控制為8.178 mm，研究軸承座倒角r分別為0.30，0.50，0.55，0.70 mm時軸承的收口質(zhì)量，結(jié)果如圖14所示，由圖可知：r為0.50及0.55 mm時，軸承收口質(zhì)量較好；當(dāng)r為0.30 mm時，唇邊與倒角的接觸面小，在反復(fù)滾壓唇邊的過程中出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，載荷試驗不合格；當(dāng)r為0.70 mm時，在相同滾壓力的情況下唇邊不易與倒角面貼合，容易形成空隙，載荷試驗不合格。ABAQUS有限元仿真結(jié)果見表3，由表可知：在軸承座厚度符合要求的前提下，軸承座倒角r為(0.6～0.7)P時，軸承收口質(zhì)量最好。

圖14 軸承座倒角對軸承收口質(zhì)量的影響

表3 軸承座倒角對軸承收口質(zhì)量影響數(shù)據(jù)表

軸承座倒角偏小實例如圖15所示，其中軸承座厚度W為8.680 mm，軸承外圈厚度C為8.305 mm，軸承外圈V形槽深度P為0.635 mm，軸承座倒角r為0.50 mm。由于軸承座厚度大于軸承外圈厚度，軸承收口后雖然唇邊間隙符合要求，但載荷試驗不合格，軸承直接被壓出。主要原因為軸承座倒角偏小，唇邊滾壓變形后雖然與倒角完全貼合，但與倒角斜面接觸的有效距離短(圖15b)，在規(guī)定的載荷下軸承容易被壓出。

在軸承座厚度不變的情況下，根據(jù)經(jīng)驗公式，令軸承外圈厚度大于軸承座厚度0.1～0.2 mm，軸承座倒角為(0.6～0.7)P，則軸承座高于軸承外圈單邊厚度為

Q=(8.680-8.305)/2=0.187 5 mm，

軸承座返工后的倒角為

r=0.6P+(Q+0.1)≈0.65 mm。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)將軸承座返工重新進行滾壓收口，檢測表明軸承質(zhì)量滿足要求。

圖15 軸承座倒角偏小實例圖

5 結(jié)論

通過工程實例及理論分析探索了軸承座產(chǎn)品特性與軸承工藝尺寸的關(guān)系，利用ABAQUS對軸承收口模型進行模擬仿真，得出以下結(jié)論：

1)當(dāng)實際工程應(yīng)用中出現(xiàn)軸承收口質(zhì)量問題，如唇邊間隙不合格，載荷試驗不合格，軸承抱死等問題時，解決問題的出發(fā)點應(yīng)從軸承座厚度及倒角的大小入手。

2)唇邊由軸承外圈連續(xù)滾壓發(fā)生塑性變形形成，表面會有輾壓痕跡，但不允許出現(xiàn)過擠壓現(xiàn)象。

3)當(dāng)軸承座厚度小于軸承外圈厚度0.1～0.2 mm，軸承座倒角為軸承外圈V形槽深度的0.6～0.7時，軸承收口質(zhì)量較好。若實際工程中軸承座厚度不滿足要求時，可通過以上關(guān)系換算出軸承座倒角r的數(shù)值，解決軸承收口質(zhì)量問題。