硬質(zhì)合金滑動軸承倒圓設(shè)計與加工

蘇偉，顏娟

自貢硬質(zhì)合金有限責(zé)任公司 四川自貢 643000

1 序言

硬質(zhì)合金是由難熔金屬化合物和黏結(jié)金屬，通過粉末冶金工藝制成的合金材料，具有硬度高、耐磨、強(qiáng)度高、韌性好、耐熱和耐腐蝕等一系列優(yōu)良性能，廣泛應(yīng)用于耐磨零件。硬質(zhì)合金滑動軸承作為石油、天然氣開采人工舉升系統(tǒng)潛油電泵的核心零部件，主要用于潛油電泵的電動機(jī)、離心泵、保護(hù)器及分離器軸的旋轉(zhuǎn)支撐、扶正、止推和密封，被持續(xù)推廣用于替代復(fù)雜工況和惡劣環(huán)境下的金屬工件。滑動軸承副往往成對使用，包括滑動軸承外圈（簡稱“靜環(huán)”）及滑動軸承內(nèi)圈（簡稱“動環(huán)”）。

在機(jī)械加工中，倒圓是比較常見的一項加工內(nèi)容。車、鏜、磨、銑和鉆等工序都可以完成倒圓的加工。倒圓的主要作用有：①去尖角、毛刺，美化外觀。②安裝導(dǎo)向，便于裝配。③避免銳角對人員及其他零件的劃傷，預(yù)防磕碰，保護(hù)工作面。④保護(hù)刀具，延長刀具使用壽命。⑤減少因應(yīng)力集中而產(chǎn)生的變形開裂現(xiàn)象。

由于不作為直接影響配合的尺寸，倒圓往往被認(rèn)為是非關(guān)鍵工序，因此設(shè)計精度與加工過程易被忽略。這種認(rèn)識上的偏差，導(dǎo)致較多案例出現(xiàn)因倒圓設(shè)計不合理而出現(xiàn)零部件斷裂或裝配異常的情況。例如通過對自動扶梯在運(yùn)行過程中突發(fā)扶手驅(qū)動軸斷裂現(xiàn)象進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)驅(qū)動軸倒圓半徑設(shè)計為0.5mm，而GB/T 6403.4－2008《零件倒圓與倒角》附錄B中規(guī)定，φ70mm軸類零件的倒圓半徑推薦值為2.0mm。由于倒角半徑r顯著影響應(yīng)力集中系數(shù)，所以增大倒角半徑r可以有效減緩應(yīng)力集中，提高零件壽命。

GB/T 6403.4－2008規(guī)定了一般機(jī)械切削加工零件的外角和內(nèi)角的倒圓、倒角，但對有特殊要求的倒圓、倒角指導(dǎo)有限。部分論文敘述了棱邊應(yīng)力集中產(chǎn)生危害的案例，但未見此類設(shè)計在硬質(zhì)合金產(chǎn)品應(yīng)用過程中的影響。硬質(zhì)合金滑動軸承副應(yīng)用于潛油電泵中，要求具有較高的工作效率，因此有必要對硬質(zhì)合金倒圓設(shè)計進(jìn)行嚴(yán)格的分析計算，同時在加工過程中選擇適當(dāng)?shù)募庸し椒ā?/p>

2 出現(xiàn)的問題

海上石油開采主要是在石油開采平臺進(jìn)行作業(yè)，除少數(shù)自噴井以外，大部分都是使用潛油電泵進(jìn)行作業(yè)，其核心零部件硬質(zhì)合金滑動軸承副，同時起到徑向與軸向支撐作用?；瑒虞S承副的裝配如圖1所示。在某滑動軸承副的設(shè)計中，電動機(jī)軸通過鍵槽傳動使滑動軸承內(nèi)圈（動環(huán)）運(yùn)轉(zhuǎn)，滑動軸承外圈（靜環(huán)）安裝在葉導(dǎo)輪殼體內(nèi)，動環(huán)的外圓與靜環(huán)內(nèi)孔形成摩擦副，動環(huán)的臺背面與靜環(huán)大端面形成摩擦副。正常運(yùn)轉(zhuǎn)時，動環(huán)的臺背面與靜環(huán)大端面必須緊密貼合，潛油電泵才能穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖1 滑動軸承副的裝配示意

我公司生產(chǎn)某型號潛油電泵用硬質(zhì)合金滑動軸承副，動環(huán)與靜環(huán)配合使用，要求動環(huán)外圓R2.5～R2.7mm，靜環(huán)內(nèi)孔R2.8～R3.0mm。動環(huán)如圖2所示，靜環(huán)如圖3所示。當(dāng)產(chǎn)品配套裝配于潛油電泵的電動機(jī)上后，在起動運(yùn)行過程中，軸承副需要很長時間才能磨合完成達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)。

圖2 動環(huán)

圖3 靜環(huán)

3 分析與討論

從硬質(zhì)合金滑動軸承的使用工況看，當(dāng)動環(huán)臺背面與靜環(huán)端面緊密配合時，泵才能達(dá)到平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)。軸承副需要很長時間才能磨合完成達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)，表明裝配后動環(huán)臺背面與靜環(huán)端面未實現(xiàn)緊密配合。造成該現(xiàn)象的原因有兩種：一是動環(huán)臺背面或靜環(huán)端面的平面度不好，二是動環(huán)R與靜環(huán)R出現(xiàn)干涉。

如果動環(huán)臺背面或靜環(huán)端面的平面度不好，受力面凸凹不平，具有局部高點(diǎn)，其偏差超過最小油膜厚度，會破壞動環(huán)臺背面或靜環(huán)端面之間所建立的油膜，兩接觸端面就會在半干摩擦或干摩擦狀態(tài)下運(yùn)行，造成運(yùn)行不平穩(wěn)甚至端面損壞。對靜環(huán)產(chǎn)品按照J(rèn)B/T 7369－1994《機(jī)械密封端面平面度檢驗方法》進(jìn)行平面度檢測，滿足用戶設(shè)計光帶要求，表明造成該現(xiàn)象的原因并非平面度不合格。

使用日本三豐CV-2000輪廓儀隨機(jī)抽檢動環(huán)與靜環(huán)產(chǎn)品，R尺寸均滿足圖樣要求。但在人工手動相對旋轉(zhuǎn)動、靜環(huán)時，出現(xiàn)卡滯異響，同時觀察到動環(huán)的臺背面與靜環(huán)大端面無法貼平，說明動環(huán)與靜環(huán)根部R確實發(fā)生了干涉，導(dǎo)致潛油電泵起動時阻力很大。

GB/T 6403.4－2008給出了內(nèi)角、外角分別為倒圓、倒角（倒角為45°）的裝配形式（見圖4）。按照裝配關(guān)系，靜環(huán)與動環(huán)裝配形式設(shè)計屬于圖4b類型，即內(nèi)角倒圓、外角倒圓。在GB/T 6403.4－2008第5點(diǎn)中指出對于R、R1、C和C1的確定，內(nèi)角倒圓、外角倒圓時，R1＞R。

圖4 內(nèi)角、外角分別為倒圓、倒角的裝配形式

當(dāng)動環(huán)與靜環(huán)按照倒角設(shè)計，即按照圖4d加工時，倒角尺寸的公差能直觀表現(xiàn)裝配的間隙，如內(nèi)角C尺寸為2.5mm，外角C1尺寸為2.8mm，則裝配間隙為C1－C＝2.8－2.5＝0.3（mm）；當(dāng)動環(huán)與靜環(huán)按照倒角設(shè)計，即按照圖4b加工時，倒圓設(shè)計裝配間隙如圖5所示。由圖5可看出，內(nèi)倒圓R尺寸為2.5mm，外倒圓R1尺寸為2.8mm，則裝配間隙最大位置B為0.12（mm），而不是R1－R＝0.3mm，從位置B至位置A、E，間隙逐漸減小至0mm，可見倒圓設(shè)計比常規(guī)倒角設(shè)計間隙要小得多。

圖5 倒圓設(shè)計裝配間隙示意

在硬質(zhì)合金滑動軸承加工過程中，由于硬質(zhì)合金的難加工特性，無法通過車削方式控制軌跡插補(bǔ)成形，往往通過成形砂輪磨削，導(dǎo)致砂輪消耗快，無法形成完整的R形狀。在加工靜環(huán)內(nèi)孔R時，由于不能采用成形砂輪同時加工產(chǎn)品端面、內(nèi)孔R及內(nèi)孔，加工完整的R只存在理論上的可能性，所以為保證內(nèi)孔R與端面及內(nèi)孔光滑過渡，內(nèi)孔R砂輪需要設(shè)計為帶角度10°。靜環(huán)內(nèi)圓R成形如圖6所示。

圖6 靜環(huán)內(nèi)圓R成形示意

成形砂輪角度設(shè)計將進(jìn)一步減小位置E軸向間隙至0.06mm，即當(dāng)內(nèi)孔R有0.06mm未加工到位時，靜環(huán)內(nèi)孔R與動環(huán)外圓R就開始出現(xiàn)干涉，這對成形砂輪磨削要求極高。位置E軸向間隙減小后，靜環(huán)內(nèi)圓R成形如圖7所示。

圖7 位置E軸向間隙減小后靜環(huán)內(nèi)圓R成形示意

因此當(dāng)硬質(zhì)合金靜環(huán)內(nèi)孔R加工不到位（表現(xiàn)在端面與內(nèi)孔上長度不夠），即R尺寸雖然測量合格，但未達(dá)到理論上的完整輪廓R時，現(xiàn)有成形砂輪磨削加工工藝極易導(dǎo)致產(chǎn)品裝配時出現(xiàn)干涉。同理，動環(huán)外圓R延長線較長時，也會引起R處產(chǎn)生干涉，導(dǎo)致動環(huán)臺背面與靜環(huán)端面無法實現(xiàn)緊密配合。

4 采取的措施

相關(guān)技術(shù)文獻(xiàn)認(rèn)為，小圓弧+大圓弧+斜邊倒角是目前最適宜的裝配倒角形式。當(dāng)加工動環(huán)外圓R時，采用成形砂輪一次性加工外圓滿足及臺背為避免砂輪消耗引起R干涉，在修整成形砂輪時，先將砂輪修整成標(biāo)準(zhǔn)R2.5mm，再將砂輪端面及外圓修磨0.1mm，使加工后的動環(huán)R形成如圖8所示輪廓。正常加工動環(huán)外圓時，在保證R2.5～R2.7mm的前提下，控制R在臺背寬度及外圓長度為2.0～2.5mm。

圖8 動環(huán)R形成的輪廓

當(dāng)加工靜環(huán)內(nèi)圓R時，無法采用成形砂輪一次性加工內(nèi)圓滿足及臺背內(nèi)孔R需要采用成形砂輪單獨(dú)加工，同時為保證內(nèi)孔R與端面及內(nèi)孔光滑過渡，內(nèi)孔R砂輪需要設(shè)計為角度10°。控制內(nèi)孔R的關(guān)鍵在于保證去除足夠的尺寸，這需要嚴(yán)格的檢驗，正常加工靜環(huán)內(nèi)孔R，在保證R（3±0.1）mm前提下，R在端面寬度及內(nèi)孔長度為2.5～3.0mm。

按照新工藝加工的產(chǎn)品，動環(huán)與靜環(huán)能夠?qū)崿F(xiàn)端面貼平，在潛油電泵起動運(yùn)行過程中，能通過短時間磨合達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。

5 結(jié)束語

在產(chǎn)品設(shè)計過程中，由于倒圓、倒角對于設(shè)計人員來說，往往被認(rèn)為是微不足道的問題，但是在零件使用和裝配過程中，卻因為這些小問題而影響了產(chǎn)品質(zhì)量，所以倒圓、倒角不容忽視。硬質(zhì)合金的難加工特性，使其不能像車削鋼件那樣達(dá)到完整倒圓。通過對裝配原理的分析，制定合理的加工手段，可避免出現(xiàn)裝配干涉，滿足使用要求。