帶導(dǎo)油槽的雙半內(nèi)圈角接觸球軸承內(nèi)圈加工工藝

關(guān)云朋，唐雙晶

(中國(guó)航發(fā)哈爾濱軸承有限公司，哈爾濱 150025)

某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)低壓轉(zhuǎn)子雙半內(nèi)圈角接觸球軸承是航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸固定支承，在高溫、高速工況下承受較大的軸向載荷和一定的徑向載荷[1]，其形位精度直接影響飛機(jī)飛行的可靠性和安全性[2]，因此提高軸承的加工質(zhì)量是保證航空發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)壽命及高可靠性的重要因素。

1 半內(nèi)圈結(jié)構(gòu)及其技術(shù)要求

某型帶導(dǎo)油槽雙半內(nèi)圈角接觸球軸承屬于特輕系列，壁薄，寬度小，精度等級(jí)為P4，材料選用高溫軸承鋼8Cr4Mo4V，半內(nèi)圈寬度為15.15 mm，比常規(guī)套圈的一半還小， 結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中， 52-1為不帶止動(dòng)槽的半內(nèi)圈；52-2為帶止動(dòng)槽的半內(nèi)圈；di為滾道接觸點(diǎn)直徑；R為溝曲率半徑；e為偏心量；R2為過渡圓角，尺寸為2 mm；6-7均布為6處均布，寬度為7 mm。

圖1 帶導(dǎo)油槽的雙半內(nèi)圈角接觸球軸承內(nèi)圈結(jié)構(gòu)示意圖

為保證軸承潤(rùn)滑充分，采用環(huán)下潤(rùn)滑方式，在52-1小端面開有4個(gè)均布的弧形油槽(以下簡(jiǎn)稱徑向油槽)；內(nèi)徑面開有6個(gè)均布的錐度為1 ∶100的軸向油槽。潤(rùn)滑油從軸向油槽壓出后，經(jīng)徑向油槽進(jìn)入內(nèi)溝道和引導(dǎo)擋邊，高速旋轉(zhuǎn)的鋼球及離心力將潤(rùn)滑油帶到保持架兜孔及外溝道，然后從外圈擋邊排出[3]。這種結(jié)構(gòu)有利于軸承冷卻，但卻給機(jī)械加工帶來很大困難。

內(nèi)圈溝道是軸承工作時(shí)承受載荷的工作表面，也是鋼球滾動(dòng)的軌道，溝道加工質(zhì)量的好壞，會(huì)直接影響軸承的工作性能和使用壽命[4]。磨加工過程中內(nèi)圈溝道形位精度要求如圖2所示，主要技術(shù)要求見表1。

圖2 溝道形位精度示意圖

表1 溝道磨削主要技術(shù)要求

2 工藝難點(diǎn)分析及解決措施

內(nèi)圈在加工過程中受結(jié)構(gòu)、材料因素等的影響會(huì)發(fā)生翹曲、溝位置偏離及變形等問題。

2.1 平面度控制

2.1.1 難點(diǎn)分析

半內(nèi)圈寬度小，外徑尺寸大，徑寬比達(dá)到10 ∶1。粗磨用立軸圓臺(tái)平面磨床M7475B加工去除大部分留量，受磁臺(tái)磁力影響，平面度達(dá)到0.02～0.03 mm，導(dǎo)致粗磨溝道端面跳動(dòng)大，終磨時(shí)不易修正。

2.1.2 解決措施

在粗磨平面后增加在高精度雙端面研磨機(jī)AC1200F上細(xì)磨平面，設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖3所示。采用CBN砂輪上盤加壓，上、下研盤同向或異向轉(zhuǎn)動(dòng)，中間驅(qū)動(dòng)齒輪由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)隔離盤自轉(zhuǎn)的同時(shí)又繞中間驅(qū)動(dòng)齒輪公轉(zhuǎn)，完成工件兩端面磨削。磨削后平面度提高至0.006 mm，經(jīng)終磨后平面度可達(dá)到0.002 mm，保證了溝道端面跳動(dòng)3.5 μm的要求。

1—固定齒圈；2—CBN砂輪上研盤；3—中間驅(qū)動(dòng)齒輪；4—CBN砂輪下研盤；5—工件；6—隔離盤(行星輪)。

2.2 半內(nèi)圈溝位置控制

2.2.1 難點(diǎn)分析

由于溝道加工方式為單片加工，加工時(shí)以大端面定位，而溝位置即偏心量e以小端面為基準(zhǔn)，半圈厚度的誤差會(huì)疊加到溝位置，造成溝位置超差。通常厚度尺寸公差為-0.03 mm，對(duì)溝位置影響很大。

另外，結(jié)合圖1中的幾何關(guān)系，由勾股定理得

e=(R-Dw/2)sinβ0，

式中：Dw為鋼球直徑；β0為內(nèi)圈接觸角。

則溝曲率半徑R也會(huì)影響溝位置。

2.2.2 解決措施

1)在終磨平面工序，厚度的同批次尺寸相互差按0.008 mm控制。

在細(xì)、終磨內(nèi)溝道工序，將內(nèi)圈按高度尺寸公差0.003 mm進(jìn)行分組加工，減小由于基準(zhǔn)不統(tǒng)一造成厚度尺寸相互差對(duì)溝位置的影響。

2)采用高精度數(shù)控外圓磨床SUU130B進(jìn)行首件制作時(shí)，每組厚度做首件溝位置檢測(cè)，e應(yīng)盡量控制在中間段尺寸。

3)將溝曲率公差盡量控制在中間值，減小對(duì)溝位置的影響。

采用上述措施后，用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)xreference 600對(duì)溝位置進(jìn)行100%檢測(cè)，合格率可達(dá)到98%。

2.3 導(dǎo)油槽引起的變形

2.3.1 難點(diǎn)分析

常規(guī)加工方案是將能滿足精度要求的導(dǎo)油槽通過車加工完成。但兩半內(nèi)圈壁薄，導(dǎo)油槽的存在，讓半內(nèi)圈壁厚和寬度尺寸更小，且內(nèi)孔表面不連續(xù)，加工過程中受切削力和切削熱的影響，易發(fā)生變形。

車加工內(nèi)徑面開軸向油槽后，淬、回火過程中會(huì)引起應(yīng)力不均勻釋放，導(dǎo)致溝道橢圓度超差，后續(xù)粗磨循環(huán)穩(wěn)定時(shí)同樣會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力和變形。

徑向油槽在兩半內(nèi)圈的溝底位置，磨削及精研溝道時(shí)，經(jīng)過小端面導(dǎo)油槽時(shí)同樣會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)及變形，使溝道精度超差。

2.3.2 解決措施

采用合鍛件車加工兩半內(nèi)圈，即將2個(gè)半圈加工成1個(gè)厚度是原單件2倍的零件，再?gòu)闹虚g切斷，分為2件，提高零件剛性。車加工裝夾采用寬卡爪，加工前車削卡爪，進(jìn)行合圓，減少夾緊變形。

將導(dǎo)油槽加工放到磨加工進(jìn)行，避免導(dǎo)油槽結(jié)構(gòu)引起熱處理淬、回火變形。

3 磨加工工藝優(yōu)化

3.1 導(dǎo)油槽加工工序位置安排

磨加工采用2次循環(huán)，1次穩(wěn)定(高溫補(bǔ)充回火)的方法去除內(nèi)部應(yīng)力。為減小軸向油槽及徑向油槽對(duì)產(chǎn)品精度的影響，將軸向油槽安排在內(nèi)徑及滾道終磨完成后，用線切割加工；為避免對(duì)溝道磨削及精研的影響，徑向油槽放在精研溝道后進(jìn)行。

帶軸向油槽半內(nèi)圈磨加工工藝流程：粗磨循環(huán)(粗磨平面→粗磨內(nèi)圈外徑面→粗磨內(nèi)徑面→粗磨內(nèi)溝道)→高溫穩(wěn)定(補(bǔ)充回火，回火溫度500 ℃)→終磨循環(huán)(終磨平面→細(xì)、終磨內(nèi)圈外徑面→細(xì)、終磨內(nèi)徑面→細(xì)、終磨內(nèi)溝道)→線切割軸向油槽→低溫穩(wěn)定(補(bǔ)充回火，回火溫度135 ℃)→精研溝道→磨徑向油槽→去銳角→提交。

精研加工后發(fā)現(xiàn)，大約有40%套圈的溝道圓度超差，圓度形狀呈六波形(與軸向油槽分布相近的六瓣形凸起)，檢測(cè)外徑面同樣出現(xiàn)圓度超差，形狀與溝道圓度形狀相近，原因是線切割軸向油槽穩(wěn)定后發(fā)生了微量變形。

3.2 導(dǎo)油槽加工工序位置優(yōu)化

將原2次循環(huán)1次穩(wěn)定，調(diào)整為3次循環(huán)2次穩(wěn)定。將導(dǎo)油槽加工工序位置調(diào)整到細(xì)磨溝道后并增加1次細(xì)磨循環(huán)，消除微量變形。

改進(jìn)加工工藝流程：粗磨循環(huán)→高溫穩(wěn)定(補(bǔ)充回火，回火溫度500 ℃)→細(xì)磨循環(huán)→線切割軸向油槽→低溫穩(wěn)定(補(bǔ)充回火，回火溫度135 ℃)→終磨循環(huán)→精研溝道→磨徑向油槽→去銳角→提交。

按此流程加工后，終磨溝道發(fā)現(xiàn)仍有接近30%產(chǎn)品的溝道圓度超差，形狀與導(dǎo)油槽分布相近。

3.3 溝道磨削方法優(yōu)化

由于內(nèi)圈壁薄、寬度小且內(nèi)徑分布有油槽，在受到較大磨削力和磨削熱作用的情況下，引起工件內(nèi)部應(yīng)力重新分布，應(yīng)力從壁厚較薄的部位釋放，造成圓度超差。

通過選用雙浮動(dòng)支承，優(yōu)化切削參數(shù)，采用小進(jìn)給量和多次磨削的加工方法，優(yōu)選砂輪等措施，提高溝道圓度合格率。

3.3.1 選用雙浮動(dòng)支承

采用與工件外徑尺寸相同的硬質(zhì)合金浮動(dòng)支承，前支承采用單浮動(dòng)支承方式，后支承采用雙浮動(dòng)支承方式，使工件在加工方向的后支承由原來單浮動(dòng)支承2個(gè)面接觸增加到雙浮動(dòng)支承4個(gè)面接觸，通過增加與套圈的接觸面積分解磨削抗力，從而有效緩解薄壁套圈磨削時(shí)磨削力引起的磨削變形。

3.3.2 磨削參數(shù)優(yōu)化

為減小磨削抗力及減少磨削熱，將原磨削量0.05 mm/次降低為0.02～0.03 mm/次，進(jìn)給速度由2～4 μm/s調(diào)整為1～2 μm/s，同時(shí)將光磨時(shí)間由2～3 s調(diào)整為3～4 s，以更好的修正變形。

3.3.3 磨具優(yōu)化

原89A320KV砂輪磨削時(shí)，套圈外觀質(zhì)量好，表面粗糙度小，但磨削力相對(duì)大且砂輪易粘鐵。改用89A220KV砂輪磨削時(shí)，砂輪形狀保持性好，溝曲率半徑R值穩(wěn)定，表面粗糙度Ra達(dá)到0.25～0.32 μm，表面質(zhì)量滿足要求。

4 兩半內(nèi)圈內(nèi)徑及溝道組配

目前還無法實(shí)現(xiàn)兩半內(nèi)圈的整體加工，只能單片加工后再配對(duì)，磨加工時(shí)按如下要求控制單片精度，提高兩半內(nèi)圈配套率。

1)終磨內(nèi)徑后，按內(nèi)徑尺寸相互差小于3 μm進(jìn)行分組，在每件工件端面上記錄內(nèi)徑尺寸偏差。

2)終磨溝道加工兩半圈，按內(nèi)徑尺寸相互差不大于 0.003 mm，溝道尺寸相互差不大于0.005 mm進(jìn)行配對(duì)。

3)精研溝道后，將滿足同一內(nèi)徑編組的兩半內(nèi)圈按溝道尺寸相互差小于5 μm的要求進(jìn)行配對(duì)。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)兩半內(nèi)圈加工中遇到的翹曲度超差、溝位置偏離及變形大等問題，對(duì)原工藝流程進(jìn)行優(yōu)化，車加工取消導(dǎo)油槽加工并采用寬卡爪夾緊，減少工件內(nèi)部應(yīng)力的產(chǎn)生，保證熱處理時(shí)軸承的剛度，控制熱處理變形量；磨加工優(yōu)選導(dǎo)油槽的加工位置，將2次循環(huán)增加為3次循環(huán)，同時(shí)提高平面定位基準(zhǔn)的精度，增加同批次厚度尺寸相互差要求，并在溝道磨削中采取雙浮動(dòng)支承，細(xì)化切削參數(shù)，優(yōu)選磨具粒度等措施，有效解決了內(nèi)圈精度易超差，廢品率高的問題。采取上述措施后，內(nèi)圈的合格率由60%～65%提高到80%～85%。

對(duì)于薄壁、帶導(dǎo)油槽特殊結(jié)構(gòu)的內(nèi)圈，只有將降低結(jié)構(gòu)對(duì)零件成品精度的影響貫穿到整個(gè)加工流程中，即車加工、熱處理、磨加工均采取有效措施，逐步提高精度，才能滿足產(chǎn)品要求。此方法為今后加工此類產(chǎn)品積累了經(jīng)驗(yàn)，并可推廣應(yīng)用到其他相近的產(chǎn)品中。