整體型外圈關(guān)節(jié)軸承成形技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

陳繼剛，楊育林，夏振偉，崔淋淋

(1.燕山大學(xué) 航空自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承共性技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 秦皇島 066004；2.一重集團(tuán) 大連設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 大連 116600)

隨著我國(guó)航空航天領(lǐng)域?qū)茏詽?rùn)滑關(guān)節(jié)軸承需求的增加，其制造與應(yīng)用技術(shù)得到高度重視[1-3]。航空用精密整體型外圈自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承當(dāng)前主要依靠進(jìn)口，供貨渠道很不穩(wěn)定。與國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)企業(yè)的設(shè)計(jì)水平較低，且核心制造技術(shù)與工藝研究相對(duì)落后。外圈成形工藝是整體型外圈自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承的核心制造技術(shù)，其將外圈通過(guò)塑性成形裝配到內(nèi)圈上，也稱(chēng)“合套擠壓”工藝，其工藝方法與質(zhì)量水平直接關(guān)系到成品可靠性的實(shí)現(xiàn)。下文總結(jié)了無(wú)自潤(rùn)滑層和帶自潤(rùn)滑層的整體型外圈關(guān)節(jié)軸承的制造工藝，探討了基于“非接觸定向模壓”理論[4]提出的2種用于整體型外圈自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承的創(chuàng)新工藝，并指出了整體型外圈自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承的成形技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。

1 整體型外圈自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承的特點(diǎn)

自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承按其外圈結(jié)構(gòu)的不同可分為單縫型、雙縫型、雙半型和整體型[5]。單縫型的外圈內(nèi)表面制造工藝簡(jiǎn)單，裝配時(shí)可將內(nèi)圈直接壓入開(kāi)縫的外圈，但外圈極易變形，損傷外圈內(nèi)表面自潤(rùn)滑層與內(nèi)圈外表面，且開(kāi)縫會(huì)導(dǎo)致受力不均，降低軸承壽命和可靠性；雙縫型在制造中不會(huì)損傷自潤(rùn)滑層，但因其外圈為剖分結(jié)構(gòu)，安裝相對(duì)復(fù)雜，受力后的變形易造成游隙及受力不均；雙半型在裝配中需將2個(gè)半外圈通過(guò)若干螺栓連接，裝配要求高，此結(jié)構(gòu)不適于小尺寸應(yīng)用場(chǎng)合；整體型因外圈為無(wú)縫結(jié)構(gòu)，內(nèi)、外圈不易分離且受力均勻。在相同尺寸要求下，整體型與其他型相比，承載能力和安全可靠性更高，且因沒(méi)有開(kāi)縫結(jié)構(gòu)，運(yùn)行中不易損傷內(nèi)圈及自潤(rùn)滑層，自潤(rùn)滑可靠性高。

整體型外圈自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承在使用時(shí)無(wú)需補(bǔ)充潤(rùn)滑劑，其主要由一個(gè)帶有外球面的內(nèi)圈和一個(gè)帶有內(nèi)球面的外圈及固定在外圈內(nèi)表面的自潤(rùn)滑層組成，具有結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕、耐沖擊、免維護(hù)、安全可靠性高和壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)[6-7]，已成為飛機(jī)機(jī)械運(yùn)動(dòng)連接處的關(guān)鍵零件，如固定翼飛機(jī)的起落架、機(jī)架、尾翼及直升機(jī)的旋翼系統(tǒng)均有應(yīng)用，還廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械、水利設(shè)施、重載汽車(chē)和軍工機(jī)械等。

2 無(wú)自潤(rùn)滑層的整體型外圈關(guān)節(jié)軸承的國(guó)外成形工藝

整體型外圈關(guān)節(jié)軸承早在20世紀(jì)50年代就開(kāi)始應(yīng)用于高溫、高速、振動(dòng)等惡劣工況，對(duì)其性能的研究與試驗(yàn)相對(duì)較廣，但對(duì)其制造工藝的研究卻進(jìn)展緩慢，以至于制造設(shè)備水平低，工藝流程繁瑣，制造成本也相對(duì)較高。對(duì)此，文獻(xiàn)[8]提出了3種高效且低成本的制造方法。

第1種制造方法如圖1所示。首先制造出成品外圈，內(nèi)圈坯料外表面加工成一個(gè)近似球面，其內(nèi)表面為一圓柱面，圓柱面直徑比成品軸承內(nèi)圈內(nèi)表面直徑略小。將壓桿壓入內(nèi)圈坯料，壓桿錐面對(duì)內(nèi)圈坯料起擴(kuò)徑作用，內(nèi)圈坯料徑向尺寸逐漸增大，同時(shí)壓桿頂著芯軸開(kāi)始向下運(yùn)動(dòng)，當(dāng)內(nèi)圈坯料內(nèi)表面與接近壓桿尾部的圓柱面完全接觸時(shí)，壓桿停止下壓，此時(shí)內(nèi)、外圈呈抱緊狀。最后壓桿沿反向卸出，內(nèi)圈發(fā)生回彈變形，內(nèi)、外圈間產(chǎn)生游隙。

1—壓桿；2—內(nèi)圈坯料；3—外圈；4—芯軸；5—底座；6—彈簧；7—內(nèi)圈

第2種制造方法如圖2所示。與第1種制造方法相同，預(yù)先制備好成品外圈，內(nèi)圈坯料為一個(gè)具有橢球面的鼓形柱體，為便于放入，徑向最大尺寸小于外圈內(nèi)表面徑向最小尺寸。首先將內(nèi)圈坯料置于外圈中，擠壓內(nèi)圈坯料兩端面，隨著擠壓力增大，軸向尺寸逐漸減小，徑向尺寸逐漸增大，橢球面逐漸向球面變形，外圈與內(nèi)圈坯料的間隙不斷減小，當(dāng)外圈內(nèi)表面與內(nèi)圈外表面完全貼緊后，停止擠壓，然后卸去載荷，內(nèi)圈坯料發(fā)生回彈，內(nèi)、外圈間產(chǎn)生游隙。最后對(duì)內(nèi)圈坯料鉆孔加工形成成品。

1—內(nèi)圈坯料；2—外圈；3—內(nèi)圈

第3種制造方法如圖3所示。與前2種制造方法的不同在于內(nèi)圈需預(yù)加工好，外圈坯料內(nèi)表面為一近似球面，徑向尺寸比成品尺寸略大，以便內(nèi)圈放入。首先將外圈坯料與內(nèi)圈固定于底座上。然后通過(guò)模具對(duì)外圈坯料外表面進(jìn)行擠壓，外圈坯料逐漸沿徑向收縮，當(dāng)外圈坯料全部進(jìn)入凹模內(nèi)表面的圓柱面而接觸時(shí)，停止模壓，此時(shí)內(nèi)、外圈緊緊抱合。最后從凹模中頂出外圈坯料，外圈坯料回彈使內(nèi)、外圈間產(chǎn)生游隙。

1—凹模；2—外圈坯料；3—內(nèi)圈；4—底座；5—外圈

文獻(xiàn)[9]也提出一種制造方法，與文獻(xiàn)[8]所提出的方法有所不同，其先對(duì)內(nèi)、外圈按最終尺寸進(jìn)行預(yù)加工，目的是減少后期的加工余量。如圖4所示，首先將預(yù)先制備好的內(nèi)圈壓入外圈，在壓入過(guò)程中外圈的一端脹大，當(dāng)內(nèi)圈完全壓入外圈后，外圈被脹大的一端會(huì)產(chǎn)生一個(gè)向內(nèi)的回彈量，由于回彈量太小，外圈內(nèi)表面與內(nèi)圈外表面無(wú)法形成一個(gè)精確的運(yùn)動(dòng)球副，故對(duì)外圈外表面還要施加一個(gè)徑向壓力，使內(nèi)、外圈間形成符合要求的游隙。

1—內(nèi)圈；2，3—外圈

以上這些國(guó)外成形工藝僅針對(duì)無(wú)自潤(rùn)滑層的整體型外圈關(guān)節(jié)軸承，均未考慮成形對(duì)自潤(rùn)滑層的擠壓作用。

3 帶自潤(rùn)滑層的整體型外圈自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承的成形工藝

帶自潤(rùn)滑層與無(wú)自潤(rùn)滑層的關(guān)節(jié)軸承在制造技術(shù)上略有差異。在航空航天等高尖端應(yīng)用領(lǐng)域，自潤(rùn)滑層多采用聚四氟乙烯織物或帶自潤(rùn)滑性能的薄膜等。在制造過(guò)程中，織物或薄膜極易因成形壓力控制不當(dāng)而破損，降低產(chǎn)品的合格率、力學(xué)性能與使用壽命。

國(guó)外一些軸承企業(yè)雖有帶自潤(rùn)滑層的產(chǎn)品，但出于技術(shù)保密，一直鮮有工藝文獻(xiàn)公布。僅文獻(xiàn)[10]提出了一種整體型外圈自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承的制造方法，如圖5所示。首先將自潤(rùn)滑層粘貼在已加工好的外圈坯料內(nèi)圓柱面上。然后將加工好的內(nèi)圈置于外圈坯料中，并置入凹模內(nèi)。內(nèi)圈和外圈坯料分別由2個(gè)可浮動(dòng)的芯軸和凹模的內(nèi)錐面定位。當(dāng)上、下凹模對(duì)合時(shí)，外圈坯料與自潤(rùn)滑層緊緊包在內(nèi)圈上。當(dāng)作用在凹模上的壓力卸去后，外圈坯料由于回彈產(chǎn)生游隙。最后對(duì)外圈坯料外表面進(jìn)行機(jī)加工。

1—外圈坯料；2—襯墊；3—內(nèi)圈；4—凹模；5，6—芯軸；7—外圈

文獻(xiàn)[11]給出了整體型外圈自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承的制造工藝過(guò)程，如圖6所示。采用2個(gè)球窩擠壓成形，軸承游隙由過(guò)盈芯軸與內(nèi)圈的過(guò)盈量來(lái)控制。首先對(duì)內(nèi)圈坯料進(jìn)行車(chē)加工、熱處理及磨加工，按成品要求制備內(nèi)圈。將內(nèi)圈裝入過(guò)盈芯軸，使內(nèi)圈球面脹大，置入外圈坯料，通過(guò)球面凹模對(duì)外圈坯料進(jìn)行擠壓成形，使內(nèi)、外圈抱死，然后對(duì)外圈坯料進(jìn)行機(jī)加工，最后將過(guò)盈芯軸卸除，形成游隙。

1—過(guò)盈芯軸；2—外圈坯料；3—襯墊；4—內(nèi)圈；5—外圈

文獻(xiàn)[12]采用擠-鐓工藝方法研究了整體型外圈自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承的成形工藝，如圖7所示。首先將內(nèi)圈置于外圈坯料內(nèi)，通過(guò)凹模對(duì)外圈坯料進(jìn)行擠壓成形，成形后外圈坯料緊緊包在內(nèi)圈上。然后對(duì)外圈坯料端面進(jìn)行鐓壓，獲得符合成品要求的游隙時(shí)停止。最后對(duì)外圈坯料外表面進(jìn)行機(jī)加工。

1—凹模；2—外圈坯料；3—襯墊；4—內(nèi)圈；5—外圈

國(guó)內(nèi)一些軸承企業(yè)近幾年已小批量生產(chǎn)整體型外圈自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承，雖已具備一定的設(shè)計(jì)與制造能力，但對(duì)于滿(mǎn)足航空用精密產(chǎn)品的質(zhì)量要求，還缺乏成熟的成形工藝，單件間質(zhì)量穩(wěn)定性和可靠性差異較大，尤其是在成形工藝過(guò)程中自潤(rùn)滑層極易受壓損傷[13]，且外圈成形的內(nèi)球面形狀尺寸精度低，造成游隙不均。

4 無(wú)損傷精密成形工藝

以上工藝用于整體型外圈自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承外圈成形，均難以完全達(dá)到相關(guān)的技術(shù)要求，且成形工藝過(guò)程難以控制，故基于“非接觸定向模壓”理論及虛擬工藝設(shè)計(jì)與優(yōu)化技術(shù)方法，提出了2種無(wú)損傷精密成形新工藝?；谧詽?rùn)滑層無(wú)損傷的要求，在成形過(guò)程中要求外圈對(duì)內(nèi)圈和襯墊無(wú)擠壓或微擠壓，或不易產(chǎn)生不均擠壓與劇烈擠壓作用。

4.1 無(wú)內(nèi)圈作用的外圈模壓精密成形工藝

文獻(xiàn)[4]提出基于“非接觸定向模壓”的整體型外圈自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承的制造方法，通過(guò)控制外圈坯料尺寸參數(shù)和模壓工藝參數(shù)，使外圈內(nèi)表面在不受內(nèi)圈劇烈擠壓作用的情況下逐漸接近一個(gè)理想尺寸的球面，從而保證自潤(rùn)滑層在制造過(guò)程中不受損傷，且游隙符合成品要求，提高產(chǎn)品可靠性及使用壽命。

非接觸定向模壓成形工藝如圖8所示。首先應(yīng)用數(shù)值模擬與優(yōu)化技術(shù)獲得一組外圈坯料、模具型腔的形狀尺寸及工藝控制參數(shù)，然后設(shè)計(jì)、制造相應(yīng)坯料與模具。模壓成形中，芯軸可相對(duì)下凹模做上、下移動(dòng)。將預(yù)加工的內(nèi)圈套在芯軸上，將已加工外圈坯料內(nèi)表面粘貼芳綸-PTFE織物襯墊，然后套在內(nèi)圈上置入下凹模，上凹模向下運(yùn)動(dòng)，外圈坯料受擠壓作用而變形。當(dāng)上凹模碰到限位塊時(shí)，停止模壓。擠壓完成后，內(nèi)表面變形為球面。最后對(duì)外圈外表面及端部進(jìn)行車(chē)、磨加工，獲得符合成品要求的整體型外圈自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承[14]。

1—上凹模；2—芯軸；3—內(nèi)圈；4—襯墊；5—外圈坯料；6—限位塊；7—下凹模；8—外圈

4.2 無(wú)內(nèi)圈作用的外圈旋壓精密成形工藝

為便于控制成形過(guò)程，簡(jiǎn)化成形坯料零件的制造，應(yīng)用局部連續(xù)旋壓成形技術(shù)[15]。文獻(xiàn)[16]提出無(wú)內(nèi)圈作用的整體型外圈自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承的旋壓成形工藝，如圖9所示。采用旋壓成形方法使外圈坯料的成形端內(nèi)表面旋壓成形到內(nèi)圈上，通過(guò)應(yīng)用數(shù)值模擬與優(yōu)化技術(shù)獲得一組外圈坯料、模具型腔的形狀尺寸及工藝控制參數(shù)。首先將內(nèi)圈置入敞口的外圈坯料，裝夾外圈坯料的圓柱段，在外圈坯料的敞口端采用旋壓方式使其變形，隨形貼合于內(nèi)圈上，然后對(duì)外圈外表面進(jìn)行機(jī)加工以獲得成品。該工藝方法所設(shè)計(jì)的外圈坯料輪廓線由直線和圓弧線連接，輪廓敞口便于高精度制造與精度控制；成形過(guò)程中成形力小，坯料易固定，成形條件穩(wěn)定，且無(wú)需制造復(fù)雜曲面的模腔零件。

1—外圈坯料；2—襯墊；3—內(nèi)圈；4—浮動(dòng)軸；5—卡盤(pán)；6—彈簧；7—旋壓輪

5 成形技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

航空用精密整體型外圈自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承的成形技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)為：

(1)成形裝配中接觸界面和自潤(rùn)滑層無(wú)損傷是工藝質(zhì)量的重點(diǎn)要求。航空用整體型外圈自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承應(yīng)具有高可靠性，隨著自潤(rùn)滑層新材料與新表面處理技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，對(duì)成形工藝過(guò)程形成制造損傷的限制必然更加嚴(yán)格。

(2)成形工藝數(shù)字化設(shè)計(jì)及優(yōu)化技術(shù)越來(lái)越重要。軸承外圈材料高強(qiáng)度、彈塑性變形復(fù)雜，成形后的內(nèi)球面尺寸與形狀精度要求高，只有通過(guò)建立一套優(yōu)化的結(jié)構(gòu)參數(shù)與工藝條件參數(shù)才能達(dá)到，而通過(guò)經(jīng)驗(yàn)與實(shí)物試驗(yàn)的方法無(wú)法獲得，必須利用數(shù)字建模、成形數(shù)值模擬和非線性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)等方法，并借助相關(guān)數(shù)字化設(shè)計(jì)軟件，才能獲得優(yōu)化的工藝基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，從而開(kāi)展精密成形工藝研發(fā)。

(3)成形裝備數(shù)字化、伺服化。因成形過(guò)程需要精密控制，成形加載隨時(shí)間變化。因此，只有加載實(shí)現(xiàn)數(shù)字伺服，應(yīng)用伺服壓力機(jī)，才可按工藝要求實(shí)現(xiàn)“時(shí)間-位移”、“位移-壓力”關(guān)系加載，從而更精確地控制成形質(zhì)量。

(4)基于新材料應(yīng)用的新成形工藝有所發(fā)展。傳統(tǒng)關(guān)節(jié)軸承材料為金屬，主要通過(guò)金屬塑性變形而成形的工藝方式制造，國(guó)外學(xué)者近年來(lái)開(kāi)展了外圈采用新型輕合金材料、復(fù)合材料等制造關(guān)節(jié)軸承的研究，出現(xiàn)了成形工藝新技術(shù)，如文獻(xiàn)[6]給出的復(fù)合材料外圈制造工藝等。

6 結(jié)束語(yǔ)

國(guó)內(nèi)、外公開(kāi)的整體型外圈自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承制造方法可分為2類(lèi)：一類(lèi)為機(jī)加工外圈，再在外圈內(nèi)成形內(nèi)圈；另一類(lèi)為機(jī)加工內(nèi)圈，再在內(nèi)圈外收壓外圈。第2類(lèi)方法可通過(guò)機(jī)加工獲得形狀與表面質(zhì)量很高的內(nèi)圈，在運(yùn)動(dòng)中有良好的接觸面與精度較高的固定轉(zhuǎn)動(dòng)中心，因此，精密整體型外圈自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承多采用第2類(lèi)方法制造。

國(guó)內(nèi)目前關(guān)于航空航天及國(guó)防裝備制造等關(guān)鍵領(lǐng)域的關(guān)節(jié)軸承制造工藝的研究剛剛起步，技術(shù)水平較低，國(guó)產(chǎn)精密整體型外圈自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承的性能還不能完全滿(mǎn)足航空配套的要求，主要依賴(lài)進(jìn)口的局面嚴(yán)重制約了我國(guó)在上述領(lǐng)域的發(fā)展。研發(fā)與擁有具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的核心工藝技術(shù)，并獨(dú)立制造高精度整體型外圈自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承已成為國(guó)內(nèi)航空航天軸承配套企業(yè)刻不容緩的任務(wù)，同時(shí)急需軍工管理部門(mén)牽頭與組織協(xié)調(diào)相關(guān)科研單位與制造企業(yè)進(jìn)行航空自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承的核心技術(shù)攻關(guān)。