彈性復(fù)合圓柱滾動(dòng)體的加工工藝

余江鴻　楊　文　李　超　姚齊水

1.湖南工業(yè)大學(xué),株洲,412007　　2.湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院,株洲,412001

彈性復(fù)合圓柱滾動(dòng)體的加工工藝

余江鴻1楊文2李超1姚齊水1

1.湖南工業(yè)大學(xué),株洲,4120072.湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院,株洲,412001

以NU318E型彈性復(fù)合圓柱滾子軸承為研究對(duì)象,對(duì)彈性復(fù)合圓柱滾動(dòng)體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析和優(yōu)化,確定了加工尺寸，制定了滾動(dòng)體加工工藝路線。對(duì)加工過程中同軸度難以保證、內(nèi)孔及深穴表面粗糙度要求高、材料填充工藝復(fù)雜等加工難點(diǎn)和重點(diǎn)進(jìn)行了討論，并對(duì)工藝方案進(jìn)行了多次試驗(yàn)和調(diào)整。加工試件檢測(cè)結(jié)果表明，采用該工藝方案加工的彈性復(fù)合圓柱滾動(dòng)體符合設(shè)計(jì)的要求，工藝路線制定合理。

彈性復(fù)合圓柱滾子軸承;加工工藝;材料填充;同軸度

0　引言

彈性復(fù)合圓柱滾子軸承是一種新型的滾動(dòng)軸承。彈性復(fù)合圓柱滾動(dòng)體是彈性復(fù)合圓柱滾子軸承的重要組成部分,工作過程中彈性復(fù)合圓柱滾動(dòng)體除了自身沿軸心發(fā)生自轉(zhuǎn)外，還沿著內(nèi)圈的滾道公轉(zhuǎn)[1-2]。研究表明,由于彈性復(fù)合圓柱滾子軸承的特殊結(jié)構(gòu),其承載能力較一般圓柱滾子軸承更為優(yōu)越[3-5]。

彈性復(fù)合圓柱滾動(dòng)體作為軸承的關(guān)鍵部件,其加工質(zhì)量直接影響著彈性復(fù)合圓柱滾子軸承的綜合性能[6-7]。彈性復(fù)合圓柱滾動(dòng)體屬于一種回轉(zhuǎn)類零件，這類零件的內(nèi)孔與外圓一般有嚴(yán)格的同軸度、尺寸公差和表面粗糙度要求,主要工藝難點(diǎn)是如何保證同軸度。同時(shí)彈性復(fù)合圓柱滾動(dòng)體是一種二元復(fù)合結(jié)構(gòu)體，對(duì)其內(nèi)孔填充材料時(shí)工藝要求較高。如何根據(jù)彈性復(fù)合圓柱滾動(dòng)體的結(jié)構(gòu)尺寸、精度要求及生產(chǎn)實(shí)際，有針對(duì)性地制定出比較合理的工藝，是本文研究的主要內(nèi)容。

1　彈性復(fù)合圓柱滾動(dòng)體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及加工工藝

1.1結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

彈性復(fù)合圓柱滾子軸承的結(jié)構(gòu)形式是在空心深穴滾動(dòng)體內(nèi)嵌入PTFE(聚四氟乙烯)材料,形成彈性復(fù)合圓柱滾動(dòng)體[8-9]。由于彈性復(fù)合圓柱滾子軸承的滾動(dòng)體較實(shí)心圓柱滾動(dòng)體更容易變形，相同載荷作用下，滾動(dòng)體與滾道的接觸半寬增大，接觸應(yīng)力相應(yīng)減??；相對(duì)實(shí)心圓柱滾動(dòng)體而言，彈性復(fù)合圓柱滾動(dòng)體的受力狀況明顯改善，特別是滾動(dòng)體內(nèi)孔彎曲應(yīng)力降低，因此，軸承的抗疲勞破壞能力增強(qiáng)，安全服役壽命延長(zhǎng)。這種新型軸承除了可以延長(zhǎng)安全服役壽命、提高轉(zhuǎn)動(dòng)精度外，還有明顯的減振降噪效果,這是由于嵌入的PTFE材料有良好的吸收振動(dòng)能量的特性所致。經(jīng)過對(duì)比試驗(yàn),彈性復(fù)合圓柱滾子軸承減振降噪效果明顯優(yōu)于實(shí)心圓柱滾子軸承和空心圓柱滾子軸承的減振降噪效果，這使得軸承本身乃至軸承支撐的整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能得到了進(jìn)一步的改善。嵌入的PTFE材料的密度(2.2～2.3 g/cm3)遠(yuǎn)小于軸承鋼的密度(7.58～7.80 g/cm3),對(duì)于相同外徑的滾動(dòng)體而言，彈性復(fù)合滾動(dòng)體的質(zhì)量比實(shí)心圓柱滾動(dòng)體質(zhì)量要小,因此,彈性復(fù)合圓柱滾子軸承的極限轉(zhuǎn)速要高于實(shí)心圓柱滾子軸承的極限轉(zhuǎn)速[10-11]。彈性復(fù)合圓柱滾子軸承加工后實(shí)物如圖1所示。

(a)整體圖

(b)局部放大圖圖1　彈性復(fù)合圓柱滾子軸承實(shí)物圖

1.2加工工藝

彈性復(fù)合圓柱滾子軸承的加工主要是彈性復(fù)合圓柱滾動(dòng)體的加工。彈性復(fù)合圓柱滾動(dòng)體由深穴空心滾動(dòng)體和填充材料兩部分組成,由于是二元復(fù)合結(jié)構(gòu)，且要求同心精度和光潔度高，所以彈性復(fù)合圓柱滾動(dòng)體加工工藝較復(fù)雜。

基于試驗(yàn)樣品的加工屬于小批量加工，對(duì)彈性復(fù)合圓柱滾動(dòng)體的加工來說，其加工過程為先加工深穴空心滾動(dòng)體部分，再對(duì)其進(jìn)行材料填充處理。彈性復(fù)合圓柱滾動(dòng)體加工工藝為：棒料→車外徑、切斷→車兩端面、倒角、圓穴→軟磨外徑→軟磨端面→車內(nèi)孔、車深穴→熱處理→硬竄黑皮→磨內(nèi)孔、磨深穴(采用專用檢測(cè)工具進(jìn)行檢測(cè))→粗磨外徑→同軸度檢測(cè)(同軸度控制在0.01 mm以內(nèi))→填充材料(經(jīng)過一定工藝處理，使填充材料與深穴空心滾動(dòng)體內(nèi)壁緊密接觸)→粗磨端面→細(xì)磨外徑(保持較高精度)→終磨端面→初檢、外觀。

1.3加工要求和難點(diǎn)

彈性復(fù)合圓柱滾子軸承是一種新型軸承，不同外形結(jié)構(gòu)尺寸的彈性復(fù)合圓柱滾子軸承其最優(yōu)結(jié)構(gòu)尺寸不同，在加工前需結(jié)合特定外形尺寸型號(hào)通過理論分析得出最優(yōu)結(jié)構(gòu)尺寸。彈性復(fù)合圓柱滾子軸承由于結(jié)構(gòu)較一般圓柱滾子軸承復(fù)雜，特別是彈性復(fù)合圓柱滾動(dòng)體的加工要求高，難度大,主要難點(diǎn)如下。

(1)彈性復(fù)合圓柱滾動(dòng)體內(nèi)孔與外圓的同軸度要求高。一般情況下彈性復(fù)合圓柱滾子軸承的工作環(huán)境是高速運(yùn)轉(zhuǎn)，為了避免因制造精度不高特別是同軸度精度不高而產(chǎn)生較大振動(dòng)，就需要對(duì)彈性復(fù)合圓柱滾動(dòng)體內(nèi)孔與外圈的同軸度要求特別高。

(2)彈性復(fù)合圓柱滾動(dòng)體內(nèi)孔和深穴加工。彈性復(fù)合圓柱滾子軸承有邊緣深穴設(shè)計(jì)，這樣可降低或避免“邊緣效應(yīng)”，提高其工作壽命。彈性復(fù)合圓柱滾動(dòng)體內(nèi)孔的表面粗糙，諸如加工后留下的刀痕等易形成疲勞裂紋，從而很大程度上影響其工作壽命。由于內(nèi)孔和深穴尺寸相對(duì)較小，在內(nèi)孔和深穴的磨削加工中存在較大難度。

(3)材料填充。彈性復(fù)合圓柱滾動(dòng)體是一種二元結(jié)構(gòu)體，存在軸承鋼與PTFE兩種材料怎樣結(jié)合的問題。由于彈性復(fù)合圓柱滾子軸承的使用環(huán)境要求比較高，為保證兩種材料很好“吻合”而不產(chǎn)生縫隙，這對(duì)材料填充工藝提出了很高的要求。

2　實(shí)例分析

以NU318E型彈性復(fù)合圓柱滾子軸承為例，就其滾動(dòng)體結(jié)構(gòu)優(yōu)化，加工過程中的同軸度、深穴加工和材料填充工藝進(jìn)行討論。

2.1結(jié)構(gòu)優(yōu)化

彈性復(fù)合圓柱滾動(dòng)體結(jié)構(gòu)如圖2所示，為了優(yōu)化彈性復(fù)合圓柱滾動(dòng)體的結(jié)構(gòu)尺寸，定義滾動(dòng)體的填充度K=d/D,用ABAQUS軟件對(duì)彈性復(fù)合圓柱滾子軸承進(jìn)行有限元建模,如圖3所示。分析一定工況下彈性復(fù)合圓柱滾子軸承的接觸應(yīng)力、von Mises應(yīng)力、彎曲應(yīng)力以及變形量對(duì)滾動(dòng)體結(jié)構(gòu)尺寸的影響，根據(jù)計(jì)算結(jié)果最終確定彈性復(fù)合圓柱滾子軸承滾動(dòng)體填充度最優(yōu)值為55%[3]。

為了研究合理的深穴設(shè)計(jì)對(duì)彈性復(fù)合圓柱滾子軸承邊緣應(yīng)力集中的影響，將深穴結(jié)構(gòu)參數(shù)化，提出深穴角度α和深穴半徑c兩個(gè)設(shè)計(jì)變量，利用正交試驗(yàn)法和有限元方法確定出BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)樣本數(shù)據(jù)。通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)算法建立設(shè)計(jì)變量與最大應(yīng)力之間的映射關(guān)系，獲得遺傳算法結(jié)構(gòu)優(yōu)化所需的目標(biāo)函數(shù)，采用遺傳算法對(duì)彈性復(fù)合圓柱滾動(dòng)體的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)勝劣汰的尋優(yōu)搜索運(yùn)算，以NU318E型軸承為優(yōu)化對(duì)象，得到最優(yōu)設(shè)計(jì)變量α=48.68°、c=9.67 mm,優(yōu)化后的彈性復(fù)合圓柱滾動(dòng)體的邊緣區(qū)域以及橢圓區(qū)域的最大接觸應(yīng)力和最大等效應(yīng)力的綜合值最小，彈性復(fù)合圓柱滾子軸承的接觸疲勞壽命和承載能力較未優(yōu)化前提高了。

圖2　彈性復(fù)合圓柱滾動(dòng)體結(jié)構(gòu)示意圖

圖3　彈性復(fù)合圓柱滾動(dòng)體仿真實(shí)體結(jié)構(gòu)圖

由于內(nèi)嵌PTFE高分子材料結(jié)構(gòu)復(fù)雜，彈性復(fù)合圓柱滾動(dòng)體的加工工藝與一般圓柱滾動(dòng)體不同，且加工難度也較大。

2.2同軸度加工

彈性復(fù)合圓柱滾子軸承在工作過程中的高轉(zhuǎn)速對(duì)彈性復(fù)合圓柱滾動(dòng)體的加工質(zhì)量提出了很高的要求。彈性復(fù)合圓柱滾動(dòng)體加工工藝難點(diǎn)之一就是加工過程中要保證內(nèi)孔與外圓具有較高的同軸度，高速旋轉(zhuǎn)的彈性復(fù)合圓柱滾動(dòng)體內(nèi)孔與外圓的基準(zhǔn)軸線相差較大會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)源，影響軸承的正常工作性能并產(chǎn)生噪聲，為了保證彈性復(fù)合圓柱滾動(dòng)體內(nèi)孔與外圓的同軸度，采取先磨內(nèi)孔，再以內(nèi)孔定位磨外圓的加工方法。

通常采用的工藝是先在內(nèi)圓磨床上用三爪卡盤卡住彈性復(fù)合圓柱滾動(dòng)體外圓磨出內(nèi)孔，然后再根據(jù)其內(nèi)孔的尺寸配磨一根心軸。磨削心軸時(shí)，以彈性復(fù)合圓柱滾動(dòng)體內(nèi)孔和心軸外圓為定位面，彈性復(fù)合圓柱滾動(dòng)體和心軸緊配合裝配在一起，在外圓磨床上用兩頂尖頂在心軸兩端的中心孔上(圖4)，磨出彈性復(fù)合圓柱滾動(dòng)體的外圓，以保證其孔和外圓的同軸度要求。因?yàn)樾妮S外圓是在外圓磨床上以心軸兩端的中心孔為加工基準(zhǔn)磨出的，而彈性復(fù)合圓柱滾動(dòng)體以內(nèi)孔和心軸外圓配合定位后，也是以心軸兩端中心孔作為加工基準(zhǔn)加工出彈性復(fù)合圓柱滾動(dòng)體的外圓的,即外圓的加工是間接采用心軸的中心孔作為加工基準(zhǔn)的，基準(zhǔn)重合；而且，彈性復(fù)合圓柱滾動(dòng)體內(nèi)孔和心軸外圓是配磨定位，誤差很小,所以,采用這種方法能夠很好地保證彈性復(fù)合圓柱滾動(dòng)體內(nèi)孔和外圓的同軸度。按此要求工藝加工回旋類零件,其孔和外圓的同軸度小于0.01 mm。

圖4　彈性復(fù)合圓柱滾動(dòng)體加工示意圖

2.3內(nèi)孔及深穴加工

內(nèi)孔與深穴加工是填充材料構(gòu)成彈性復(fù)合圓柱滾動(dòng)體前關(guān)鍵一步，其加工需要經(jīng)過粗車和磨削加工。內(nèi)孔存在加工刀痕是導(dǎo)致疲勞裂紋萌生的主要原因，在對(duì)內(nèi)孔及深穴進(jìn)行粗加工的基礎(chǔ)上還需要進(jìn)行磨削加工以降低疲勞裂紋的萌生幾率。磨削加工過程中最關(guān)鍵是一步是利用三爪卡盤對(duì)滾動(dòng)體進(jìn)行固定，以保證同心，從而保證加工精度。

為保證磨削深穴的精度，加工后存在檢測(cè)問題。目前雖然已經(jīng)有針對(duì)彈性復(fù)合圓柱滾子深穴加工的專業(yè)檢測(cè)工具，但是由于其檢測(cè)的局限性，諸如因檢測(cè)工具不屬于通用件，只能檢測(cè)一種規(guī)格的滾子深穴,或在檢測(cè)中操作不便、檢測(cè)精準(zhǔn)度低等，給檢測(cè)帶了很大的不便。圖5為一種深穴加工專業(yè)檢測(cè)通用工具，主要對(duì)加工過程中彈性復(fù)合圓柱滾動(dòng)體的深穴進(jìn)行檢測(cè)，深穴的斜面與檢測(cè)工具的圓錐測(cè)頭斜面形成緊密配合，另一端通過測(cè)量套卡緊來完成檢測(cè)工序。

圖5　深穴空心圓柱滾動(dòng)體檢測(cè)

2.4材料填充工藝

PTFE的原材料一般呈白色透明、粉末狀或分散液狀。因PTFE難以用標(biāo)準(zhǔn)的熱塑性塑料的加工方法進(jìn)行成形加工,一般采用類似“粉末冶金”的冷壓與燒結(jié)相結(jié)合的加工方法，即將PTFE樹脂在模具中先以一定的壓力冷壓成形,再在其合適的溫度下燒結(jié)。燒結(jié)過程是將預(yù)制品(冷壓成形后的毛坯)加熱到晶體熔點(diǎn)(327 ℃)以上,并保溫一定時(shí)間，使聚合物分子由結(jié)晶形逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闊o定形，分散的單個(gè)樹脂顆粒通過互相擴(kuò)散熔融粘結(jié)成一個(gè)連續(xù)的整體，此時(shí)預(yù)制品由乳白色變?yōu)橥该鞯哪z體狀。然后再經(jīng)冷卻，聚合物分子又從無定形逐漸轉(zhuǎn)為結(jié)晶形，預(yù)制品也就成為堅(jiān)固的乳白色的不透明制品。PTFE可采用模壓成形、擠壓成形、液壓成形、推壓成形及二次加工等多種成形工藝得到制品。

根據(jù)株洲宏大高分子材料公司提供的PTFE原材料形態(tài)和加工設(shè)備情況，選擇模壓成形的方式為已加工好內(nèi)孔的圓柱滾動(dòng)體填充材料。制備流程為：安裝模具→加粉料→冷加壓→保壓→升溫→燒結(jié)成型→冷卻→打磨清洗→檢測(cè)，模具如圖6所示。主要加工設(shè)備為小型液壓機(jī)和小型燒結(jié)爐。

(a)材料

(b)模具圖6　材料填充模具及材料

在深穴空心圓柱滾動(dòng)體內(nèi)嵌入PTFE(聚四氟乙烯)材料構(gòu)成彈性復(fù)合圓柱滾動(dòng)體。在加工工藝中,滾動(dòng)體材質(zhì)為軸承鋼，而PTFE是一種高分子材料，兩種材料的結(jié)合成了加工工藝的又一個(gè)難題。為避免材料填充過程中填充材料不能與滾動(dòng)體很好結(jié)合而形成縫隙，彈性復(fù)合圓柱滾動(dòng)體的材料填充是在高溫高壓狀態(tài)下進(jìn)行的。將深穴空心圓柱滾動(dòng)體放入模具中，將粉末狀填充材料填入滾動(dòng)體中，通過高溫高壓使填充材料很好地與深穴空心圓柱滾動(dòng)體結(jié)合，保持一定壓強(qiáng)下冷卻，經(jīng)過初步的打磨端面完成材料填充工序。

綜合工程師小型棒狀PTFE制品生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)多次試驗(yàn)，對(duì)材料填充工序作了多次調(diào)整，同時(shí)提高工藝生產(chǎn)執(zhí)行要求，注意加料、模壓施壓均勻，加壓過程緩慢且保持足夠的加壓時(shí)間；燒結(jié)過程確保緩慢升溫和足夠的保溫時(shí)間，隨爐自然冷卻。最終選擇預(yù)壓成形壓力為15 MPa,保壓時(shí)間為30 min,升溫速度為200℃以下120℃/h,200℃后80℃/h,燒結(jié)溫度為360～380℃,燒結(jié)時(shí)間為2h,冷卻速度為150℃/h。

3　試驗(yàn)檢測(cè)

彈性復(fù)合圓柱滾動(dòng)體加工各階段的工件如圖7所示。針對(duì)加工好的彈性復(fù)合圓柱滾動(dòng)體的檢測(cè)主要是同軸度精度檢測(cè)。

(a)加工前滾動(dòng)體(b)熱處理后滾動(dòng)體

(c)磨內(nèi)孔、深穴后滾動(dòng)體(d)初磨外徑后滾動(dòng)體

(e)填充材料后的滾動(dòng)體(f)終磨外圓后的滾動(dòng)體圖7　彈性復(fù)合圓柱滾動(dòng)體加工實(shí)物圖

為保證彈性復(fù)合圓柱滾動(dòng)體能平穩(wěn)高速運(yùn)轉(zhuǎn),對(duì)其同軸度要求特別高,對(duì)其進(jìn)行加工必須充分考慮其精度。本工藝采用“自定位”原則，即在對(duì)內(nèi)孔及深穴進(jìn)行終磨后，借用心軸棒對(duì)內(nèi)孔進(jìn)行定位，然后對(duì)外圓進(jìn)行磨削，以此保證同軸度。隨機(jī)抽取三個(gè)已加工好的深穴空心圓柱滾動(dòng)體通過萬能工具顯微鏡對(duì)其進(jìn)行同軸度檢測(cè)，其結(jié)果見表1，檢測(cè)過程如圖8所示。

表1　萬能工具顯微鏡檢驗(yàn)記錄　mm

(a)測(cè)試件固定

(b)萬能工具顯微鏡圖8　深穴空心圓柱滾動(dòng)體檢測(cè)

據(jù)表1可知,隨機(jī)抽取三個(gè)結(jié)構(gòu)尺寸一致、空心度均為55%的深穴空心圓柱滾動(dòng)體進(jìn)行檢驗(yàn),從結(jié)果來看,同軸度值均在0.01 mm以內(nèi)。

4　結(jié)語

以NU318E型彈性復(fù)合圓柱滾子軸承為研究對(duì)象，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析和優(yōu)化。結(jié)合軸承的工作環(huán)境和精度要求制定了彈性復(fù)合圓柱滾動(dòng)體的加工工藝方案，對(duì)加工過程中如何保證內(nèi)外圓的同軸度、深穴加工及檢測(cè)、高分子材料填充工藝等加工重點(diǎn)和難點(diǎn)進(jìn)行了討論。加工試件檢測(cè)結(jié)果表明,該加工工藝方案合理，能滿足設(shè)計(jì)要求。

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(編輯王艷麗)

Machining Technology for Elastic Composite Cylindrical Rollers

Yu Jianghong1Yang Wen2Li Chao1Yao Qishui1

1.Hunan University of Technology,Zhuzhou,Hunan,412007 2.Hunan Railway Professional Technology College,Zhuzhou,Hunan,412001

As the research object,NU318E elastic composite cylindrical roller bearing was analysed and optmised.The processing dimensions were certified and the process planning was formulated.The difficult points were discussed including the hard-to-guarantee concentricity,the high requirements of the inner hole and deep hole surface roughness and the material filling processing difficulty,and they were dealt with experiments and adjustments in the planning.The test results show that the elastic composite cylindrical roller processed by the thecnology accords with the design requirements and the route is reasonable.

elastic composite cylindrical roller bearing;machining technology;material filling;coaxiality

2014-06-27

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51175168);湖南省科技計(jì)劃重點(diǎn)資助項(xiàng)目(2014GK4014)

TH133.33DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.12.009

余江鴻,男,1978年生。湖南工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院副教授。主要研究方向?yàn)闄C(jī)械結(jié)構(gòu)與動(dòng)力學(xué)。授權(quán)專利7項(xiàng)，發(fā)表論文10余篇。楊文，男，1987年生。湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院鐵道車輛與機(jī)械學(xué)院助教。李超，男，1991年生，湖南工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生。姚齊水(通信作者),男,1967年生。湖南工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授。