鋁合金關節軸承外圈的加工工藝優化

吳玫，蔣瑞秋，李巖

（中航工業哈爾濱軸承有限公司，哈爾濱 150036）

鋁合金是一種新型的軸承材料，由于材料質量輕，在飛機的鴨翼、尾翼、起落架等部位陸續采用了這種材質的關節軸承，屬于航空裝備關鍵基礎件。但鋁合金材料的自身剛度低，加工中易受裝夾力及切削力的影響；加工中產生的殘余應力容易造成工件變形；大孔徑薄壁鋁合金軸承套圈不易使用常規的磨、研等工藝方法，需要精密的加工技術與工藝來保障軸承的加工精度，目前國內薄壁鋁合金關節軸承套圈精加工技術還不成熟。

1 加工難點

以某型鋁合金材料關節軸承外圈（圖1）為例，此套圈外徑較大，壁厚最小處僅3.5 mm，且尺寸及形位公差要求較高，加工過程中存在以下難點：

圖1 關節軸承外圈零件圖Fig.1 Detail drawing of spherical plain bearing outer ring

1）只能采用車削加工，對機床精度要求較高；

2）外圈薄壁、尺寸較大且精度要求高，由于薄壁本身有一定的彈性，加工過程中的切削力容易導致加工面產生振動，工件的尺寸及形位公差無法控制［2］；

3）切削夾緊力可能引起鋁合金材料的冷變形；

4）鋁合金材料的塑性、韌性好，刀具在切削過程中使工件受到擠壓，材料表面在切削方向上產生塑性變形，內部組織應力平衡被打破，導致工件發生變形而達不到預期的加工精度［1］；

5）鋁合金材料線膨脹系數大（約為鋼的2.4倍），車加工中產生的大量熱易使工件變形。

2 制定方案

2.1 加工設備

由于套圈精度要求較高，且不能使用磨床保證最終精度，只能依靠高精度數控車床來完成各表面的加工。工件圓度要求為0.012 mm，跳動要求為0.015 mm，因此必須選擇機床主軸徑向跳動不大于0.002 mm的精密數控設備。

2.2 夾緊方式

由于套圈壁薄（最小處3.5 mm）、外徑尺寸較大，為減小裝夾變形，降低夾緊力，采用端面壓緊或者通過增加套圈寬度的方法間接夾緊，并且盡可能減少裝夾次數，一次加工成形，以避免人為因素產生的加工誤差［3］。

2.3 刀具選擇

鋁合金材料強度和硬度較低，加工性較好，為了保證加工精度，減小切削力和切削熱引起的變形，選取較大前角（12°～20°）和后角（8°～12°），刃口圓弧較小，能夠保證刀刃鋒利的YG3硬質合金車刀。另外，為保證加工表面粗糙度，刀尖處應有修光刃。

2.4 切削深度

鋁合金材料導熱性好，鍛造的鋁合金材料粗加工采用較大切削深度，半粗或粗車加工切削深度為1～2 mm，精車為0.2～0.5 mm。

2.5 環境要求

鋁合金材料受溫度影響較大，加工環境溫度應控制在（20±2）℃。

2.6 消除應力

為消除零件內部由于加工而形成的殘余應力，避免工件變形過大，采用低溫退火的方式進行處理［4］。熱處理工藝為：加熱至300℃，保溫3 h，然后隨爐冷卻。

3 工藝流程確定

在其他外部條件全部滿足的情況下分別設計了3種工藝流程。

3.1 流程1

鍛件→粗加工→切斷→去應力→半粗加工→去應力→精加工→表面處理。

該工藝方法在粗加工完成后切成單件再進行加工，先將兩平面加工完成，再利用專用夾具，靠端面定位模具壓緊加工外徑面，通過外徑面找正，再加工內球面。

存在問題：裝夾定位調整時間較長，對操作者技術水平要求較高；采用端面壓緊易造成端面壓傷，影響表面質量。

3.2 流程2

鍛件→粗加工→去應力→半粗加工→去應力→精加工→線切割→表面處理。

為了在加工過程中不使用專用夾具，減少夾緊變形，裝夾時不直接夾緊工件，而是夾緊工件的加長處，設計鍛件尺寸時相應的增加幅高和內徑留量，將鍛件寬度在成品的基礎上加寬20 mm以上，內徑留量單側增加10 mm。鍛件如圖2所示。加工完成后用線切割方法將加長部分切斷。

圖2 鍛件示意圖Fig.2 Diagram of forging

工藝要求粗加工后所有表面單側留量為2 mm，半粗加工后所有表面單側留量為0.5 mm，車球面在精加工階段。半粗加工和精加工操作者只需要將卡爪與裝夾的外徑面合圓，工件安裝后無需找正，每次裝夾完成所有加工面。

存在問題：試加工檢測結果發現，外徑圓度及球面圓度、球面度均嚴重超差。分析認為半粗加工留量偏大，且球面沒有進行粗加工，導致精加工時切削量大，切削應力大，尺寸超差。

3.3 流程3

鍛件→粗加工→去應力→半粗加工→去應力→半精加工→去應力→精加工→線切割→表面處理（圖 3）。

圖3 優化后工藝流程圖Fig.3 Flow chart of optimized process

進一步工藝優化，增加半精加工和去應力退火工序，半精加工工序加工外徑面及球面，使精加工單側留量為0.3 mm；且精加工時分多次走刀，小切削量進給，控制變形量。

采用優化后的工藝流程3進行加工，精加工后工件檢測各項精度合格，采用線切割切斷，再次檢測各項尺寸精度沒有變化。

4 檢測結果

按照優化后的工藝流程3進行批量加工，隨機抽取5件最終狀態工件進行檢測，結果見表1，外圈各項精度均達到工藝要求。

表1 外圈各項精度測量結果Tab.1 Measurement results of outer ring accuracy mm

5 結束語

鋁合金材料薄壁套圈的機加工較為復雜，尤其是加工變形問題，受多種因素的影響。實際生產中必須嚴格執行優化后工藝流程，以較好的保證套圈各項尺寸精度和表面粗糙度的要求。后續仍需在減小切削應力方面進行更深一步的研究。