內孔含自潤滑材料軸套控制內徑尺寸的工裝設計

張健鶴

（福建龍溪軸承（集團）股份有限公司，福建 漳州 363000）

軸套是整體結構，轉動時軸和軸套相對運動。該文研究的是在難以添加或無法添加潤滑油的場所，所采用的內孔粘貼自潤滑材料的軸套。這種軸套有以下4 個特點。1）與軸的摩擦運行，無須定時添加潤滑油，可在使用時不保養或者減少保養。2）耐磨性能好、使用壽命較長，在合適的工藝下摩擦因數可控制在較小值。3）以鋼為基體材料、熱固性自潤滑材料為摩擦接觸材料，有適量的彈塑性，軸套外部有較高的承載能力，還能減少機械振動、降低噪聲。4）以軸承鋼作為基體，無須使用在中國成本較高的銅作為基體。但是軸套內孔粘貼自潤滑材料，存在的問題是粘貼自潤滑材料后的內徑尺寸，無法通過機加工控制其尺寸公差。

該文研究的是以軸承鋼GCr15 為基體、內孔粘貼自潤滑材料的軸套，控制內徑尺寸的工裝設計方案。工藝方案是利用不同材料的熱膨脹系數不同的原理，以特定溫度變化等參數控制產品尺寸。產品結構示意圖如圖1 所示。

圖1 產品結構示意圖

1 工藝設計思路

1.1 設計原理

物體由于溫度改變而有漲縮現象。工藝設計原理是根據不同材料的熱膨脹系數不同，單位溫度變化所導致的物質長度量值的變化量不同[1]，控制鋼基體和芯軸在特定溫度下的尺寸數值。

線膨脹系數的定義是在單位溫度改變下，長度的增加量與原長度的比值。該文研究的鋼軸套基體、自潤滑材料和芯軸均為普通圓柱體，在熱膨脹前后，體積增大或減小的比例是均勻的，所以可以直接通過線膨脹系數進行計算。其變化能力在等壓條件下，單位溫度的變化所導致的體積變化的熱膨脹系數，見公式（1）。

式中：α—膨脹系統?！鱒—體積增加或減少值。V—初始溫度下的體積?！鱐—溫度改變數值。

利用材料膨脹系數的不同，相同的環境下不同的材料在升溫后的膨脹量是不一樣的。那么不同的材料膨脹后尺寸變化，在溫度變化不是很大的情況下，膨脹系數α 就成了常量，體積的變化就是可控的。該變化可以用來擠壓所粘貼的自潤滑材料，升溫后在達到某一溫度、某一時間點時，作為熱固性材料的自潤滑材料就會硬化，其對應的尺寸就會相應變化。于是，在升溫后保溫期間，鋼基體和所選芯軸會增加到特定數值，所選芯軸的熱膨脹系數要大于鋼基體，這樣就能在特定溫度和壓力下，擠壓自潤滑材料的空間，從而控制自潤滑材料硬化后的厚度尺寸范圍。根據設計要求，軸套的內孔公差要求較高，鋼軸套基體的初始內徑尺寸、芯軸外徑尺寸、自潤滑材料初始厚度等工藝參數的合理性，都將對成品內徑尺寸的控制產生極大的影響。

1.2 材料選擇

首先確定基體和自潤滑材料。鋼基體材料是GCr15，軸承鋼GCr15 合金含量少，具有良好的性能，在熱處理后具有較高且均勻的硬度、良好的耐磨性。自潤滑材料選擇熱固性材料，需要具有一定的彈塑性、在特定溫度下能夠硬化，且硬化后具有耐磨性。

然后根據設計原理選擇芯軸材料，常用物質的熱膨脹系數見表1[2]，單位為（10-6/℃）。由于芯軸材料需要具有穩定性、經濟性和易采購的特點，且芯軸材料的熱膨脹系數需要大于軸套鋼基體的熱膨脹系數，并具有一定的強度和硬度，才能實現對自潤滑材料的擠壓作用，所以選擇鋁作為芯軸工裝材料。

表1 常見物質的熱膨脹系數

2 加工工藝研究

2.1 加工工藝流程

該類型軸套材料包括鋼基體、自潤滑材料、鋁芯軸。簡易工藝流程為3 個步驟。1）鋼軸套：車加工→熱處理→磨加工→內孔噴砂處理→粘貼自潤滑材料。其中需要控制自潤滑材料粘貼前，軸套基體的內徑尺寸。2）鋁芯軸：精車→外徑測量。3）自潤滑材料的硬化：鋁芯軸裝入粘貼自潤滑材料的基體內孔→升溫使自潤滑材料硬化→試驗件后用三坐標測量軸套內徑尺寸。

該工序是最關鍵的部分，之前的各種準備都是為最終軸套自潤滑材料硬化后，能夠控制軸套內孔尺寸。升溫過程如圖2 所示，以常溫25℃計算的，那么固化溫度就應該以常溫加熱到預設溫度，保溫一段時間，然后隨爐冷卻。

圖2 升溫過程示意圖

2.2 工藝參數設計與計算

自潤滑材料由于強度和硬度比金屬低很多，升溫前彈性較好，那么升溫至固化溫度后，芯軸在高溫下的尺寸會脹大到筆者設計的尺寸，根據熱膨脹系數的不同，芯軸漲大量要大于軸套基體內孔漲大量，來擠壓自潤滑材料。保溫一段時間后，自潤滑材料會變硬。降溫冷卻后，芯軸和軸套基體都將會縮小，而軸套基體內徑尺寸會回縮到常溫狀態，導致內孔略微變小。理想狀態下，軸套基體常溫下的內徑尺寸，減去自潤滑材料硬化時的厚度，就是最終的軸套內徑尺寸。

芯軸與軸套尺寸截圖如圖3 所示，D、d 和X，這些尺寸是影響內孔尺寸公差的重要因素。由于軸套的軸承鋼GCr15 基體和鋁芯軸在半徑方向上的膨脹是均勻的，那么就可以用平均線膨脹公式進行計算[3]，見公式（2）。

式中：Lt—升溫后的徑向尺寸。Lo—升溫前的徑向尺寸。α—該材料熱膨脹系數?！鱐—溫度改變量。

在保溫溫度下，軸套基體內徑尺寸計算見公式（3）。

式中：dt—固化保溫溫度下未粘貼自潤滑材料時軸套內徑。do—固化前常溫下未粘貼自潤滑材料時軸套初始內徑。α—軸承鋼線性熱膨脹系數?！鱐—保溫溫度與常溫溫度的差值。

芯軸外徑尺寸計算公式，見公式（4）。

式中：Dt—保溫溫度下鋁棒芯軸外徑。Do—固化前常溫下鋁棒芯軸初始外徑。β—鋁線性熱膨脹系數?！鱐—保溫溫度與常溫溫度的差值。

所以可得，保溫溫度下的自潤滑材料厚度t=（Dt-dt）/2。

降溫后回到常溫狀態，軸套基體內徑尺寸恢復到do，那么最終軸套成品內徑尺寸，見公式（5）。

式中：X—成品軸套內徑尺寸。do—固化前常溫下未粘貼自潤滑材料時軸套初始內徑。t—為常溫溫度。γ—自潤滑材料線性熱膨脹系數?！鱐—保溫溫度與常溫溫度的差值。

圖3 芯軸與軸套尺寸示意圖

表2 試驗計算分析表

3 工藝試驗及驗證

根據工藝參數設計與計算，在Excel 表格中編制尺寸變化計算公式，見表2。公式的變化最主要的是要做到如下控制，即假定任意一個芯軸尺寸，列出變化工時輸入Excel表格后對應的成品尺寸就會發生變化，數次修正之后成品尺寸欄可得到最接近成品中間值的尺寸，此時所得的尺寸為理想尺寸。

其中，保溫溫度T2是根據自潤滑材料硬化溫度、設備加熱爐所能達到的溫度、鋼基體和芯軸在加熱后材料組織是否會發生改變等影響因素，最終選擇的溫度數值。這是在試驗計算分析表的編制過程中，需要確定的工藝參數。

在20～200℃范圍內，軸承鋼GCr15 的熱膨脹系數用12.5、鋁芯熱膨脹系數用23.3 進行計算，較為接近實測數值。即使是同一種供應商提供的同一種材料，在不同批次供貨時，膨脹系數也不會完全一樣，我們對膨脹系數數值的選擇無法做到精確。還有季節溫度不同等各種限制條件，也會導致所使用材料的線膨脹系數存在一定誤差[3]。所以在計算公式中要保留一欄作為消除偏差所用，再根據實際試驗的結果來修正自己的公式，經過1～2 次修正后，可消除大部分的誤差。進行具體的工藝試驗時，內徑尺寸試驗結果與要求內徑尺寸中間值的預設偏差Z，根據實際偏差調整工藝，消除偏差的方法見公式（6）。

式中：X—成品軸套內徑尺寸。do—固化前常溫下未粘貼自潤滑材料時軸套初始內徑。t—為常溫溫度。γ—自潤滑材料線性熱膨脹系數。△T—保溫溫度與常溫溫度的差值。Z—可能是負值。

根據工藝試驗結果，調整預設的do和Do，即調整預設的軸套自潤滑材料粘貼前的內孔尺寸do和芯軸外圓柱工作表面外徑尺寸Do（調整Do會改變Dt的值），從而在表格計算公式的影響下，高溫、常溫下的各工藝參數的數值都會相應發生改變。重新試驗并消除該偏差后，就能得到非常接近所需的成品內徑尺寸。

4 效果及應用

工裝設計和工藝技術的重點是控制內孔尺寸精度。用三坐標檢驗軸套的內孔尺寸及圓度，看是否能達到筆者所需的公差要求，在批量生產時可使用通止規進行測量。加工后需目測并撫摸表面，感覺光滑舒適即可，如圖4 所示，外觀即達到要求。

該文研究適用于內孔含自潤滑材料鋼軸套的內徑尺寸控制，目的是滿足設計性能要求，能夠控制軸套內孔的尺寸精度。利用不同材料熱膨脹系數不同，體積變化程度不同的原理，選擇了較為合適和經濟的原材料。通過設計、計算和調整，可以用少量的試驗和調整，得到合適的工藝參數，避免前期依靠多次試驗才能得到的結論，將減少試驗次數，降低該類型軸套工藝試驗所需的原材料成本、時間成本和人工成本，起到降本增效的效果。

圖4 軸套內孔自潤滑材料成品外觀示意圖