盾構機主軸承浮動環(huán)加工方法

張維娜，霍曉磊，張娟娟，應佳楠

(洛陽LYC軸承有限公司 轉盤軸承事業(yè)部，河南 洛陽 471039)

1 概述

盾構機作為城市軌道交通和其他領域地下空間建設的大型專用設備，近年來在我國廣泛應用，目前國內保有量已達1 500余臺，位居世界前列。主軸承(圖1)是盾構機的重要部件，浮動環(huán)作為盾構機主軸承的內嵌式滾道，上端面與滾子直接接觸，下端面在彈簧碟片上。工作時浮動環(huán)在彈簧作用下可適時調整，以應對巨大沖擊，使盾構機在惡劣工況環(huán)境下仍能保持良好的工作狀態(tài)。惡劣的工況環(huán)境決定了浮動環(huán)復雜的工藝要求，而剛性差,易變形,淬火和精度要求高是制約該產品加工的主要問題，現對浮動環(huán)加工工藝進行研究。

圖1 盾構機主軸承結構示意圖Fig.1 Structure diagram of main bearing for shield machine

2 工藝要求

內嵌式浮動環(huán)結構如圖2所示，材料選用42CrMoE鋼，上下兩端面采用中頻感應加熱表面淬火，工藝要求：硬度57～62 HRC，成品有效硬化層深度不小于7 mm，磨削加工后某端面的平面度不大于0.05 mm，另一端面對該端面的平行差不大于0.025 mm。

圖2 內嵌式浮動環(huán)結構示意圖Fig.2 Structure diagram of embedded floating ring

3 加工方案

浮動環(huán)加工分為冷加工和熱加工，關鍵的熱加工過程零件變形較難控制[1]。在此主要分析熱加工方案，冷加工作為配合方案進行分析。

3.1 熱加工方案

3.1.1 改進前

浮動環(huán)要求僅對上下端面進行感應加熱表面淬火，且硬化層深度要求高，選用加熱速度快、效果好的自制雙排導磁體感應器[2]。浮動環(huán)上下端面同時淬火時無法裝夾，故需對上下端面采取分步淬火，如圖3所示。當上端面完成1/4圓周淬火時，端面向上翹曲量達12 mm(圖4)，后續(xù)淬火無法保證感應器與淬火端面的耦合間隙內外均勻，且整個浮動環(huán)已呈現橢圓狀，無法在機床導輪的摩擦作用下正常旋轉，工件報廢。

圖3 分步淬火示意圖Fig.3 Diagram of stepwise quenching

圖4 端面翹曲示意圖Fig.4 Diagram of end face warpage

3.1.2 改進后

為避免局部受熱造成翹曲變形過大，對上下端面同時淬火，淬火示意圖如圖5所示。利用現有廢料作為胎具，在外徑面上加工臺階，尺寸為36 mm×7 mm，同時在浮動環(huán)內徑面上中間位置預留8.5 mm×15 mm的工藝臺階，使浮動環(huán)內徑面與胎具過盈配合，嵌套在胎具小臺階上，并對配合部位進行點焊，防止工件在熱應力和自身重力作用下變形。

圖5 改進后淬火示意圖Fig.5 Diagram of quenching after improvement

在胎具外徑面上均布8個螺栓，對浮動環(huán)下端面進行頂緊裝夾，從上下2個方向對浮動環(huán)進行緊固,如圖6所示。螺栓在工件旋轉過程中與感應器位置干涉時，只需提前將螺栓旋出即可。

圖6 改進后胎具裝夾及螺栓頂緊示意圖Fig.6 Diagram of mold clamping and bolt tightening after improvement

改進后的淬火方案上下兩端面同時受熱[3]，且下端面用活動螺栓預緊支承，減小了因受熱不均而導致的端面卷曲或下垂，同時浮動環(huán)過盈配合并焊接在胎具上，避免了浮動環(huán)在加熱過程中產生較大的橢圓變形。

根據經驗，該浮動環(huán)淬火頻率為2 200 Hz，淬火液選用濃度為15%的PAG淬火液，感應器與淬火面耦合間隙控制在3～4 mm，在制作感應器時應使開口部位寬度比另一端寬2～3 mm，以補償因磁場內吸引力引起的感應器變形，淬火移動速度定為120 mm/min，噴水距離38 mm，機床輸入功率為

P總=P0ΔS，

(1)

ΔS=DB，

式中：P0為加熱比功率，取0.9；ΔS為滾道等效受熱面積；D為滾道淬火面寬度；B為感應器加熱寬度。

機床輸出功率為

P=ηP總，

(2)

式中：η為淬火機床的功率因數，取0.75[4-5]。

由(1)，(2)式可得P=60 kW。

淬火完成后，先將浮動環(huán)與胎具同時170 ℃低溫回火4 h，然后將浮動環(huán)與胎具分開。再選用2件尺寸相近的平整工件作為夾具，將浮動環(huán)夾在中間，再次用170 ℃低溫回火8 h，出爐后使浮動環(huán)脫離上下夾具，在自由狀態(tài)下繼續(xù)進行170 ℃低溫回火4 h。待浮動環(huán)冷卻至室溫后，檢測外徑面圓周跳動、端面圓周跳動及端面里外差(圖7),結果見表1。

圖7 端面里外差Fig.7 Internal and external difference of end face

表1 淬火前后浮動環(huán)變形情況檢測結果Tab.1 Test results of floating ring deformation before and after quenching mm

3.2 冷加工方案

3.2.1 淬火前車加工

浮動環(huán)在熱加工后會產生較大變形，故在淬火前半精車時對內、外徑分別預留3 mm的加工余量，高度預留2 mm的加工余量。同時為補償翹曲造成的端面里外差，在淬火前反向預留1 mm端面里外差，淬火前半精車狀態(tài)如圖8所示。

圖8 淬火前半精車狀態(tài)Fig.8 State of half finished turning before quenching

3.2.2 淬火后精加工

為避免在熱加工后車削量過大造成的應力釋放引起變形，第1遍精車后進行170 ℃低溫回火處理，根據加工經驗，浮動環(huán)在淬火后第1遍精加工后高度方向預留0.8 mm的加工余量，即先對兩端面進行去氧化皮并光平，后續(xù)對其進行磨削加工。采用對兩端面反復交替磨削的加工方式，每次端面磨削量不大于0.2 mm，以防止某一端面因為硬化層磨削量大，應力釋放，發(fā)生翹曲變形。

4 加工效果

對采用上述加工方案的浮動環(huán)成品進行檢測，結果見表2。由表可知：浮動環(huán)兩端面的硬度、硬化層深度、端面平面度、平行差均滿足產品設計要求。

表2 浮動環(huán)成品檢測結果Tab.2 Test results of finished floating ring