硬質合金滑動軸承倒圓設計與加工

蘇偉，顏娟

自貢硬質合金有限責任公司 四川自貢 643000

1 序言

硬質合金是由難熔金屬化合物和黏結金屬，通過粉末冶金工藝制成的合金材料，具有硬度高、耐磨、強度高、韌性好、耐熱和耐腐蝕等一系列優良性能，廣泛應用于耐磨零件。硬質合金滑動軸承作為石油、天然氣開采人工舉升系統潛油電泵的核心零部件，主要用于潛油電泵的電動機、離心泵、保護器及分離器軸的旋轉支撐、扶正、止推和密封，被持續推廣用于替代復雜工況和惡劣環境下的金屬工件。滑動軸承副往往成對使用，包括滑動軸承外圈（簡稱“靜環”）及滑動軸承內圈（簡稱“動環”）。

在機械加工中，倒圓是比較常見的一項加工內容。車、鏜、磨、銑和鉆等工序都可以完成倒圓的加工。倒圓的主要作用有：①去尖角、毛刺，美化外觀。②安裝導向，便于裝配。③避免銳角對人員及其他零件的劃傷，預防磕碰，保護工作面。④保護刀具，延長刀具使用壽命。⑤減少因應力集中而產生的變形開裂現象。

由于不作為直接影響配合的尺寸，倒圓往往被認為是非關鍵工序，因此設計精度與加工過程易被忽略。這種認識上的偏差，導致較多案例出現因倒圓設計不合理而出現零部件斷裂或裝配異常的情況。例如通過對自動扶梯在運行過程中突發扶手驅動軸斷裂現象進行分析，發現驅動軸倒圓半徑設計為0.5mm，而GB/T 6403.4－2008《零件倒圓與倒角》附錄B中規定，φ70mm軸類零件的倒圓半徑推薦值為2.0mm。由于倒角半徑r顯著影響應力集中系數，所以增大倒角半徑r可以有效減緩應力集中，提高零件壽命。

GB/T 6403.4－2008規定了一般機械切削加工零件的外角和內角的倒圓、倒角，但對有特殊要求的倒圓、倒角指導有限。部分論文敘述了棱邊應力集中產生危害的案例，但未見此類設計在硬質合金產品應用過程中的影響。硬質合金滑動軸承副應用于潛油電泵中，要求具有較高的工作效率，因此有必要對硬質合金倒圓設計進行嚴格的分析計算，同時在加工過程中選擇適當的加工方法。

2 出現的問題

海上石油開采主要是在石油開采平臺進行作業，除少數自噴井以外，大部分都是使用潛油電泵進行作業，其核心零部件硬質合金滑動軸承副，同時起到徑向與軸向支撐作用。滑動軸承副的裝配如圖1所示。在某滑動軸承副的設計中，電動機軸通過鍵槽傳動使滑動軸承內圈（動環）運轉，滑動軸承外圈（靜環）安裝在葉導輪殼體內，動環的外圓與靜環內孔形成摩擦副，動環的臺背面與靜環大端面形成摩擦副。正常運轉時，動環的臺背面與靜環大端面必須緊密貼合，潛油電泵才能穩定運轉。

圖1 滑動軸承副的裝配示意

我公司生產某型號潛油電泵用硬質合金滑動軸承副，動環與靜環配合使用，要求動環外圓R2.5～R2.7mm，靜環內孔R2.8～R3.0mm。動環如圖2所示，靜環如圖3所示。當產品配套裝配于潛油電泵的電動機上后，在起動運行過程中，軸承副需要很長時間才能磨合完成達到平穩狀態。

圖2 動環

圖3 靜環

3 分析與討論

從硬質合金滑動軸承的使用工況看，當動環臺背面與靜環端面緊密配合時，泵才能達到平穩運轉。軸承副需要很長時間才能磨合完成達到平穩狀態，表明裝配后動環臺背面與靜環端面未實現緊密配合。造成該現象的原因有兩種：一是動環臺背面或靜環端面的平面度不好，二是動環R與靜環R出現干涉。

如果動環臺背面或靜環端面的平面度不好，受力面凸凹不平，具有局部高點，其偏差超過最小油膜厚度，會破壞動環臺背面或靜環端面之間所建立的油膜，兩接觸端面就會在半干摩擦或干摩擦狀態下運行，造成運行不平穩甚至端面損壞。對靜環產品按照JB/T 7369－1994《機械密封端面平面度檢驗方法》進行平面度檢測，滿足用戶設計光帶要求，表明造成該現象的原因并非平面度不合格。

使用日本三豐CV-2000輪廓儀隨機抽檢動環與靜環產品，R尺寸均滿足圖樣要求。但在人工手動相對旋轉動、靜環時，出現卡滯異響，同時觀察到動環的臺背面與靜環大端面無法貼平，說明動環與靜環根部R確實發生了干涉，導致潛油電泵起動時阻力很大。

GB/T 6403.4－2008給出了內角、外角分別為倒圓、倒角（倒角為45°）的裝配形式（見圖4）。按照裝配關系，靜環與動環裝配形式設計屬于圖4b類型，即內角倒圓、外角倒圓。在GB/T 6403.4－2008第5點中指出對于R、R1、C和C1的確定，內角倒圓、外角倒圓時，R1＞R。

圖4 內角、外角分別為倒圓、倒角的裝配形式

當動環與靜環按照倒角設計，即按照圖4d加工時，倒角尺寸的公差能直觀表現裝配的間隙，如內角C尺寸為2.5mm，外角C1尺寸為2.8mm，則裝配間隙為C1－C＝2.8－2.5＝0.3（mm）；當動環與靜環按照倒角設計，即按照圖4b加工時，倒圓設計裝配間隙如圖5所示。由圖5可看出，內倒圓R尺寸為2.5mm，外倒圓R1尺寸為2.8mm，則裝配間隙最大位置B為0.12（mm），而不是R1－R＝0.3mm，從位置B至位置A、E，間隙逐漸減小至0mm，可見倒圓設計比常規倒角設計間隙要小得多。

圖5 倒圓設計裝配間隙示意

在硬質合金滑動軸承加工過程中，由于硬質合金的難加工特性，無法通過車削方式控制軌跡插補成形，往往通過成形砂輪磨削，導致砂輪消耗快，無法形成完整的R形狀。在加工靜環內孔R時，由于不能采用成形砂輪同時加工產品端面、內孔R及內孔，加工完整的R只存在理論上的可能性，所以為保證內孔R與端面及內孔光滑過渡，內孔R砂輪需要設計為帶角度10°。靜環內圓R成形如圖6所示。

圖6 靜環內圓R成形示意

成形砂輪角度設計將進一步減小位置E軸向間隙至0.06mm，即當內孔R有0.06mm未加工到位時，靜環內孔R與動環外圓R就開始出現干涉，這對成形砂輪磨削要求極高。位置E軸向間隙減小后，靜環內圓R成形如圖7所示。

圖7 位置E軸向間隙減小后靜環內圓R成形示意

因此當硬質合金靜環內孔R加工不到位（表現在端面與內孔上長度不夠），即R尺寸雖然測量合格，但未達到理論上的完整輪廓R時，現有成形砂輪磨削加工工藝極易導致產品裝配時出現干涉。同理，動環外圓R延長線較長時，也會引起R處產生干涉，導致動環臺背面與靜環端面無法實現緊密配合。

4 采取的措施

相關技術文獻認為，小圓弧+大圓弧+斜邊倒角是目前最適宜的裝配倒角形式。當加工動環外圓R時，采用成形砂輪一次性加工外圓滿足及臺背為避免砂輪消耗引起R干涉，在修整成形砂輪時，先將砂輪修整成標準R2.5mm，再將砂輪端面及外圓修磨0.1mm，使加工后的動環R形成如圖8所示輪廓。正常加工動環外圓時，在保證R2.5～R2.7mm的前提下，控制R在臺背寬度及外圓長度為2.0～2.5mm。

圖8 動環R形成的輪廓

當加工靜環內圓R時，無法采用成形砂輪一次性加工內圓滿足及臺背內孔R需要采用成形砂輪單獨加工，同時為保證內孔R與端面及內孔光滑過渡，內孔R砂輪需要設計為角度10°。控制內孔R的關鍵在于保證去除足夠的尺寸，這需要嚴格的檢驗，正常加工靜環內孔R，在保證R（3±0.1）mm前提下，R在端面寬度及內孔長度為2.5～3.0mm。

按照新工藝加工的產品，動環與靜環能夠實現端面貼平，在潛油電泵起動運行過程中，能通過短時間磨合達到穩定運行狀態。

5 結束語

在產品設計過程中，由于倒圓、倒角對于設計人員來說，往往被認為是微不足道的問題，但是在零件使用和裝配過程中，卻因為這些小問題而影響了產品質量，所以倒圓、倒角不容忽視。硬質合金的難加工特性，使其不能像車削鋼件那樣達到完整倒圓。通過對裝配原理的分析，制定合理的加工手段，可避免出現裝配干涉，滿足使用要求。