圓柱滾子軸承滾道窄油溝內小徑油孔的電火花加工技術

劉海波,古毅

(1.中國航發(fā)哈爾濱軸承有限公司,哈爾濱 150025;2.哈爾濱東安汽車動力股份有限公司,哈爾濱 150050)

為提升圓柱滾子軸承質量,延長其使用壽命,通常在軸承套圈滾道油溝內設計多列徑向油孔,使?jié)櫥徒?jīng)油孔進入軸承滾道,從而起到潤滑和冷卻作用[1-5]。為保證軸承套圈強度,滾道油溝寬度和油孔直徑設計值通常很小,這種結構設計限制了油孔的加工方式,增加了油孔的加工難度。常規(guī)油孔采用鉆床或加工中心鉆削加工,鉆頭直徑小,剛性差且鉆深比相對較大,易發(fā)生撓曲甚至折斷;油溝寬度窄小,油孔易偏斜到滾道表面或擋邊表面,由此產(chǎn)生廢品;對于階梯狀油孔結構,尤其是靠近內徑面一側孔徑大、靠近外徑面一側孔徑小的階梯狀油孔,需要從內徑面向外徑面方向加工,而受套圈內徑尺寸限制,最小規(guī)格轉角頭也無法置入內徑,故該類套圈油孔無法采用鉆削方式加工。

電火花加工是利用浸在工作液中的兩極間脈沖放電時產(chǎn)生的電蝕作用蝕除導電材料的特種加工方法,不受工件材料、硬度、強度的限制。因此,本文提出了一種采用電火花加工套圈滾道窄油溝內小徑油孔的方法。

1 圓柱滾子軸承油孔技術要求

以某圓柱滾子軸承內圈為例,其滾道油溝內帶階梯狀油孔,結構如圖1所示,共2排油孔,每排有4個沿圓周均勻分布的油孔,2排油孔周向相錯45°,油孔軸線與軸承內圈軸線呈70°夾角,靠滾道方向油孔直徑為0.7 mm,靠內徑面方向油孔直徑為0.9 mm,深度為2 mm,油孔軸線與內徑面的交點距同側端面的距離為(3.50±0.05)mm,要求滾道、擋邊表面無殘留油孔加工痕跡。

圖1 圓柱滾子軸承內圈階梯狀油孔示意圖

2 圓柱滾子軸承油孔電火花加工技術

2.1 技術難點

電火花加工該圓柱滾子軸承油孔存在以下技術難點:

1)對電極精度要求高,由于油孔孔徑小,而放電加工又存在放電間隙,因此限制了電極工作部分直徑尺寸,增加了電極的加工難度。

①必須采用專用設備加工;

②電極加工過程中容易撓曲,不宜控制電極的直徑和圓柱度,易出現(xiàn)尺寸和錐度超差;

③電極存放、轉運過程中極易發(fā)生彎曲變形,采用彎曲的電極加工油孔時無法保證油孔的位置和形貌。

2)由于電極細小,加工過程中電極損耗嚴重,從而影響油孔直徑、階梯孔的變徑位置以及油孔深度,可能導致油孔的軸向、徑向尺寸超差。

3)由于放電間隙小,電蝕產(chǎn)物在孔里難以排出,電蝕產(chǎn)物隨著加工進行越來越多,容易在間隙中搭橋并造成短路,從而影響加工表面質量和精度,降低加工效率。

4)電火花加工后的工件表面存在重熔層,在長期工作過程中易產(chǎn)生疲勞裂紋,故需將控制重熔層深度列為重要技術指標,慢走絲機床銅絲電極絲加工后重熔層深度一般為10～35 μm。

5)滾道油溝窄小,易出現(xiàn)油孔軸向位置、角度超差或深度超過油溝,在滾道或擋邊表面殘留油孔加工痕跡,導致工件報廢。

6)加工油孔前,必須對電極工作部分進行校準使其垂直于工作臺。每個孔加工前、后都要測量電極的直徑和長度,若電極消耗不大,可通過設置相應參數(shù)(放電間隙U或加工深度Z)補償加工下一個孔;若電極消耗大,需及時更換電極。

上述問題導致采用電火花加工滾道油溝內階梯狀油孔的難度大,受電火花成型機工作原理的限制,加工效率低,因此,考慮采用電火花高速打孔機。

2.2 技術方案

針對上述技術難點,從電極設計、工裝設計、工藝優(yōu)化方面開展研究,提出以下技術方案:

1)針對技術難點1,根據(jù)工件結構和實際需求,優(yōu)化電極結構和軸向尺寸,采用適宜的包裝盒進行包裝、存放。

①根據(jù)待加工油孔的軸向尺寸進行計算,電極設計長度應盡可能減小,電極工作部分長度按照油孔軸向尺寸計算值再加上2 mm設計,以降低撓曲風險系數(shù);

②嚴格控制電極直徑及公差,必須采用高速數(shù)控車床車削加工,非高速車床無法滿足加工精度需求;

③對于臺階孔,使用相應結構的臺階狀階梯電極;

④電極直徑按照油孔直徑減去2倍放電間隙設計,階梯狀電極兩段對應的放電間隙相同,一般取0.065～0.075 mm,兩段圓柱面的圓柱度、同心度均需控制在0.005 mm以內;

⑤利用EVA泡棉形跡法設計包裝盒。

2)針對技術難點2,采用加工過程中間歇測量的方法。

①油孔軸向位置的控制,加工前通過電極端部觸碰待加工工件平面,電極觸碰到平面時的位置設定為z0,綜合考慮油孔的理論深度和加工上一油孔電極長度的損耗量,計算加工深度輸入值;

②油孔直徑的控制,通過逐漸增加放電間隙補償電極直徑損耗量,再使用塞規(guī)通、止檢測方式判定所加工油孔直徑是否合格。

3)針對技術難點3,采取電極由下而上進給的方式,如圖2所示,使電蝕產(chǎn)物在重力和冷卻液電火花油不斷沖擊作用下順利排出。

圖2 電火花加工示意圖

4)針對技術難點4,優(yōu)化表面粗糙度、電極損耗、加工速度優(yōu)先權、最小白層(重熔層)等工藝參數(shù),盡量控制重熔層深度。

5)針對技術難點5,工件裝夾必須找正,使用電極進行碰邊自測量,精準測量后確定工件中心位置,最后輸入合適的加工位置參數(shù)。

2.3 操作要點

2.3.1 電極校準

由于電極較細易發(fā)生彎曲變形,加工前需對電極進行校準,以確保電極與z軸的平行度及電極工作表面的同軸度。電極校準如圖3所示,將電極正確安裝于電極夾頭上, 利用千分表測量階梯電極的兩段圓柱面,千分表表頭觸點分別抵于電極x+,x-,y+,y-方向圓柱母線上,z方向拉動電極,千分表指針擺動不大于0.002 mm即通過校準。

圖3 電極校準

2.3.2 工裝調整

確認工作臺及工件裝夾的位置滿足待加工軸承套圈加工需求。將磁力千分表磁吸于機床主軸上,表頭觸點抵于工裝上,主軸沿y軸方向移動,繞z軸方向旋轉工裝進行調整,使千分表指針擺動幅度不大于0.002 mm;然后,在xOz平面內移動主軸,用表頭觸點觸碰工裝上2個點,繞y軸方向旋轉工裝進行調整,使工裝傾斜角與油孔軸線相對套圈軸線的夾角相同。

2.3.3 工件找正

將待加工套圈使用壓板兩點或三點裝夾于工裝上,將千分表觸點抵于套圈端面,按照工裝調整的方式在y軸方向、xOz平面內移動主軸。利用機床碰邊指令,在y軸方向觸碰套圈外徑面后找到套圈中心所在的yOz平面,設置為y0。然后在該yOz平面內觸碰套圈外徑面或內徑面邊沿上凸出點,設置為x0。按照待加工套圈油孔的工藝特性,在x+方向移動主軸到合適位置,在z+方向碰邊,設置為z0。此時已經(jīng)建立了加工坐標系、坐標零點、安全平面。

2.3.4 程序設置

按照待加工套圈油孔的工藝特性,輸入加工油孔深度,設置主軸由下而上進給(圖2)。

3 實際加工效果

檢測采用電火花加工的圓柱滾子軸承內圈油孔精度,結果見表1(表中實測值代表8個油孔),滿足技術要求。重熔層檢測方式為破壞性檢測,隨機抽檢3處油孔,重熔層深度分別為8.58,8.98,9.42 μm,滿足不大于10 μm的技術要求。說明可采用電火花加工圓柱滾子軸承窄油溝內階梯狀油孔,特別是靠近內徑面一側孔徑大、靠近外徑面一側孔徑小的階梯狀油孔, 但電火花加工成本高于普通鉆削加工。因此,本文的方法多應用于特殊結構油孔或小尺寸軸承套圈油孔的加工。

表1 采用電火花加工的圓柱滾子軸承內圈油孔精度