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特殊用途大尺寸薄壁轴承的设计及加工分析
浏览: 发布日期:2019-03-02

  根据用户要求,需要研制开发一种高精度大尺寸薄壁轴承,该轴承的外部装配尺寸为260mmX310mmX20mm。主要要求为:单套轴承的质量要求不能超过2.75kg;整体精度达到P4级,其中旋转精度(Sia,Kia)不大于0.005mm(达到2级);此外,在450N轴向载荷作用下启动摩擦力矩小于200N/mm,且摩擦力矩要均匀,测量值波动范围不能超过30%;在450N轴向载荷作用下,变形总量小于0.008mm;在1500N轴向载荷作用下,变形总量小于0.015mm。另外,轴承还需要在恶劣的使用环境下经受各项测试,如高低温(40~50度)、潮湿(相对湿度93%~98%)、振动冲击(轴向40g,径向20g)等环境条件。
  通常,大尺寸薄壁轴承的制造主要依赖于高精度的加工设备和较高的工艺水平。但是,如果轴承在使用中有多项性能指标要求,那么从设计理论上讲这几方面的要求往往会存在一定相互制约的关系。尤其对轴承有质量限制时,就会在一定程度上加剧现有的矛盾。因此,无论是材料的选取、内部参数的设计,还是滚动体尺寸和数量的选择等都应对上述存在的问题进行充分地考虑。
  1 结构及内部参数的设计分析
      1.1轴承材料及结构的选择
  因为轴承要在相对湿度为93%~98%的环境条件下工作,所以,应选择不锈钢类材料,确定采用9GCr18不锈钢作为套圈及钢球材料;考虑到轴承的润滑性能及保持架的加工工艺性,保持架材料采用以聚酰亚胺(PI)为基体,聚四氟乙稀(F4)和二硫化钼(MoS2)为润滑添加剂的复合材料。轴承工作时以承受轴向冲击载荷及线过载为主,所以选择角接触球轴承作为轴承的基本结构型式。
      1.2轴承内部参数的设计分析
      根据前文所述的产品技术要求可知,轴承的摩擦力矩和刚度是两项主要的性能指标,要求同时满足。临清森信轴承由于制造精度,材料均匀程度的差异,即使是同样材料,同样尺寸的同一批轴承,在同样的工作条件下使用,其寿命长短也不相同。实际上这是一个多目标函数的优化设计。而在设计过程中要使两项指标同时达到最优是很困难的,需要在两项目标的最优值之间进行协调,以便求得对于两项目标都比较好的方案,而且这种最优解很可能不是唯一的。因此,在轴承设计分析过程中,对包括滚动体尺寸、滚动体数量和沟曲率半径系数在内的基本结构参数如何进行选择确定,应着重考虑这些参数的变化对产品性能方面所产生的不同影响。
  1.2.1 方案一:采用常规设计
      按照常规设计计算,钢球的直径Dw=15.875mm,数量Z=49,沟曲率半径系数f
  I、fe在0.515~0.535之间取值。临清森信关节轴承的滑动接触表面为球面,主要适用于摆动运动、倾斜运动和旋转运动。该方案的优点在于正常情况下轴承可以获得较大的载荷容量,耐振动冲击性能好,相应地刚性也较好。但是轴承的摩擦力矩可能较大,另外,按此方案轴承套圈的沟底壁厚还不到5mm,这可能会影响到轴承的刚性及加工的工艺性。而且,由于保持架也相对较窄,兜孔侧壁厚度仅为1.5mm.左右,这样对保持架的强度和加工工艺性都是很不利的。
  1.2.2方案二:采用小尺寸钢球
      可以减小滚动体尺寸,采用直径DW=11.1125mm的钢球,此时钢球数量Z=68,沟曲率半径系数f
  I、fe可在0.525~0.545之间取值。
  采用该方案可以减小轴承的摩擦力矩,既能增加轴承套圈的沟底壁厚(大约为6.5mm),又可以增加保持架兜孔侧壁厚度(大约为3.5mm)。从单方面来看,壁厚的增加可以增强套圈和保持架的刚度及强度,并改善零件加工时的工艺性能。球数的增加也可以提高轴承的承载能力和刚度;但是由于钢球直径尺寸的减小及沟曲率半径系数的增大,会影响到轴承的承载能力和刚度,而且球数增加会导致保持架过梁尺寸减小,从而使保持架的过梁强度降低。
  1.2.3 方案三:采用小尺寸钢球并减少钢球数量采用小尺寸钢球的同时,还可以把按常规计算的滚动体数量减少。同样采用直径DW=11.1125mm的钢球,此时钢球数量Z=46,沟曲率半径系数f
  I、fe仍在0.525~0.545之间取值。
  该方案同方案二相比,进一步减小了轴承的摩擦力矩,增加了轴承套圈的沟底壁厚及保持架兜孔的侧壁厚度,同时还能够增加保持架的过梁尺寸,进一步增强保持架的强度。但由于钢球数量的减少,会降低轴承的刚度和承载能力。
  除定性分析外,需分别对上述不同方案中轴承的摩擦力矩和刚度进行定量的理论计算和分析。因为产品要求的是启动摩擦力矩,所以在验算该项指标时,并没有采用帕姆格林所提出的计算公式,而是采用了较简单的近似公式。根据经验,该近似公式用于验算启动摩擦力矩还是比较可靠的。不足之处在于式中未能包含轴承内部的主要结构参数,无法进行优化。
  摩擦力矩近似计算公式为
 
      根据理论计算及对比,在实际研制过程中用了方案三。临清森信轴承由于制造精度,材料均匀程度的差异,即使是同样材料,同样尺寸的同一批轴承,在同样的工作条件下使用,其寿命长短也不相同。但根据试制产品的测试结果,确实反映出轴承的刚度相对较低。因此,有关研究人员认为应当在方案三的基础上加以改进,适当增加钢球的数量来提高轴承的刚度。这说明针对同一项指标的变化而言,具体何种因素所起的作用更大,以及某一参数的改变,对哪一项性能指标的影响更为显著,必需做综合的计算、分析、对比和论证,最终还应经过试验检验才能确定。上述三种方案均未提及保持架的厚度。对于保持架而言,其厚度尺寸非常关键,很大程度上决定着保持架的强度、机械加工性能及测试性能。该轴承保持架的厚度尺寸为6mm左右,保持架的中心径大约为285mm,因此,保持架的相对厚度是非常薄的,能否满足其强度要求和加工工艺需要,主要取决于所使用保持架材料的综合性能。
  2 保持架材料、加工及测试
      2.1材料的性能要求及配方根据轴承的技术要求及保持架的结构,所选保持架材料的性能应当着重满足两点:(1)较高的机械强度,满足加工及使用要求。(2)较低的摩擦系数和磨损率,减小摩擦力矩及满足使用要求。
  聚酰亚胺作为特殊高分子材料,具有良好的机械强度、高的耐温性和耐老化性,适用于高强度结构件;聚四氟乙稀是所有塑料中摩擦系数最低的材料,其耐温范围253~250,因其摩擦系数小,性能稳定,易在相对摩擦表面上形成自润滑转移层而起到减摩作用,因此早已广泛使用;二硫化钼作为固体润滑剂,广泛应用于减摩领域,其特有的层状结构使它的摩擦系数小,易于转移,可用于较宽的温度范围,并且有助于聚四氟乙稀在相对摩擦表面上转移。根据以往对类似复配材料所作的研究表明,这种组合具有较好的综合性能。
  通常情况下,材料配方比例是按重量百分比计算,可以有多种选择。比如:1.80%PI+15%F4+5%MoS2;2.85%PI+10%F4+5%Mos2等。选用何种配方比例需视轴承的工作条件而定,且无论是何种方案,都必须通过成型试验及性能评价,根据性能评价结果才能确定最佳材料配方。本项目采用方案!。
  2.2材料成型及加工聚酰亚胺复合材料是采用热压成型方法制成管材,然后设计制造专用加工模具,在高温烧结炉内加温并保温一定时间,再利用压力机使之加压成型。在制备过程中应注意的主要问题是:保温时间不能过长,防止有机高分子材料长期处于熔点温度以上而发生急剧老化,导致强度降低,甚至丧失。因为强度足够与否是这种薄壁保持架加工的关键。具体保温时间应依制品的厚度而定。保持架成型后还需时效处理,以消除内应力,确保其尺寸稳定。
  对于尺寸较大、相对壁厚较薄且强度有限的非金属材料保持架,在加工过程中必须使保持架各部分均匀受力,尽可能防止出现加工椭圆;其次,要防止由于加工面处摩擦产生的热量积存在刀尖与工件之间而导致塑料表面熔化;此外,还要考虑到由于保持架材料的热膨胀系数较大(是一般金属材料的3倍),从而可能导致的由于温度变化而对保持架成品尺寸产生的影响。
  3 薄壁轴承冷热加工分析
      3.1 热加工工艺
      在对以9Cr18不锈钢为材料的大尺寸薄壁轴承套圈的热加工过程中,关键问题是如何防止在锻造过程中材料产生孪晶,因为材料中一旦形成孪晶,将会严重影响轴承的耐振动冲击性能。其次是如何防止在淬火过程中工件产生变形,发生大的椭圆、锥度和端面翘曲。
  一般来说,在锻造过程中,为确保轴承内部质量,必须确定合适的始锻温度、高温保温时间及冷却速度。对于此类大尺寸薄壁不锈钢轴承套圈,可以在首道和末道锻造工序时,加大锻造比,均匀变形程度,细化组织;同时,加热速度要快,尽可能缩短每道变形工序高温下的保温时间,以避免在长时间高温下,晶粒长大严重,锻件冷却碳化物析出时形成孪晶。为防止热处理过程中变形较大,在淬火时,应当使用热模夹具来减小热处理变形。
  3.2 冷加工工艺
      对于薄壁轴承套圈,尽管可以在淬火过程中使用模具来减小热处理变形,但如果在车加工过程中采用常规的加工方法,就很容易产生车削应力,而切削应力大,就会造成热处理变形大。另外,车加工质量的好坏,还直接影响着磨削加工的质量和效率。因此在车制大尺寸薄壁轴承套圈时,可以根据轴承套圈的特点,采用反复加工,并在工序中增加去应力退火,以减小车削应力。另外,为保证加工精度,各工序都应当在加工中使用专用工装。
  磨加工工艺主要应针对如何消除磨削应力及减小变形。比如说,由于轴承的内圈有锁口,从而造成内圈的两面壁厚不同。因此内圈在淬火过程中的变形,两面是不同的,因而在磨削过程中就会产生不均衡的变形;另外,在最终加工锁口高度时,如果斜坡的斜角过大,那么斜度的磨削量也可能会使轴承产生变形。而在轴承的旋转精度(Sia,Kia)指标要求很高的情况下,这一点变形就可能造成内圈的椭圆超差。
  针对这种情况,可以采用两次或两次以上的消除磨削应力的补充回火,并采取控制磨削进给量和反复加工的工艺顺序,逐步去除加工余量,提高零件的加工精度,以保证轴承的尺寸稳定性和精度稳定性。另外,为减小磨斜坡时的磨削量,可以尝试减小斜坡角度,从而减小磨削量以尽量避免由于两面壁厚不同可能造成的变形。而且减小斜坡角度,也会使锁口处的尖角减小,这对成套轴承合套时保护钢球也很有好处。