新型鋁合金自潤滑關節軸承的研究

張 翔, 楊明君, 黃雄榮, 段宏瑜

(1.上海市軸承技術研究所,上海200031；2.成都飛機工業有限責任公司,成都610092)

關節軸承是一種球面接觸副的滑動軸承,按其潤滑形式來分,可分為一般潤滑關節軸承和自潤滑關節軸承。本文研究的是一種鋁合金自潤滑關節軸承,主要用于擺動和三維運動支撐,其具有結構簡單緊湊、體積小、重量輕、承載大、擺動下工作可靠性高和免維護等優點,受到了廣泛的關注。

自潤滑關節軸承的研制難度極大,涉及冶金、機械、紡織、高分子、摩擦學等多個學科,困擾著眾多的軸承廠商和研究者。自潤滑關節軸承內外環材料大多數是軸承鋼、不銹鋼,其缺點是密度大,而飛機用軸承要求承載大、壽命長,但重量輕,需選用鋁合金材料。鋁合金普遍存在硬度低,加工變形大,精密加工難度高,本文對鋁合金自潤滑關節軸承的機理研究、材料選擇、設計方法和試驗技術等多個方面進行研究,并成功運用于主機,取得了良好的使用效果。

1 軸承設計

在對軸承結構尺寸、精度設計的同時,需對軸承

圖1 軸承應力分布圖

2 材料選擇

2.1 基體材料

鋁合金種類多,性能差異大,如何選擇符合工況要求的材料和組織狀態是研究者的最大難題。平衡材料綜合性能根據不同工況來挑選,并在研制過程中對所選材料進行反復驗證。挑選出符合要求的基體材料,力學性能見表1。

表1 鋁合金基體材料力學性能

2.2 襯墊材料

軸承內環與外環之間的自潤滑襯墊,起隔離金屬,減少軸承運動摩擦,降低機械動力消耗,抗沖擊,減振,降噪音和延長軸承壽命等作用。其中復合織物襯墊是自潤滑關節軸承必需的高強內襯材料,具有品種多樣、耐磨損性能優越、極具發展潛力的優勢。

本文研制所用的一種織物的紡織纖維材料就是由聚四氟乙烯(PTFE)纖維長絲和高熔點芳香族聚酰胺(Nomex)纖維長絲合股加工織成的雙層織物復合材料。對其織布的編織工藝和樹物理模型轉化為數學模型進行優化設計,分析軸承的應力分布狀態,校核軸承是否滿足主機使用要求。圖1為鋁合金軸承模型在承受徑向載荷時的應力分布狀態,由分析結果可見,軸承的應力集中區域為軸承內環邊緣,需對內環倒角等參數進行優化設計,減少尺寸突變等因素導致的應力集中。脂浸漬工藝一并進行了研究,襯墊材料編織圖見圖2。

圖2 襯墊材料編織圖

3 工藝突破

3.1 金屬切削

鋁合金的加工難點在于鋁合金本身剛度低,易受裝夾力及切削力的影響,產生殘余應力造成變形,所研制的為大孔薄壁鋁合金軸承,不易使用磨、研等工序,需要精密的加工技術與工藝來保障軸承的加工精度：內、外徑尺寸公差(0,+0.025 mm)、橢圓度(0.019 mm)、球徑差(0,+0.025 mm)、球形偏差(小于 0.009 mm)、表面粗糙度(達到 Ra 0.4 μ m)等 。

(1)夾緊力F

鋁合金切削加工中,影響套圈尺寸公差的因素有主軸轉速和夾緊力等,并與表面粗糙度、圓度的精度與卡盤夾緊力、刀具也有關。切削過程中施加在零件上的夾緊力可以引起鋁合金材料的冷變形,通過實驗(見圖3)發現夾緊力在0.02 MPa時的粗糙度最佳,Ra0.4 μ m滿足研制需求。而切削力的大小直接影響切削熱和夾緊力的大小。

圖3 夾緊力與粗糙度的關系圖

(2)轉速

鋁合金專用車床的主軸轉速為0～1 000 r/min,提高主軸轉速有利于提高加工效率,但速度過快時,軸承套圈表面會有振紋產生,影響表面光潔度[1-2]。上軸選取兩種不同材料,不同規格的鋁合金進行了轉速試驗,試驗結果如表2所示,1號,2號試驗主軸轉速分別在200、300 r/min時,切削效果好,生產效率高。

表2 主軸轉速對加工精度的影響

3.2 粘結技術

襯墊的粘結工藝與軸承基體有著密切的關系,軸承表面的清潔程度以及表面粗糙度影響著襯墊的粘結強度。

(1)表面清潔度

一般的膠黏劑具有低表面能,能潤濕被粘物的高表面能。軸承表面如存在油脂、氧化物等污染層會顯著影響粘結的強度,它們均為低表面能、低內聚強度,不清除會使粘結強度低下。

(2)表面粗糙度

在能夠潤濕的前提下,適當增加軸承的表面粗糙度,就相當于增加了膠黏劑與軸承的實際接觸面積,有利于提高粘結強度。不同表面粗糙度下的粘結強度如圖4所示。本文試驗確定了在軸承基體表面的噴砂工藝,使粘結面的粗糙度達到 Ra8～10/μ m 。

圖4 粗糙度與粘接強度的關系圖

3.3 表面處理

表面處理是提高鋁合金表面強度、耐磨性、耐蝕性和使用壽命的必要手段。本文采取對軸承內圈球面進行硬質陽極化、其他表面進行鉻酸陽極化的處理工藝。利用德國進口的鍍層測厚儀,結合表面粗糙度測量,對硬質陽極化膜厚加以控制,從而保證陽極化膜的質量。

(1)硬質陽極化

鋁合金內圈球面在10%～20%的硫酸電解液中通電進行陽極氧化處理,所獲得的氧化膜厚度為0.06～0.08 mm,具較高的硬度300 HV,良好的耐磨性。

(2)鉻酸陽極化

鋁合金除內圈球面外,其余進行鉻酸陽極化,鉻酸電解液一般含有2.5%～3%CrO3,最高不超過10%,氯離子含量必須小于0.02%,在通直流電進行外圈陽極化處理時,氧化膜比較薄,一般厚度只有0.5～5 μ m,本文研究軸承的陽極化厚度約為2 μ m,這樣在經過陽極化后外圈的尺寸變化不會超出公差范圍,不會損害材料的疲勞強度。鉻酸氧化膜幾乎沒有孔穴,膜層不需要封孔就可以使用,同樣厚度的情況下它的耐蝕能力優于不封閉的硫酸氧化膜。

(3)陽極化后處理

在軸承套圈陽極化結束后,利用拋光工具進行拋光處理,降低內圈工作面的粗糙度,進一步減小摩擦系數,使其與PTFE襯墊形成最佳摩擦副。

3.4 無損檢測技術

密合度是考核軸承工作性能的重要指標,傳統的檢測方法是將軸承在高分子材料中固定并切開,拋光后在光學顯微鏡下進行讀數測量。此種檢測方法對軸承進行了破壞,并容易產生人為誤差。本文采用計算機X射線斷層數字成象系統(工業CT)進行測試,可對軸承進行無損測量。圖5和圖6是對鋁合金軸承進行的無損檢測圖。

圖5 密合度測量示意圖

圖6 工業CT測量圖

4 試驗機技術與評價體系

4.1 試驗機的研制與應用

(1)試驗機的研制

本文所研制的試驗機需要可模擬軸承實際工作中所承受的載荷,擺動頻率和擺動角度。

通過試驗,一種機電液一體化的新型試驗設備——70 kN試驗機研制成功,如圖7所示。本試驗機提供了直升機軸承的擺動磨損試驗條件[3]。

圖7 鋁合金試驗機

(2)軸承的試驗

在試驗機上進行25 000次動態磨損試驗后,對軸承進行檢測,滿足SAE AS 81820要求,磨損量小于0.15 mm,試驗結果見圖8和表3。

4.2 評價體系的建立

我國自潤滑關節軸承研制起步晚,國軍標中對于自潤滑關節軸承的評判尚屬空白。本文對SAE AS 81820等國外標準進行搜集分析、結合工況使用情況[4],撰寫了《GJB 5502—2005低速擺動自潤滑向心關節軸承規范》,并獲批,據此建立新的評價體系。

圖8 鋁合金軸承磨損曲線

表3 磨損試驗結果

5 結 語

本文對鋁合金軸承選材、加工和熱處理等各環節進行研究。

(1)通過有限元分析,模擬軸承受載情況下的應力分布狀態,達到優化設計的效果。

(2)鋁合金軸承承載大,對基體材料的成分、組織狀態、力學性能等要求高,選擇T851、T7351狀態下的鋁合金材料。

(3)鋁合金軸承工藝參數為夾緊力在0.02MPa,主軸轉速在200～300 r/min時,軸承基體表面的噴砂工藝后粘接面的粗糙度達Ra8～10 μ m,軸承內圈球面進行硬質陽極化、其他表面進行鉻酸陽極化處理。

(4)工業CT能在不破壞軸承的情況下對軸承進行密合度測量。

(5)用上述工藝制造的軸承,已通過多方驗證,并得到了工程化應用。

[1] 王先逵,艾 興.精密加工和納米加工高速切削難加工材料的切削加工[M].北京：機械工業出版社,2008.

[2] 管 德,酈正能.飛機結構強度[M].北京：北京航空航天大學出版社,2005.

[3] 陳有光,魏立保.GJB5502-2005低速擺動自潤滑向心關節軸承規范[S].上海：國防科學技術工業委員會,2005.

[4] SAE AS 81820-1998 Bearing,plan,self-aliging,selflubricating,low speed oscillation,general specification[S].USA：The Engineering Society for Advancing Mobility Land Sea Air and Space,1998.