彈性復合圓柱滾動體的加工工藝

余江鴻　楊　文　李　超　姚齊水

1.湖南工業大學,株洲,412007　　2.湖南鐵道職業技術學院,株洲,412001

彈性復合圓柱滾動體的加工工藝

余江鴻1楊文2李超1姚齊水1

1.湖南工業大學,株洲,4120072.湖南鐵道職業技術學院,株洲,412001

以NU318E型彈性復合圓柱滾子軸承為研究對象,對彈性復合圓柱滾動體的結構進行了分析和優化,確定了加工尺寸，制定了滾動體加工工藝路線。對加工過程中同軸度難以保證、內孔及深穴表面粗糙度要求高、材料填充工藝復雜等加工難點和重點進行了討論，并對工藝方案進行了多次試驗和調整。加工試件檢測結果表明，采用該工藝方案加工的彈性復合圓柱滾動體符合設計的要求，工藝路線制定合理。

彈性復合圓柱滾子軸承;加工工藝;材料填充;同軸度

0　引言

彈性復合圓柱滾子軸承是一種新型的滾動軸承。彈性復合圓柱滾動體是彈性復合圓柱滾子軸承的重要組成部分,工作過程中彈性復合圓柱滾動體除了自身沿軸心發生自轉外，還沿著內圈的滾道公轉[1-2]。研究表明,由于彈性復合圓柱滾子軸承的特殊結構,其承載能力較一般圓柱滾子軸承更為優越[3-5]。

彈性復合圓柱滾動體作為軸承的關鍵部件,其加工質量直接影響著彈性復合圓柱滾子軸承的綜合性能[6-7]。彈性復合圓柱滾動體屬于一種回轉類零件，這類零件的內孔與外圓一般有嚴格的同軸度、尺寸公差和表面粗糙度要求,主要工藝難點是如何保證同軸度。同時彈性復合圓柱滾動體是一種二元復合結構體，對其內孔填充材料時工藝要求較高。如何根據彈性復合圓柱滾動體的結構尺寸、精度要求及生產實際，有針對性地制定出比較合理的工藝，是本文研究的主要內容。

1　彈性復合圓柱滾動體的結構特點及加工工藝

1.1結構特點

彈性復合圓柱滾子軸承的結構形式是在空心深穴滾動體內嵌入PTFE(聚四氟乙烯)材料,形成彈性復合圓柱滾動體[8-9]。由于彈性復合圓柱滾子軸承的滾動體較實心圓柱滾動體更容易變形，相同載荷作用下，滾動體與滾道的接觸半寬增大，接觸應力相應減小；相對實心圓柱滾動體而言，彈性復合圓柱滾動體的受力狀況明顯改善，特別是滾動體內孔彎曲應力降低，因此，軸承的抗疲勞破壞能力增強，安全服役壽命延長。這種新型軸承除了可以延長安全服役壽命、提高轉動精度外，還有明顯的減振降噪效果,這是由于嵌入的PTFE材料有良好的吸收振動能量的特性所致。經過對比試驗,彈性復合圓柱滾子軸承減振降噪效果明顯優于實心圓柱滾子軸承和空心圓柱滾子軸承的減振降噪效果，這使得軸承本身乃至軸承支撐的整個機械系統的動態性能得到了進一步的改善。嵌入的PTFE材料的密度(2.2～2.3 g/cm3)遠小于軸承鋼的密度(7.58～7.80 g/cm3),對于相同外徑的滾動體而言，彈性復合滾動體的質量比實心圓柱滾動體質量要小,因此,彈性復合圓柱滾子軸承的極限轉速要高于實心圓柱滾子軸承的極限轉速[10-11]。彈性復合圓柱滾子軸承加工后實物如圖1所示。

(a)整體圖

(b)局部放大圖圖1　彈性復合圓柱滾子軸承實物圖

1.2加工工藝

彈性復合圓柱滾子軸承的加工主要是彈性復合圓柱滾動體的加工。彈性復合圓柱滾動體由深穴空心滾動體和填充材料兩部分組成,由于是二元復合結構，且要求同心精度和光潔度高，所以彈性復合圓柱滾動體加工工藝較復雜。

基于試驗樣品的加工屬于小批量加工，對彈性復合圓柱滾動體的加工來說，其加工過程為先加工深穴空心滾動體部分，再對其進行材料填充處理。彈性復合圓柱滾動體加工工藝為：棒料→車外徑、切斷→車兩端面、倒角、圓穴→軟磨外徑→軟磨端面→車內孔、車深穴→熱處理→硬竄黑皮→磨內孔、磨深穴(采用專用檢測工具進行檢測)→粗磨外徑→同軸度檢測(同軸度控制在0.01 mm以內)→填充材料(經過一定工藝處理，使填充材料與深穴空心滾動體內壁緊密接觸)→粗磨端面→細磨外徑(保持較高精度)→終磨端面→初檢、外觀。

1.3加工要求和難點

彈性復合圓柱滾子軸承是一種新型軸承，不同外形結構尺寸的彈性復合圓柱滾子軸承其最優結構尺寸不同，在加工前需結合特定外形尺寸型號通過理論分析得出最優結構尺寸。彈性復合圓柱滾子軸承由于結構較一般圓柱滾子軸承復雜，特別是彈性復合圓柱滾動體的加工要求高，難度大,主要難點如下。

(1)彈性復合圓柱滾動體內孔與外圓的同軸度要求高。一般情況下彈性復合圓柱滾子軸承的工作環境是高速運轉，為了避免因制造精度不高特別是同軸度精度不高而產生較大振動，就需要對彈性復合圓柱滾動體內孔與外圈的同軸度要求特別高。

(2)彈性復合圓柱滾動體內孔和深穴加工。彈性復合圓柱滾子軸承有邊緣深穴設計，這樣可降低或避免“邊緣效應”，提高其工作壽命。彈性復合圓柱滾動體內孔的表面粗糙，諸如加工后留下的刀痕等易形成疲勞裂紋，從而很大程度上影響其工作壽命。由于內孔和深穴尺寸相對較小，在內孔和深穴的磨削加工中存在較大難度。

(3)材料填充。彈性復合圓柱滾動體是一種二元結構體，存在軸承鋼與PTFE兩種材料怎樣結合的問題。由于彈性復合圓柱滾子軸承的使用環境要求比較高，為保證兩種材料很好“吻合”而不產生縫隙，這對材料填充工藝提出了很高的要求。

2　實例分析

以NU318E型彈性復合圓柱滾子軸承為例，就其滾動體結構優化，加工過程中的同軸度、深穴加工和材料填充工藝進行討論。

2.1結構優化

彈性復合圓柱滾動體結構如圖2所示，為了優化彈性復合圓柱滾動體的結構尺寸，定義滾動體的填充度K=d/D,用ABAQUS軟件對彈性復合圓柱滾子軸承進行有限元建模,如圖3所示。分析一定工況下彈性復合圓柱滾子軸承的接觸應力、von Mises應力、彎曲應力以及變形量對滾動體結構尺寸的影響，根據計算結果最終確定彈性復合圓柱滾子軸承滾動體填充度最優值為55%[3]。

為了研究合理的深穴設計對彈性復合圓柱滾子軸承邊緣應力集中的影響，將深穴結構參數化，提出深穴角度α和深穴半徑c兩個設計變量，利用正交試驗法和有限元方法確定出BP神經網絡樣本數據。通過BP神經網絡學習算法建立設計變量與最大應力之間的映射關系，獲得遺傳算法結構優化所需的目標函數，采用遺傳算法對彈性復合圓柱滾動體的結構參數進行優勝劣汰的尋優搜索運算，以NU318E型軸承為優化對象，得到最優設計變量α=48.68°、c=9.67 mm,優化后的彈性復合圓柱滾動體的邊緣區域以及橢圓區域的最大接觸應力和最大等效應力的綜合值最小，彈性復合圓柱滾子軸承的接觸疲勞壽命和承載能力較未優化前提高了。

圖2　彈性復合圓柱滾動體結構示意圖

圖3　彈性復合圓柱滾動體仿真實體結構圖

由于內嵌PTFE高分子材料結構復雜，彈性復合圓柱滾動體的加工工藝與一般圓柱滾動體不同，且加工難度也較大。

2.2同軸度加工

彈性復合圓柱滾子軸承在工作過程中的高轉速對彈性復合圓柱滾動體的加工質量提出了很高的要求。彈性復合圓柱滾動體加工工藝難點之一就是加工過程中要保證內孔與外圓具有較高的同軸度，高速旋轉的彈性復合圓柱滾動體內孔與外圓的基準軸線相差較大會產生振動源，影響軸承的正常工作性能并產生噪聲，為了保證彈性復合圓柱滾動體內孔與外圓的同軸度，采取先磨內孔，再以內孔定位磨外圓的加工方法。

通常采用的工藝是先在內圓磨床上用三爪卡盤卡住彈性復合圓柱滾動體外圓磨出內孔，然后再根據其內孔的尺寸配磨一根心軸。磨削心軸時，以彈性復合圓柱滾動體內孔和心軸外圓為定位面，彈性復合圓柱滾動體和心軸緊配合裝配在一起，在外圓磨床上用兩頂尖頂在心軸兩端的中心孔上(圖4)，磨出彈性復合圓柱滾動體的外圓，以保證其孔和外圓的同軸度要求。因為心軸外圓是在外圓磨床上以心軸兩端的中心孔為加工基準磨出的，而彈性復合圓柱滾動體以內孔和心軸外圓配合定位后，也是以心軸兩端中心孔作為加工基準加工出彈性復合圓柱滾動體的外圓的,即外圓的加工是間接采用心軸的中心孔作為加工基準的，基準重合；而且，彈性復合圓柱滾動體內孔和心軸外圓是配磨定位，誤差很小,所以,采用這種方法能夠很好地保證彈性復合圓柱滾動體內孔和外圓的同軸度。按此要求工藝加工回旋類零件,其孔和外圓的同軸度小于0.01 mm。

圖4　彈性復合圓柱滾動體加工示意圖

2.3內孔及深穴加工

內孔與深穴加工是填充材料構成彈性復合圓柱滾動體前關鍵一步，其加工需要經過粗車和磨削加工。內孔存在加工刀痕是導致疲勞裂紋萌生的主要原因，在對內孔及深穴進行粗加工的基礎上還需要進行磨削加工以降低疲勞裂紋的萌生幾率。磨削加工過程中最關鍵是一步是利用三爪卡盤對滾動體進行固定，以保證同心，從而保證加工精度。

為保證磨削深穴的精度，加工后存在檢測問題。目前雖然已經有針對彈性復合圓柱滾子深穴加工的專業檢測工具，但是由于其檢測的局限性，諸如因檢測工具不屬于通用件，只能檢測一種規格的滾子深穴,或在檢測中操作不便、檢測精準度低等，給檢測帶了很大的不便。圖5為一種深穴加工專業檢測通用工具，主要對加工過程中彈性復合圓柱滾動體的深穴進行檢測，深穴的斜面與檢測工具的圓錐測頭斜面形成緊密配合，另一端通過測量套卡緊來完成檢測工序。

圖5　深穴空心圓柱滾動體檢測

2.4材料填充工藝

PTFE的原材料一般呈白色透明、粉末狀或分散液狀。因PTFE難以用標準的熱塑性塑料的加工方法進行成形加工,一般采用類似“粉末冶金”的冷壓與燒結相結合的加工方法，即將PTFE樹脂在模具中先以一定的壓力冷壓成形,再在其合適的溫度下燒結。燒結過程是將預制品(冷壓成形后的毛坯)加熱到晶體熔點(327 ℃)以上,并保溫一定時間，使聚合物分子由結晶形逐漸轉變為無定形，分散的單個樹脂顆粒通過互相擴散熔融粘結成一個連續的整體，此時預制品由乳白色變為透明的膠體狀。然后再經冷卻，聚合物分子又從無定形逐漸轉為結晶形，預制品也就成為堅固的乳白色的不透明制品。PTFE可采用模壓成形、擠壓成形、液壓成形、推壓成形及二次加工等多種成形工藝得到制品。

根據株洲宏大高分子材料公司提供的PTFE原材料形態和加工設備情況，選擇模壓成形的方式為已加工好內孔的圓柱滾動體填充材料。制備流程為：安裝模具→加粉料→冷加壓→保壓→升溫→燒結成型→冷卻→打磨清洗→檢測，模具如圖6所示。主要加工設備為小型液壓機和小型燒結爐。

(a)材料

(b)模具圖6　材料填充模具及材料

在深穴空心圓柱滾動體內嵌入PTFE(聚四氟乙烯)材料構成彈性復合圓柱滾動體。在加工工藝中,滾動體材質為軸承鋼，而PTFE是一種高分子材料，兩種材料的結合成了加工工藝的又一個難題。為避免材料填充過程中填充材料不能與滾動體很好結合而形成縫隙，彈性復合圓柱滾動體的材料填充是在高溫高壓狀態下進行的。將深穴空心圓柱滾動體放入模具中，將粉末狀填充材料填入滾動體中，通過高溫高壓使填充材料很好地與深穴空心圓柱滾動體結合，保持一定壓強下冷卻，經過初步的打磨端面完成材料填充工序。

綜合工程師小型棒狀PTFE制品生產經驗，經多次試驗，對材料填充工序作了多次調整，同時提高工藝生產執行要求，注意加料、模壓施壓均勻，加壓過程緩慢且保持足夠的加壓時間；燒結過程確保緩慢升溫和足夠的保溫時間，隨爐自然冷卻。最終選擇預壓成形壓力為15 MPa,保壓時間為30 min,升溫速度為200℃以下120℃/h,200℃后80℃/h,燒結溫度為360～380℃,燒結時間為2h,冷卻速度為150℃/h。

3　試驗檢測

彈性復合圓柱滾動體加工各階段的工件如圖7所示。針對加工好的彈性復合圓柱滾動體的檢測主要是同軸度精度檢測。

(a)加工前滾動體(b)熱處理后滾動體

(c)磨內孔、深穴后滾動體(d)初磨外徑后滾動體

(e)填充材料后的滾動體(f)終磨外圓后的滾動體圖7　彈性復合圓柱滾動體加工實物圖

為保證彈性復合圓柱滾動體能平穩高速運轉,對其同軸度要求特別高,對其進行加工必須充分考慮其精度。本工藝采用“自定位”原則，即在對內孔及深穴進行終磨后，借用心軸棒對內孔進行定位，然后對外圓進行磨削，以此保證同軸度。隨機抽取三個已加工好的深穴空心圓柱滾動體通過萬能工具顯微鏡對其進行同軸度檢測，其結果見表1，檢測過程如圖8所示。

表1　萬能工具顯微鏡檢驗記錄　mm

(a)測試件固定

(b)萬能工具顯微鏡圖8　深穴空心圓柱滾動體檢測

據表1可知,隨機抽取三個結構尺寸一致、空心度均為55%的深穴空心圓柱滾動體進行檢驗,從結果來看,同軸度值均在0.01 mm以內。

4　結語

以NU318E型彈性復合圓柱滾子軸承為研究對象，對其結構進行了分析和優化。結合軸承的工作環境和精度要求制定了彈性復合圓柱滾動體的加工工藝方案，對加工過程中如何保證內外圓的同軸度、深穴加工及檢測、高分子材料填充工藝等加工重點和難點進行了討論。加工試件檢測結果表明,該加工工藝方案合理，能滿足設計要求。

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(編輯王艷麗)

Machining Technology for Elastic Composite Cylindrical Rollers

Yu Jianghong1Yang Wen2Li Chao1Yao Qishui1

1.Hunan University of Technology,Zhuzhou,Hunan,412007 2.Hunan Railway Professional Technology College,Zhuzhou,Hunan,412001

As the research object,NU318E elastic composite cylindrical roller bearing was analysed and optmised.The processing dimensions were certified and the process planning was formulated.The difficult points were discussed including the hard-to-guarantee concentricity,the high requirements of the inner hole and deep hole surface roughness and the material filling processing difficulty,and they were dealt with experiments and adjustments in the planning.The test results show that the elastic composite cylindrical roller processed by the thecnology accords with the design requirements and the route is reasonable.

elastic composite cylindrical roller bearing;machining technology;material filling;coaxiality

2014-06-27

國家自然科學基金資助項目(51175168);湖南省科技計劃重點資助項目(2014GK4014)

TH133.33DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.12.009

余江鴻,男,1978年生。湖南工業大學機械工程學院副教授。主要研究方向為機械結構與動力學。授權專利7項，發表論文10余篇。楊文，男，1987年生。湖南鐵道職業技術學院鐵道車輛與機械學院助教。李超，男，1991年生，湖南工業大學機械工程學院碩士研究生。姚齊水(通信作者),男,1967年生。湖南工業大學機械工程學院教授。