航空軸承鋼制保持架的加工工藝

孫立才，師歌，李凌鑫，李江斌，張軍

(1.洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039；2.河南省高性能軸承技術重點實驗室，河南 洛陽 471039；3.滾動軸承產業技術創新戰略聯盟，河南 洛陽 471039)

航空發動機主軸軸承是發動機的關鍵件之一，其在高速、高溫和受力復雜的工況條件下工作，要求具備較長的使用壽命和較高的可靠性[1]。為提高保持架強度，減輕重量，航空發動機主軸軸承多采用40CrNiMoA鋼制保持架，以適應高溫、高速、大載荷的工作環境，滿足發動機主軸軸承與發動機同壽命，并提高其使用可靠性[2]。

鋼制保持架一般對兜孔的精度、表面粗糙度及動平衡性能有嚴格要求，由于40CrNiMoA屬于高強度合金鋼，加工比較困難，現以某圓柱滾子軸承保持架為例，根據保持架的各項技術要求，制定出了合理的加工工藝方案。

1 保持架結構及工藝特點

1.1 結構特點

航空發動機軸承用鋼制保持架結構如圖1所示，常帶有凹槽、凸臺、鎖點(口)等特殊形狀，結構較為復雜。此外，保持架一般有鍍銀等表面處理要求，以便在極端情況下提供自潤滑性能。

圖1 保持架結構及主要尺寸、精度

1.2 加工難點

1)保持架雖不直接承受外載荷，但伴隨著高速滑動和旋轉，磨損最嚴重的區域是其引導面和兜孔表面[3]，所以兜孔的精度和表面質量對主軸軸承的壽命產生較大影響。40CrNiMoA由于材料硬度高、黏性大，采用拉刀拉方孔時容易將拉刀拉斷，兜孔表面質量尤其是表面粗糙度Ra和兜孔底高變動量難以達到要求。

2)保持架不平衡在高速時容易引起振動，從而可能導致“軟磨硬”現象，即較軟的保持架(硬度33～37 HRC)引導面磨損相對較輕，淬硬的不銹鋼套圈(硬度不小于58 HRC)磨損相對嚴重[4]。此外，還會導致滾子與保持架兜孔過梁產生較大的沖擊，使滾子歪斜，造成過梁變形甚至斷裂，從而使軸承卡死，嚴重影響軸承的壽命和可靠性[5]。因此，對于高速運轉的航空發動機軸承需要考慮保持架動平衡問題。保持架的動平衡一般是在動平衡機上確定出不平衡點的幅值和相位，然后在保持架上去除不平衡量，須設計專用的工裝夾具，費時費力。

2 工藝分析

2.1 工藝要求

保持架主要尺寸(鍍銀后)如圖1所示，精度見表1。此外，保持架表面鍍銀層厚度0.025～0.045 mm，動不平衡量不大于2 g·cm。

表1 保持架精度要求

2.2 兜孔加工工藝

青銅保持架兜孔的加工一般是先在保持架上鉆圓形底孔，然后用拉刀穿過底孔逐步將圓孔過渡到方形孔。而40CrNiMoA鋼制保持架若采用上述方法則會出現拉孔困難，拉刀容易斷裂，并且厚度變動量VSs、底高變動量Vs1以及兜孔表面粗糙度Ra都難以達到要求。曾嘗試采用線切割的方式加工兜孔，但這種加工方法可能會因溫度過高使兜孔表面產生變質層，從而影響產品質量。

圖2 銑孔和拉方孔的尺寸

兜孔加工過程中，鉆頭和銑刀采用高硬度、高耐磨性的硬質合金材料，拉刀在設計上應盡量減小齒升量并且選用性能更加優良的材料，以便增加刀具的強度、耐磨性，提升兜孔的表面質量。

2.3 動不平衡量的控制

保持架的動平衡是一個繁瑣的過程，最好的方法是通過工藝改進來減小動不平衡量，這樣可以在保持架端面上少去重甚至不去重，以提高保持架的強度和外觀質量。

影響動不平衡量的因素主要有兩方面：一是兜孔在圓周方向的分度誤差，二是內徑對外徑的厚度變動量。兜孔在圓周方向的分度誤差可以通過使用高精度的四軸聯動數控加工中心來解決，而內徑對外徑的厚度變動量可以通過磨加工來解決。

減小厚度變動量的最好方式是對保持架所有的外表面(兜孔除外)均進行磨削加工，但會影響加工效率，尤其是內圓磨削，而且磨加工無法保證凹槽或臺階的交界面處的倒角要求，為此采用車、磨結合的方式來提高加工效率。兜孔加工完之后增加磨削外徑面工序，以消除兜孔加工時的變形，并進一步提高外徑面精度，然后以外徑面為基準車內徑面和斜坡。這樣，在保證了內徑與斜坡精度的同時，也保證了兩者與外徑的厚度變動量，加工效率較高。

3 加工實例

根據以上分析，確定的圓柱滾子軸承40CrNiMoA鋼制保持架的加工工藝為：車端面→車外徑面→車內徑面→研磨端面→鉆底孔→銑孔→拉方孔→壓印→粗車外槽→磨外徑面→精車外槽→車內徑面、斜坡。該工藝方法充分考慮了精度和效率二者之間的平衡，端面采用MB43100平面研磨機加工，外徑面采用M10100無心磨床加工，加工精度和效率均較高；銑孔使用XH714D數控立式加工中心，該機床夾盤在圓周方向的回轉精度為1/3 600°；其余表面的車加工采用ELITE51進行，該機床主軸的徑向跳動和端面跳動均小于0.5 μm。最終加工出的成品表面光滑，尤其是兜孔表面質量較以往有非常顯著的提高，實物如圖3、圖4所示。

圖3 鋼制保持架實物

圖4 保持架兜孔放大

隨機抽取5件加工完成的保持架送國家軸承質量監督檢驗中心對其精度進行檢測，結果見表2。

表2 保持架精度測量結果

由表2數據可知，除梁寬變動量Vbcs外，其余精度均遠遠高于產品要求的精度，尤其是VSs，Vs1和Kcs控制得非常理想。因兜孔的尺寸較小，泰勒儀的探針無法深入兜孔，故兜孔的表面粗糙度Ra采用目測比對的方式進行，目測可以滿足1.25 μm的要求。

4 結束語

以某圓柱滾子軸承鋼制保持架為研究對象，對其加工性能進行分析。結合保持架的精度要求制訂了加工工藝方案，對加工中如何保證兜孔的質量以及如何減小動不平衡量等進行了討論，試驗結果表明：底孔由圓孔改為方孔并控制尺寸余量不大于0.1 mm，拉方孔時可取得非常好的效果；車、磨配合加工在提高質量的基礎上，還可以提高加工效率，使加工工藝合理，滿足產品要求。