關節軸承開縫引裂不良裝配崩裂原因探究及對策

鄭志耀

（福建龍溪軸承（集團）股份有限公司，福建 漳州 363000）

關節軸承開縫引裂不良裝配崩裂原因探究及對策

鄭志耀

（福建龍溪軸承（集團）股份有限公司，福建 漳州 363000）

開縫型關節軸承引裂合套時，常發生因引裂不良或外圈彈性不足引起崩裂破損，在引裂縫位置發生小崩塊缺損，導致報廢。本文針對開縫型關節軸承引裂不良，裝配破損產生的原因進行分析，并提出相應的對策。

關節軸承；引裂開縫不良；裝配崩裂破損

關節軸承屬于滑動軸承，主要由一個外球面內圈和一個內球面外圈組成。一般用于低速重載的擺動運動、傾斜運動和旋轉運動。相對于滾動軸承，其結構簡單，體積小，承載能力大，廣泛應用于工程機械、重型汽車、農業機械、航空航天、礦山冶金、印刷、紡織、鐵路、船舶等領域。近幾年關節軸承應用領域不斷延伸，在建筑、橋梁上也大量使用。

早期的關節軸承（GE…DS型），外圈帶有裝配槽，內圈磨有一條環形帶，易于拆卸、互換，使用一段時間可更換磨損件，延長軸承的使用。但這種結構類型的產品，也由于其有裝配槽，環形帶不利于產品的加工和發揮產品性能。隨著產品的更新換代，GE…DS型已是淘汰型的產品，已被單縫向心關節軸承GE…ES或剖分型向心關節軸承GE…XS取代。GE…ES型關節軸承的特點是外圏有一條裂縫，內圏靠擠壓裝入外圈。GE…XS是剖分型關節軸承，其特點是將外圈剖分對等兩半，再與內圈進行配套。這兩種類型產品是關節軸承最主要類型，它們都屬于開縫型的關節軸承產品。它們共同的特點：在外圏端面或內倒角上加工有引裂槽（如圖1所示），作為引裂源，在配套前，利用沖床或油壓機將外圈引裂開來，再進行裝配合套。

開縫型關節軸承產品，材質一般選用Gcr15或Gcr15SiMn軸承鋼，在外圏端面或內倒角上加工有一條或一對引裂槽，如圖2所示。外圈引裂紋一般采用沖床或油壓機給外圈施加壓力，引裂槽槽底尖角處產生應力集中效應，使槽底尖端的裂紋擴展，沿軸承外圈形成軸向貫穿裂縫，一條或對邊裂開這一過程稱為“引裂”。由于材料引裂過程受很多因素影響，常出現引裂不良，直接影響到后面產品裝配。根據長期生產加工經驗，引裂不良會影響到產品的外觀質量，造成配套崩裂，直至報廢，是關節軸承加工中產生廢品，主要報廢損失之一。因此，研究解決開縫式關節軸承引裂不良，裝配破損，對提高關節軸承加工的經濟效益和使用性能，具有重大的意義。根據公司幾十關節軸承生產經驗，關節軸承在引裂裝配工序，出現引裂不良，破損主要：引裂不開、引裂縫歪斜、不直，引裂面不平整裝配合套時出現崩裂，單縫外圈卻一分為二，甚至崩裂成多塊碎片，引裂縫上崩掉一小塊，引裂縫出現毛邊等，如圖3所示。

通過十幾年來對開縫型關節軸承生產過程引裂不良或裝配合套出現崩裂、破損跟蹤調查探究，基本掌握其產生的原因，提出應對的措施對策，來避免該質量問題發生或降低其不合格率。

一、開縫型關節軸承生產過程引裂不良或裝配合套出現崩裂、破損的原因分析

開縫型關節軸承，在外圈上開有很小的應力缺口，通常講的引裂槽，如圖2所示，在裝配合套過程，外圈須先經引裂，在油壓機或沖床上對外徑施壓，使其在應力缺口處開裂，形成貫穿裂縫，然后再合套，形成一件單品。單縫向心關節軸承GE…ES型產品合套時，還要在油壓機或沖床上，利用外圈的彈性形變，將內套擠進外圈，完成合套。由于材料引裂過程較復雜，受很多因素影響，在引裂合套過程中，常發生引裂不良，破損，如引裂不開、引裂縫歪斜、不直，引裂面不平整，裝配合套時出現崩裂，單縫外圈卻一分為二。甚至崩裂成多塊碎片，引裂縫上崩掉一小塊，引裂縫出現毛邊等。嚴重影響產品的外觀和使用性能。本人通過十幾年對開縫型關節軸承生產過程引裂不良或裝配合套出現崩裂、破損跟蹤調查，原因歸結為四大原因：①外圈材料內在質量，彈性或韌性不足；②引裂槽沒有加工好；③裝配方式不當；④尺寸設計不合適。在實際生產加工過程，造成引裂不良，破損，可能是單獨因素發生作用，也有可能是幾個因素同時發生，綜合起作用。綜合因素起作用，存在原因不易查找。

1.外圈材料內在質量，彈性或韌性不足

外圈材料的內在質量最為關鍵，是決定性的。從外圈的內在因素分析，外圈必須具備一定的彈性應變能力和抗沖擊能力，方可確保外圈在開縫或在裝配時發生脆性破壞。套圈的彈性應變能力和抗沖擊能力取決于其內在質量。而內在質量的形成過程包括原材料、鍛造、退火、最終熱處理（淬火、回火）工藝和磨加工等各環節。不管哪個環節出了問題，都可能造成外圈的彈性和韌性不足。材料內在質量，彈性或韌性不足，按調查分析，原材料不良、工件內應力沒有消除充分和大型號熱處理沒有淬透居多。

1.1原材料不良

原材料好壞很關鍵，有缺陷的原材料，如存在夾雜物、帶狀超標，碳化物形態及其分布不良，在后續的鍛造、熱處理又無法消除，則必然影響最終軸承套圈的內在質量，造成彈性或韌性不足。此缺陷往往會造成套圈引裂不良和出現崩裂、破損。原材料好壞對套圈引裂合套的影響，跟蹤過GEG40ES/K產品，這種產品外圏很厚，用普通Gcr15軸承鋼和SKF3興澄特鋼進行對比，普通Gcr15軸承鋼到后來的引裂合套，采用各種裝配措施，用上緩沖裝置，不良破套率依然很高，達20%，而用SKF3興澄特鋼來生產，不良破套率很低。

1.2鍛造、熱處理

套圈內在組織除了跟原材料有關外，與鍛造、熱處理工藝（正火、退火、淬火、回火）密切相關。鍛造工藝不當，溫度控制、冷卻方式不當，造成網狀碳化物，或退火工藝不當造成過熱、欠熱組織，均可使套圈在最終熱處理以后，使組織的缺陷遺留下來，降低套圈材料的彈性和韌性。套圈熱處理（淬火、回火），是確保其內在組織的最關鍵工序。不當的淬、回火工藝，造成組織不良，直接影響到套圈的彈性和韌性。淬、回火工序造成彈性或韌性不足，可能有：淬、回火溫度設定不合適，回火硬度過高，回火時間不足，工件內應力削除不充分等。

1.3疲勞加工、時效不足

疲勞加工、時效不足，套圈殘余應力大，也容易造成套圈的韌性下降，造成引裂不良或裝配合套出現崩裂、破損。時效不足，特別要引起重視，生產加工出現過，趕任務時，如表面磷化處理剛結束不久，就馬上安排引裂、合套，出現引裂不良，叫停后，過兩天再來引裂合套，一切正常。

2.引裂槽質量

開縫型關節軸承外圈，一般在車削加工后（淬火前），在外圈上開一個很小的應力缺口，稱為引裂槽，引裂槽有兩種類型，平沖引裂槽、鈄沖引裂槽，如圖2所示。外圈引裂開縫，正是應用其在外圈受力時，產生應力集中，從缺口處裂開來，形成貫穿裂縫。引裂槽設計加工的質量，直接影響開縫合套的質量。從加工經驗，開縫引裂不良、崩裂破損一半是由于引裂槽質量原因造成，所以要重視引裂槽的加工質量。

（a）引裂槽的開口位置一定要與外圈斷面成垂直方向，通過圓心，如果稍有偏斜，就容易導致外圈開縫偏斜或崩裂；

（b）引裂槽槽底一定要尖利，不能圓鈍，如果圓鈍不易形成應力集中，會造成引裂不開，如果強行引裂會造成引裂縫不直，引裂面不平整，裝配合套時，易產生引裂縫出現小崩裂，崩掉一小塊或引裂縫出現毛邊等。

（c）引裂槽深度太淺，也不利于應力集中，影響外圈的開裂。

3.引裂、裝配方式不當

裝配工藝或操作方法，對外圈開縫、裝配也會產生影響。根據外圈開裂的原理，開裂是對外圈施壓，從引裂槽缺口應力集中點開裂開來，所以引裂的時候，套圈應調整好，擺正，使應力缺口先受力。若開縫時應力缺口沒有對正，則會使裂縫發生拐曲，導致縫口不平齊，在配套時，縫口易發生崩裂。另外對壓力機的沖頭行程，加以控制，沖頭下壓調整到剛能將套圈引裂開就好，如果行程過低，會使工件在開縫以后仍承受較大的沖擊力而破裂成兩半。

4.撐開比值設定

關節軸承尺寸設計上影響裝配的環節主要有兩個，一個是外圈內倒角處入口直徑尺寸（記為D1）和內圈球徑的尺寸（記為dk1）。將內圈球徑的尺寸減去外圈入口處倒角直徑尺寸的差值，與入口處倒角直徑尺寸的比值，稱為撐開比記為KL。

公式：撐開比記為KL=（dk1-D1）/ D1

如果撐開比值設計過高，則裝配時要求外圈的張口大，如果超出外圈的彈性應變極限，合套時使外圈破裂。撐開比過大，外圈破裂一般呈現一分為二裂開；如果撐開比值過小會影響產品使用性能，所以制訂工藝時要設定好撐開比值。根據開縫型關節軸承幾十年的生產經驗，撐開比設定7%～9%較適宜。

二、采取的應對措施、對策

對上述導致開縫型關節軸承裝配過程出現引裂不良、合套崩裂破損的諸原因進行探討以后，就比較容易找到相應的對策了。針對外圈的彈性和韌性不足、引裂槽質量、尺寸設計不合理及裝配工藝不當等四大原因，采取相應的對策。

1.確保套圈材料內在質量.

1.1把好鋼材原材料的質量關。對白點、顯微裂紋、夾雜物超標、碳化物形態及其分布不良的原材料，要嚴禁投產。

1.2鍛造時，嚴格按加熱、冷卻規范進行，控制好鍛造加熱溫度及鍛后冷卻速度，杜絕鍛造過熱、過燒及網狀碳化物產生。

1.3退火工序要嚴格把關，避免過熱或欠熱退火組織產生，確保工件淬火前具備良好的金相組織、狀態。

1.4熱處理淬回火是確保工件的質量的關鍵。制定最佳的淬火、回火工藝，確保工件具備足夠的彈性和韌性。熱處理淬回火質量，很大程度靠熱處理設備來保證。可以通過采購較好的熱處理設備來保證。

1.5時效保證，避免疲勞加工。大型號的套圈在磨削過程，可以考慮增加一道互加回火，消除套圈磨削產生的殘余應力。

2.保證引裂槽質量

引裂槽設計加工的質量，直接影響開縫合套的質量，所以要對沖槽工序進行重點控制。

2.1在外圈端面上平沖引裂槽，槽底應與端面平行，槽底的延長線通過中心；引裂槽應尖且表面對稱。引裂槽的開口位置一定要保證與外圈斷面成垂直方向，通過圓心。通過加強工序檢驗來保證。

2.2鈄沖引裂槽，槽底應與套圈端面傾角105°左右，采用工裝來保證，深度尺寸應嚴格控制。要確保引裂槽深度過倒角。

2.3引裂槽槽底一定要尖利，不能圓鈍。可以對沖刀實行限量加工，加工一定數量強行換刀。

2.4引裂槽深度、角度進行保證。沖刀可以考慮采用統一制作，保證引裂槽角度。通過加強工序檢驗來保證。

3.采用合適的引裂、裝配方式

采用合適的引裂、裝配方式，可以減少外圈在引裂開縫時的破裂。引裂開縫時，擺正套圈，使對外圈施壓的力，對準引裂槽缺口，讓應力缺口產生應力集中，開裂。

3.1設計簡易的引裂工裝。

3.2合套時可以采用緩沖裝置。緩沖裝置消除合套時，外圏張開，回彈時，在引裂縫處產生的崩裂。

4.選用合適的撐開比值

制訂產品尺寸工藝時，要考慮產品的撐開比。在滿足性能要求的條件下，盡量降低外圈內倒角處入口直徑與內圈球面直徑的比值，根據開縫型關節軸承幾十年的生產經驗，撐開比設定7%～9%較適宜。以保外圈倒角是圓滑過渡。

結語

總而言之，造成開縫型關節軸承裝配過程引裂不良，崩裂破損的原因是多方面的，有時材料開裂較復雜，難于控制。只要采取以上的應對措施，能有效地避免崩裂、破損的現象發生。

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［3］王斌武，劉曉剛.基于田口方法的關節軸承的優化制造工藝［J］.軸承，2006（11）：10-13.

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