離合器軸承斜撐塊加工工藝分析

張亭亭，吉智軍

(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)

1 概述

超越離合器是重要的機械傳動部件之一，其具有承載能力強、結構緊湊、可靠性高等特點，廣泛應用于航空、航天、航海等工程領域，其功能是通過控制傳動系統中主動件和從動件的接合與脫開，為動力傳輸控制提供關鍵保障。最具代表性的斜撐式離合器中，離合器軸承是極為重要的組成部件，主要由斜撐塊、保持架、彈簧等零件組成，其中斜撐塊是離合器軸承的關鍵件，其性能直接影響離合器軸承的性能[1]。

斜撐塊在應用上需同時滿足強度和耐磨性要求，材料硬度一般在60 HRC以上，工作表面粗糙度Ra為0.2～0.4 μm[2-3]，圖1所示為常見結構。斜撐塊外形尺寸小，截面形狀復雜，且精度要求較高，特別是在航空應用領域，對斜撐塊工作狀態的可靠性要求更高，除尺寸精度、截面形狀、表面粗糙度、尺寸分組精度等，對材料和熱處理特性也提出了很高的要求。

圖1 斜撐塊結構簡圖Fig.1 Structure diagram of sprag

根據離合器軸承應用場合的不同，斜撐塊材料的選用也具有較強的針對性。一般條件下常選用中碳鋼或軸承鋼；高溫和高速條件下，常選用耐高溫鋼或高速鋼。選材差異及最終熱處理特性的不同將直接影響離合器軸承的整體性能。

現分析斜撐塊傳統加工工藝，探索新的工藝方案并進行試驗驗證。

2 傳統工藝分析

斜撐塊為異形結構，一般的機械加工方法難以實現成形，較為成熟的方法是拉拔成形。

應用于技術條件要求不高時，斜撐塊材料一般選用中碳鋼，加工工藝路線為：下料→退火→拔制→切斷→滲碳→淬、回火→表面處理→檢測→成品。該工藝方法的特點是易于成形，便于加工，但滲碳層質量不易控制，對斜撐塊工作性能存在一定影響。

可靠性要求更高的產品，斜撐塊材料多選用軸承鋼，加工工藝路線為：下料→退火→磷化→皂化→拔制→校直→切斷→淬、回火→表面處理→檢測→成品。利用去應力退火消除成形過程產生的組織硬化，盡管去應力退火是在保護氣氛下進行，但由于熱處理設備、加工環境等因素的限制，難以從根本上防止材料表面氧化及表面脫碳層的產生，脫碳層隨著淬火溫度和時間的調整而不同，盡管厚度很薄，但對斜撐塊的耐用度及離合器軸承的工作壽命仍產生十分不利的影響。

高溫和高速條件下，斜撐塊常選用耐高溫鋼或高速鋼，因材料機械加工性能不好，塑性差，退火表面脫碳情況比軸承鋼更為嚴重，因此不適用于多次塑性變形工藝[3]。

3 新工藝方案的設計與驗證

根據離合器軸承斜撐塊材料特性的不同，擬選取不同的工藝方案進行研究，以解決傳統工藝存在的問題。

3.1 拔制成形+磨加工工藝

軸承鋼斜撐塊批量生產過程中，拔制工藝是一種生產效率相對較高的加工方式，能夠保證尺寸精度和斜撐塊的成形特性，但為了避免拔制過程中所衍生的其他問題，如斜撐塊工作表面質量差、易產生脫碳層等缺陷，對工藝流程進行改進，即拔制工藝過程中，對斜撐塊的工作表面留下適當的精加工余量，為后序成形磨削加工做準備[4]。

根據離合器工作使用特性，斜撐塊的關鍵技術要求是基于內外滾道的接觸受載，即斜撐塊的內圓弧工作面精度的控制。斜撐塊兩圓弧工作面精度主要通過高精度數控光學曲面磨床保證，該磨床加工精度高，工作穩定可靠，在保證斜撐塊磨削表面質量的同時，尺寸精度也能得以改善，而且通過不同的程序控制，可以根據不同需求加工不同的曲率，如雙圓弧、三圓弧、阿基米德曲線等。由于該設備是通用磨削加工設備，對于加工形狀各異的斜撐塊，只有設計出有針對性的滿足使用要求的工裝夾具，才能滿足產品加工要求，更好地發揮設備性能。因此，軸承鋼斜撐塊拔制成形+磨加工工藝的關鍵是：1)拔制模具的設計與制造；2) 成形磨削工裝夾具設計、制造與調整；3)成形磨削程序的控制與設備參數的選擇及優化。

3.1.1 工藝路線

基本工藝流程為：下料→退火→磷化→皂化→拔制(以上環節循環次數根據工件形狀和材料不同而定)→校直→切斷→淬、回火→成形磨削→成品分選。

3.1.2 工藝驗證

根據新工藝方案的難點，對應采取方法進行解決：

1)拔制成形模具設計的關鍵是每次變形率和形狀的控制，制造的重點是模具型腔粗糙度的控制。

2)成形磨削工裝夾具應能準確定位工件，易于夾持后對兩圓弧進行磨削。

3)磨削工藝中，砂輪臺往復速度v和砂輪轉速n是關鍵參數。工藝參數優化(圖2)發現，當砂輪臺往復速度高時，磨削效率更高，但產品表面質量差；當砂輪轉速過高時，砂輪刃口部分較易損壞，需經常性修整砂輪，導致生產效率降低，生產成本提高。綜合考慮加工質量、效率、成本等因素，確定最佳磨削參數為n=14 000 r/min，v1=5 m/s。

圖2 磨削參數對斜撐塊表面粗糙度的影響Fig.2 Effect of grinding parameters on surface roughness of sprag

通過制備拔制模具、成形磨削工裝，采用優化的磨削參數進行了100件斜撐塊試件的加工，隨機抽取5組(10件/組，取平均值)進行檢驗。結果(表1)表明，斜撐塊高度、形狀、表面粗糙度、直線度等4項主要技術指標達到產品技術要求，工藝方案合理、可行，滿足了斜撐塊加工要求。

表1 拔制成形+磨加工工藝檢驗結果Tab.1 Test results of drawing forming + grinding process

3.2 線切割成形

斜撐塊材料選用高速鋼、耐熱鋼時，由于材料塑性較差，擬采用高精度慢走絲線切割機進行一次成形加工，該工藝方案的特征為工序少，加工精度高，缺點為成本相對較高，因此，適用于小批量新產品研制或產品試制[5]。

高精度慢走絲線切割機具有良好的程序可控性及可調性，對于異形截面形狀工件的加工有較大優勢，其加工尺寸、形狀精度高，表面質量好，但由于線切割的工作原理會造成斜撐塊外切割表面產生厚度0.002 mm左右的電腐蝕層，為不影響產品質量，需在后工序環節通過表面處理等手段予以去除。

線切割采用AC Brass 900 0.25 mm電極絲。為滿足表面粗糙度要求，需要對斜撐塊成形面進行7～8次的切割加工。根據設備的切割原理，1～7次的切割電參數相同，第7次與第8次切割加工時的電參數見表2。在進行第7次切割時，工件的表面粗糙度Ra達到0.22 μm，已經滿足產品工藝要求(Ra=0.32 μm)，而第8次切割需要4 min左右，考慮到加工效率和成本，在進行斜撐塊成形切割時，選用7次線切割方式。

表2 線切割電參數Tab.2 Wire cutting electrical parameters

選定線切割參數，優化線切割次數后，對100件斜撐塊試件進行加工，隨機抽取5組(10件/組，取平均值)進行檢驗。結果(表3)表明，斜撐塊高度、形狀、表面粗糙度、直線度等4項主要技術指標達到產品技術要求，工藝方案合理、可行，滿足了斜撐塊加工要求。

表3 線切割工藝驗證結果Tab.3 Wire cutting process validation results

4 結束語

對不同工藝方案的試驗驗證結果表明，拔制成形+磨加工工藝和線切割一次成形工藝均可適用于今后高精度斜撐塊的加工，針對不同材質或性能需求的離合器軸承斜撐塊，具體可根據產品加工數量、加工精度及其他相關技術要求綜合考量，從而選取合理的加工工藝方案。