通孔鑲嵌固體自潤滑材料鋼軸套的開發研究

鄭鉆斌

（福建龍溪軸承（集團）股份有限公司，福建 漳州 350600）

石墨固體自潤滑顆粒是一種良好的減摩材料，被廣泛應用于軸承、軸瓦、襯套等產品中[1]。例如，大型銅外圈內球面上盲孔鑲嵌固體自潤滑材料，已應用于水工用軸承產品[2]；通孔鑲嵌固體自潤滑銅套也應用于油缸襯套等輕載、中載工況場合[3]。本文研究的為一種帶法蘭鋼軸套，表面均布通孔并鑲嵌固體自潤滑材料，可經受重載和沖擊載荷的復雜工況及野外粉塵沙礫的惡劣環境，已應用于底盤懸架球鉸鏈系統，成功地服役于某重型特種車輛。

1 產品性能及結構的設計

1.1 原材料的選擇

由于該軸套應用于重型特種車，需經受來自車輛部件的自重和野外路面顛簸造成的沖擊載荷，對材料的承載能力提出了很高的要求。采用行業常用的銅軸套，無論是油潤滑或自潤滑結構，都不能滿足其使用要求，在車輛路試中出現了嚴重的磨損失效。經材料力學性能對比，熱處理后的軸承鋼套應比銅套具有更高的屈服強度，應能承受該類特種車要求的10 kN的徑向載荷和3倍的沖擊載荷。

1.2 熱處理硬度的選擇

由于實際使用中存在沖擊載荷，軸套與銷軸在長期的沖擊載荷作用下容易發生接觸疲勞磨損，且該磨損主要出現在硬度較低的一方。從價值量和更換方便的角度考慮，更希望磨損發生于軸套上，因此，選取比軸的表面硬度更低的硬度。由于配合銷軸的表面硬度為55～57 HRC，綜合考慮取軸套的熱處理硬度為45～50 HRC。

1.3 配合尺寸和間隙的確定

針對本產品，客戶處的配合座孔尺寸為Φ60H7（＋0.03，0），銷軸尺寸為Φ50h6（0，－0.016）。由于該軸套為壓裝，因此，軸套的外徑采用小過盈配合Φ60m7（＋0.041，＋0.011）。根據這些配合尺寸，并參考了配合間隙計算公式[4]，對軸套與軸的間隙進行了測算。綜合考慮了軸的撓曲變形量，軸與軸套的表面粗糙度和形位公差，裝配后軸套內孔的收縮量，溫升對間隙的影響這幾方面，間隙按0.05～0.15 mm考慮，因此，軸套內徑尺寸公差確定為Φ50（＋0.13，＋0.05）。

1.4 固體自潤滑材料排布形式的選擇

固體自潤滑材料的排布面積有一個合理的區間，一般占摩擦面積的25%～35%[5]，如果排布面積遠小于該區間，自潤滑材料的潤滑效果明顯不足，產品使用壽命將大幅縮短；如果排布面積過大，意味著自潤滑材料軟質點廣泛分布，鋼基體由于存在較多的鏤空區域，整體強度和承載能力將明顯下降，使用壽命也會受到影響。由于該軸套存在法蘭位，且磨削加工時需留出一定空間以便支承，結合其內孔和高度尺寸，采用4列均布，每列12個，鑲嵌直徑為8的固體自潤滑材料顆粒的排布方式，保證了自潤滑顆粒邊緣。自潤滑顆粒與端面及越程槽邊緣的距離基本相同，從而保證了基體材料不存在突出的薄弱位置，且自潤滑顆粒均勻分布。經計算，該排布方式的面積占比為25.3%，滿足潤滑性能的要求。

圖1 產品結構圖

1.5 越程槽的設計

由于該軸套存在自潤滑材料軟質點，與鋼基體存在硬度上的落差，且外徑精度要求比較高，如果采用車加工，刀具無法保證尺寸要求，因此，需采用磨加工，并在法蘭轉角處設計砂輪越程槽。設計越程槽時，既要考慮軸套壁薄的風險（僅為5 mm），又要考慮自潤滑顆粒的位置，因此，應保證深度淺、寬度合理，既防止在其周圍出現明顯的應力集中，又便于加工，具體結構如圖1所示。

2 加工工藝的研究

2.1 高精度孔的加工工藝

由于固體自潤滑材料需牢固鑲嵌在通孔內，因此，對兩者間的配合間隙有特定的要求。如果間隙過小，固體自潤滑顆粒無法裝入；如果間隙過大，固體自潤滑顆粒在粘貼后容易脫落。經試驗驗證，間隙應控制在0.1～0.2 mm。由于鉆孔工序在熱處理前，考慮到熱處理后孔會存在一定程度的變形，因此，鉆孔的精度宜控制在0.1 mm。為此，鉆孔工序采用一道鉆難以保證精度，需分成粗精兩道加工，即先采用較小尺寸的鉆頭粗加工，再用最終尺寸的鉆頭精加工，但采用2把鉆頭換刀加工的加工效率不高。鑒于此，我方應用了臺階鉆工具，一道鉆可實現先粗后精的加工要求。試驗結果表明，臺階鉆的應用既保證了鉆孔精度，又提高了生產效率。

2.2 新型粘貼劑及工藝的應用

相比銅外圈盲孔鑲嵌固體自潤滑材料所用的厭氧膠，本產品采用新型環氧膠粘貼，該膠水需在60℃下烘干1 h方可固化。雖然原有的厭氧膠可以常溫固化，但由于本品為通孔鑲嵌型產品，不存在厭氧環境。試驗發現，采用厭氧膠，固體自潤滑顆粒粘貼不牢固，后續特別容易脫落；而采用新型環氧膠，雖然需要烘干固化，但粘貼操作方便且粘貼牢固。

2.3 熱處理變形及余量的控制

由于該產品表面存在大量均布通孔，熱處理容易變形，所以，在試制時預留了較大的精加工余量。但是，根據實際熱處理后的尺寸測量，橢圓變形僅有0.2～0.3 mm。由材料力學理論分析可知，自潤滑材料表面積占比較小，且分布較為均勻，保障了軸套整體的剛性和尺寸的穩定性。熱處理后的加工余量太大，容易在車削軸套內外徑表面時在固體自潤滑顆粒表面造成明顯的車痕、凹坑等，導致自潤滑顆粒破損而返工粘貼。因此，余量最終縮減為0.5 mm左右，既保證了產品質量，又降低了加工成本。

3 磨損壽命試驗及結構優化改進

3.1 磨損壽命試驗和失效分析

對此軸套在SDZ-40/0.6K交變負荷關節軸承壽命試驗機上進行了加速磨損壽命試驗，工況條件是，徑向恒定載荷10 kN（沖擊載荷為其3倍），擺角為±20°，頻率為0.5 Hz，配合軸材料為42CrMo，表面硬度為55～57HR，壽命情況如圖2所示。

從圖2中可以看出：①在10 kN恒載下，該軸套共運行了38 882次（±20°往復為一次），發生摩擦系數超差失效；②在該軸套運行過程中（27 770次處），瞬間將載荷提高到30 kN，立即出現明顯噪聲，同時，出現軸轉速下降的爬行現象，之后載荷恢復到10 kN。

圖2 產品壽命曲線

該試驗結果表明，軸套無法承受30 kN的載荷。當出現30 kN的瞬時沖擊載荷時，極大可能導致系統功能失效。試驗完畢拆下軸套發現，兩頭近端面位置（無自潤滑材料的部位）出現嚴重磨損，有自潤滑材料的部位未發生磨損，配合軸在兩端的相應部位也發生了明顯磨損。

對該結構進行了有限元分析，如圖3、圖4所示，以便研究其磨損破壞機理。分析發現，當軸套受載達到30 kN時，接觸應力云圖顯示值為133.8 MPa，為10 kN時（78.81 MPa)的1.7倍，而該接觸應力位于軸套兩頭，很可能是軸受載產生的撓曲在軸套兩頭產生的邊緣應力集中。由于軸套兩頭未分布固體自潤滑材料，接觸應力的存在造成了兩端磨損。當載荷達到30 kN時，邊緣接觸應力過大，軸的爬行失效。

圖3 徑向受載10 kN的接觸應力云圖

圖4 徑向受載30 kN的接觸應力云圖

圖5 改進型產品結構圖

3.2 結構優化改進

針對邊緣接觸應力集中的問題，由于在軸套兩頭未有充分空間分布固體自潤滑材料，因此，采取在軸套內孔兩頭分別增加一條徑向槽的方式削弱接觸應力，具體結構如圖5所示。對該結構進行了有限元分析，如圖6、圖7所示，經過分析發現，徑向槽的存在確實可以減弱軸套邊緣的接觸應力，10 kN加載時接觸應力僅為56.15 MPa，30 kN加載時接觸應力僅為117.2 MPa。

圖6 新結構產品受載10 kN的接觸應力云圖

圖7 新結構產品受載30 kN的接觸應力云圖

圖8 新結構產品壽命曲線

對此軸套進行加速磨損壽命試驗，在同樣的工況條件下，壽命情況如圖8所示。

從圖8中可以發現：①在10 kN恒載下，該軸套順利運行了27 770次；②此時將載荷提高到30 kN，在30 kN恒載下又運行了18 306次才發生摩擦系數超差失效的情況；③整個加載過程中未再出現噪聲，也未再出現軸的爬行現象。

試驗結果表明，改進后的軸套結構可以承受30 kN的沖擊或恒定載荷。試驗完畢拆下軸套發現，該軸套兩頭未出現被磨損的情況，磨損出現在自潤滑材料與基體的交界處，屬自潤滑材料顆粒功能失效后的正常磨損。

目前，該結構改進的產品已成功應用于某重型特種車的懸架球鉸鏈系統，得到了用戶的肯定。

4 結論

該特種車用通孔鑲嵌固體自潤滑材料鋼軸套的成功開發，在材料、結構、性能、工藝切合實際工況的同時，很好地引入了有限元分析和磨損壽命試驗的驗證，并在此基礎上對結構進行了優化，延長了產品的使用壽命，提高了客戶的滿意度。由此可見，無論是新產品、新技術，還是已有產品的技術改進，現代分析和試驗手段的運用將為我們提供更多的解決思路和方案。

［1］劉超鋒.國內自潤滑軸承用材料的研究和開發［J］.鑄造技術，2006，27（4）：416-420.

［2］盛選禹，雒建斌，溫詩鑄.鑲嵌自潤滑關節軸承及其潤滑材料的制備［J］.機械設計，2000，17（8）：44-46.

［3］單昆侖，向定漢.高強度鑲嵌自潤滑材料的設計及摩擦實驗［J］.南京航空航天大學學報，2005，37（2）：236-239.

［4］杜文靖，王國強，崔國華，等.液壓挖掘機工作裝置鉸點軸和軸套間隙計算模型［J］.農業機械學報，2007，38（8）：38-40.

［5］肖偉，趙初明，卞斌華.固體自潤滑軸承在某軍用挖掘機工作裝置上的應用［J］.工兵裝備研究，2006，25（1）：25-27.