盾構(gòu)機(jī)主軸承浮動(dòng)環(huán)加工方法

張維娜，霍曉磊，張娟娟，應(yīng)佳楠

(洛陽(yáng)LYC軸承有限公司 轉(zhuǎn)盤(pán)軸承事業(yè)部，河南 洛陽(yáng) 471039)

1 概述

盾構(gòu)機(jī)作為城市軌道交通和其他領(lǐng)域地下空間建設(shè)的大型專(zhuān)用設(shè)備，近年來(lái)在我國(guó)廣泛應(yīng)用，目前國(guó)內(nèi)保有量已達(dá)1 500余臺(tái)，位居世界前列。主軸承(圖1)是盾構(gòu)機(jī)的重要部件，浮動(dòng)環(huán)作為盾構(gòu)機(jī)主軸承的內(nèi)嵌式滾道，上端面與滾子直接接觸，下端面在彈簧碟片上。工作時(shí)浮動(dòng)環(huán)在彈簧作用下可適時(shí)調(diào)整，以應(yīng)對(duì)巨大沖擊，使盾構(gòu)機(jī)在惡劣工況環(huán)境下仍能保持良好的工作狀態(tài)。惡劣的工況環(huán)境決定了浮動(dòng)環(huán)復(fù)雜的工藝要求，而剛性差,易變形,淬火和精度要求高是制約該產(chǎn)品加工的主要問(wèn)題，現(xiàn)對(duì)浮動(dòng)環(huán)加工工藝進(jìn)行研究。

圖1 盾構(gòu)機(jī)主軸承結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of main bearing for shield machine

2 工藝要求

內(nèi)嵌式浮動(dòng)環(huán)結(jié)構(gòu)如圖2所示，材料選用42CrMoE鋼，上下兩端面采用中頻感應(yīng)加熱表面淬火，工藝要求：硬度57～62 HRC，成品有效硬化層深度不小于7 mm，磨削加工后某端面的平面度不大于0.05 mm，另一端面對(duì)該端面的平行差不大于0.025 mm。

圖2 內(nèi)嵌式浮動(dòng)環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of embedded floating ring

3 加工方案

浮動(dòng)環(huán)加工分為冷加工和熱加工，關(guān)鍵的熱加工過(guò)程零件變形較難控制[1]。在此主要分析熱加工方案，冷加工作為配合方案進(jìn)行分析。

3.1 熱加工方案

3.1.1 改進(jìn)前

浮動(dòng)環(huán)要求僅對(duì)上下端面進(jìn)行感應(yīng)加熱表面淬火，且硬化層深度要求高，選用加熱速度快、效果好的自制雙排導(dǎo)磁體感應(yīng)器[2]。浮動(dòng)環(huán)上下端面同時(shí)淬火時(shí)無(wú)法裝夾，故需對(duì)上下端面采取分步淬火，如圖3所示。當(dāng)上端面完成1/4圓周淬火時(shí)，端面向上翹曲量達(dá)12 mm(圖4)，后續(xù)淬火無(wú)法保證感應(yīng)器與淬火端面的耦合間隙內(nèi)外均勻，且整個(gè)浮動(dòng)環(huán)已呈現(xiàn)橢圓狀，無(wú)法在機(jī)床導(dǎo)輪的摩擦作用下正常旋轉(zhuǎn)，工件報(bào)廢。

圖3 分步淬火示意圖Fig.3 Diagram of stepwise quenching

圖4 端面翹曲示意圖Fig.4 Diagram of end face warpage

3.1.2 改進(jìn)后

為避免局部受熱造成翹曲變形過(guò)大，對(duì)上下端面同時(shí)淬火，淬火示意圖如圖5所示。利用現(xiàn)有廢料作為胎具，在外徑面上加工臺(tái)階，尺寸為36 mm×7 mm，同時(shí)在浮動(dòng)環(huán)內(nèi)徑面上中間位置預(yù)留8.5 mm×15 mm的工藝臺(tái)階，使浮動(dòng)環(huán)內(nèi)徑面與胎具過(guò)盈配合，嵌套在胎具小臺(tái)階上，并對(duì)配合部位進(jìn)行點(diǎn)焊，防止工件在熱應(yīng)力和自身重力作用下變形。

圖5 改進(jìn)后淬火示意圖Fig.5 Diagram of quenching after improvement

在胎具外徑面上均布8個(gè)螺栓，對(duì)浮動(dòng)環(huán)下端面進(jìn)行頂緊裝夾，從上下2個(gè)方向?qū)Ω?dòng)環(huán)進(jìn)行緊固,如圖6所示。螺栓在工件旋轉(zhuǎn)過(guò)程中與感應(yīng)器位置干涉時(shí)，只需提前將螺栓旋出即可。

圖6 改進(jìn)后胎具裝夾及螺栓頂緊示意圖Fig.6 Diagram of mold clamping and bolt tightening after improvement

改進(jìn)后的淬火方案上下兩端面同時(shí)受熱[3]，且下端面用活動(dòng)螺栓預(yù)緊支承，減小了因受熱不均而導(dǎo)致的端面卷曲或下垂，同時(shí)浮動(dòng)環(huán)過(guò)盈配合并焊接在胎具上，避免了浮動(dòng)環(huán)在加熱過(guò)程中產(chǎn)生較大的橢圓變形。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，該浮動(dòng)環(huán)淬火頻率為2 200 Hz，淬火液選用濃度為15%的PAG淬火液，感應(yīng)器與淬火面耦合間隙控制在3～4 mm，在制作感應(yīng)器時(shí)應(yīng)使開(kāi)口部位寬度比另一端寬2～3 mm，以補(bǔ)償因磁場(chǎng)內(nèi)吸引力引起的感應(yīng)器變形，淬火移動(dòng)速度定為120 mm/min，噴水距離38 mm，機(jī)床輸入功率為

P總=P0ΔS，

(1)

ΔS=DB，

式中：P0為加熱比功率，取0.9；ΔS為滾道等效受熱面積；D為滾道淬火面寬度；B為感應(yīng)器加熱寬度。

機(jī)床輸出功率為

P=ηP總，

(2)

式中：η為淬火機(jī)床的功率因數(shù)，取0.75[4-5]。

由(1)，(2)式可得P=60 kW。

淬火完成后，先將浮動(dòng)環(huán)與胎具同時(shí)170 ℃低溫回火4 h，然后將浮動(dòng)環(huán)與胎具分開(kāi)。再選用2件尺寸相近的平整工件作為夾具，將浮動(dòng)環(huán)夾在中間，再次用170 ℃低溫回火8 h，出爐后使浮動(dòng)環(huán)脫離上下夾具，在自由狀態(tài)下繼續(xù)進(jìn)行170 ℃低溫回火4 h。待浮動(dòng)環(huán)冷卻至室溫后，檢測(cè)外徑面圓周跳動(dòng)、端面圓周跳動(dòng)及端面里外差(圖7),結(jié)果見(jiàn)表1。

圖7 端面里外差Fig.7 Internal and external difference of end face

表1 淬火前后浮動(dòng)環(huán)變形情況檢測(cè)結(jié)果Tab.1 Test results of floating ring deformation before and after quenching mm

3.2 冷加工方案

3.2.1 淬火前車(chē)加工

浮動(dòng)環(huán)在熱加工后會(huì)產(chǎn)生較大變形，故在淬火前半精車(chē)時(shí)對(duì)內(nèi)、外徑分別預(yù)留3 mm的加工余量，高度預(yù)留2 mm的加工余量。同時(shí)為補(bǔ)償翹曲造成的端面里外差，在淬火前反向預(yù)留1 mm端面里外差，淬火前半精車(chē)狀態(tài)如圖8所示。

圖8 淬火前半精車(chē)狀態(tài)Fig.8 State of half finished turning before quenching

3.2.2 淬火后精加工

為避免在熱加工后車(chē)削量過(guò)大造成的應(yīng)力釋放引起變形，第1遍精車(chē)后進(jìn)行170 ℃低溫回火處理，根據(jù)加工經(jīng)驗(yàn)，浮動(dòng)環(huán)在淬火后第1遍精加工后高度方向預(yù)留0.8 mm的加工余量，即先對(duì)兩端面進(jìn)行去氧化皮并光平，后續(xù)對(duì)其進(jìn)行磨削加工。采用對(duì)兩端面反復(fù)交替磨削的加工方式，每次端面磨削量不大于0.2 mm，以防止某一端面因?yàn)橛不瘜幽ハ髁看螅瑧?yīng)力釋放，發(fā)生翹曲變形。

4 加工效果

對(duì)采用上述加工方案的浮動(dòng)環(huán)成品進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表2。由表可知：浮動(dòng)環(huán)兩端面的硬度、硬化層深度、端面平面度、平行差均滿(mǎn)足產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。

表2 浮動(dòng)環(huán)成品檢測(cè)結(jié)果Tab.2 Test results of finished floating ring