圓柱滾子軸承滾道窄油溝內小徑油孔的電火花加工技術

劉海波,古毅

(1.中國航發哈爾濱軸承有限公司,哈爾濱 150025;2.哈爾濱東安汽車動力股份有限公司,哈爾濱 150050)

為提升圓柱滾子軸承質量,延長其使用壽命,通常在軸承套圈滾道油溝內設計多列徑向油孔,使潤滑油經油孔進入軸承滾道,從而起到潤滑和冷卻作用[1-5]。為保證軸承套圈強度,滾道油溝寬度和油孔直徑設計值通常很小,這種結構設計限制了油孔的加工方式,增加了油孔的加工難度。常規油孔采用鉆床或加工中心鉆削加工,鉆頭直徑小,剛性差且鉆深比相對較大,易發生撓曲甚至折斷;油溝寬度窄小,油孔易偏斜到滾道表面或擋邊表面,由此產生廢品;對于階梯狀油孔結構,尤其是靠近內徑面一側孔徑大、靠近外徑面一側孔徑小的階梯狀油孔,需要從內徑面向外徑面方向加工,而受套圈內徑尺寸限制,最小規格轉角頭也無法置入內徑,故該類套圈油孔無法采用鉆削方式加工。

電火花加工是利用浸在工作液中的兩極間脈沖放電時產生的電蝕作用蝕除導電材料的特種加工方法,不受工件材料、硬度、強度的限制。因此,本文提出了一種采用電火花加工套圈滾道窄油溝內小徑油孔的方法。

1 圓柱滾子軸承油孔技術要求

以某圓柱滾子軸承內圈為例,其滾道油溝內帶階梯狀油孔,結構如圖1所示,共2排油孔,每排有4個沿圓周均勻分布的油孔,2排油孔周向相錯45°,油孔軸線與軸承內圈軸線呈70°夾角,靠滾道方向油孔直徑為0.7 mm,靠內徑面方向油孔直徑為0.9 mm,深度為2 mm,油孔軸線與內徑面的交點距同側端面的距離為(3.50±0.05)mm,要求滾道、擋邊表面無殘留油孔加工痕跡。

圖1 圓柱滾子軸承內圈階梯狀油孔示意圖

2 圓柱滾子軸承油孔電火花加工技術

2.1 技術難點

電火花加工該圓柱滾子軸承油孔存在以下技術難點:

1)對電極精度要求高,由于油孔孔徑小,而放電加工又存在放電間隙,因此限制了電極工作部分直徑尺寸,增加了電極的加工難度。

①必須采用專用設備加工;

②電極加工過程中容易撓曲,不宜控制電極的直徑和圓柱度,易出現尺寸和錐度超差;

③電極存放、轉運過程中極易發生彎曲變形,采用彎曲的電極加工油孔時無法保證油孔的位置和形貌。

2)由于電極細小,加工過程中電極損耗嚴重,從而影響油孔直徑、階梯孔的變徑位置以及油孔深度,可能導致油孔的軸向、徑向尺寸超差。

3)由于放電間隙小,電蝕產物在孔里難以排出,電蝕產物隨著加工進行越來越多,容易在間隙中搭橋并造成短路,從而影響加工表面質量和精度,降低加工效率。

4)電火花加工后的工件表面存在重熔層,在長期工作過程中易產生疲勞裂紋,故需將控制重熔層深度列為重要技術指標,慢走絲機床銅絲電極絲加工后重熔層深度一般為10～35 μm。

5)滾道油溝窄小,易出現油孔軸向位置、角度超差或深度超過油溝,在滾道或擋邊表面殘留油孔加工痕跡,導致工件報廢。

6)加工油孔前,必須對電極工作部分進行校準使其垂直于工作臺。每個孔加工前、后都要測量電極的直徑和長度,若電極消耗不大,可通過設置相應參數(放電間隙U或加工深度Z)補償加工下一個孔;若電極消耗大,需及時更換電極。

上述問題導致采用電火花加工滾道油溝內階梯狀油孔的難度大,受電火花成型機工作原理的限制,加工效率低,因此,考慮采用電火花高速打孔機。

2.2 技術方案

針對上述技術難點,從電極設計、工裝設計、工藝優化方面開展研究,提出以下技術方案:

1)針對技術難點1,根據工件結構和實際需求,優化電極結構和軸向尺寸,采用適宜的包裝盒進行包裝、存放。

①根據待加工油孔的軸向尺寸進行計算,電極設計長度應盡可能減小,電極工作部分長度按照油孔軸向尺寸計算值再加上2 mm設計,以降低撓曲風險系數;

②嚴格控制電極直徑及公差,必須采用高速數控車床車削加工,非高速車床無法滿足加工精度需求;

③對于臺階孔,使用相應結構的臺階狀階梯電極;

④電極直徑按照油孔直徑減去2倍放電間隙設計,階梯狀電極兩段對應的放電間隙相同,一般取0.065～0.075 mm,兩段圓柱面的圓柱度、同心度均需控制在0.005 mm以內;

⑤利用EVA泡棉形跡法設計包裝盒。

2)針對技術難點2,采用加工過程中間歇測量的方法。

①油孔軸向位置的控制,加工前通過電極端部觸碰待加工工件平面,電極觸碰到平面時的位置設定為z0,綜合考慮油孔的理論深度和加工上一油孔電極長度的損耗量,計算加工深度輸入值;

②油孔直徑的控制,通過逐漸增加放電間隙補償電極直徑損耗量,再使用塞規通、止檢測方式判定所加工油孔直徑是否合格。

3)針對技術難點3,采取電極由下而上進給的方式,如圖2所示,使電蝕產物在重力和冷卻液電火花油不斷沖擊作用下順利排出。

圖2 電火花加工示意圖

4)針對技術難點4,優化表面粗糙度、電極損耗、加工速度優先權、最小白層(重熔層)等工藝參數,盡量控制重熔層深度。

5)針對技術難點5,工件裝夾必須找正,使用電極進行碰邊自測量,精準測量后確定工件中心位置,最后輸入合適的加工位置參數。

2.3 操作要點

2.3.1 電極校準

由于電極較細易發生彎曲變形,加工前需對電極進行校準,以確保電極與z軸的平行度及電極工作表面的同軸度。電極校準如圖3所示,將電極正確安裝于電極夾頭上, 利用千分表測量階梯電極的兩段圓柱面,千分表表頭觸點分別抵于電極x+,x-,y+,y-方向圓柱母線上,z方向拉動電極,千分表指針擺動不大于0.002 mm即通過校準。

圖3 電極校準

2.3.2 工裝調整

確認工作臺及工件裝夾的位置滿足待加工軸承套圈加工需求。將磁力千分表磁吸于機床主軸上,表頭觸點抵于工裝上,主軸沿y軸方向移動,繞z軸方向旋轉工裝進行調整,使千分表指針擺動幅度不大于0.002 mm;然后,在xOz平面內移動主軸,用表頭觸點觸碰工裝上2個點,繞y軸方向旋轉工裝進行調整,使工裝傾斜角與油孔軸線相對套圈軸線的夾角相同。

2.3.3 工件找正

將待加工套圈使用壓板兩點或三點裝夾于工裝上,將千分表觸點抵于套圈端面,按照工裝調整的方式在y軸方向、xOz平面內移動主軸。利用機床碰邊指令,在y軸方向觸碰套圈外徑面后找到套圈中心所在的yOz平面,設置為y0。然后在該yOz平面內觸碰套圈外徑面或內徑面邊沿上凸出點,設置為x0。按照待加工套圈油孔的工藝特性,在x+方向移動主軸到合適位置,在z+方向碰邊,設置為z0。此時已經建立了加工坐標系、坐標零點、安全平面。

2.3.4 程序設置

按照待加工套圈油孔的工藝特性,輸入加工油孔深度,設置主軸由下而上進給(圖2)。

3 實際加工效果

檢測采用電火花加工的圓柱滾子軸承內圈油孔精度,結果見表1(表中實測值代表8個油孔),滿足技術要求。重熔層檢測方式為破壞性檢測,隨機抽檢3處油孔,重熔層深度分別為8.58,8.98,9.42 μm,滿足不大于10 μm的技術要求。說明可采用電火花加工圓柱滾子軸承窄油溝內階梯狀油孔,特別是靠近內徑面一側孔徑大、靠近外徑面一側孔徑小的階梯狀油孔, 但電火花加工成本高于普通鉆削加工。因此,本文的方法多應用于特殊結構油孔或小尺寸軸承套圈油孔的加工。

表1 采用電火花加工的圓柱滾子軸承內圈油孔精度