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高精度薄壁軸承圈組件的加工應力變形分析及加

來源:龍道軸承 發布時間:2019-04-29熱度: ℃
由于軸承圈組件剛度差,在加工中容易産生變形,且軸承圈V型導軌需高頻或激光局部淬火,容易産生淬硬應力,因此其制造精度很難滿足設計要求。若要提高軸承圈組件的加工精度,不...


  由于軸承圈組件剛度差,在加工中容易産生變形,且軸承圈V型導軌需高頻或激光局部淬火,容易産生淬硬應力,因此其制造精度很難滿足設計要求。若要提高軸承圈組件的加工精度,不僅要有合理的加工方法,確定加工過程對工件的裝夾方式和刀具的幾何參數;還要解決薄壁軸承圈組件熱處理變形對淬硬層硬度及厚度的影響,加工過程中産生的各種應力變形對零件精度的影響以及變形的控制和消除方法。同時還需設計必要的檢測量規、綜合檢測裝置來檢測和控制每道工序的加工精度和組件的綜合誤差。通過對軸承圈組件制訂合適可行的加工方案和變形應力定量分析及控制措施,從中找出解決加工該類零件的方法和關鍵點。
  1   轴承圈组件的结构及精度概述
  在旋轉系統和光學搜索瞄准系統中,軸承圈組件是十分重要的零件,結構圖如圖1所示。該零件的特點是裝配安裝面及V形導軌面尺寸精度及幾何公差高、壁薄、剛度差、易變形,材料爲T10A,零件的2個外環組件尺寸爲155h6,孔爲150h6,V形面對基准軸線的同軸度爲0.01mm,平行度爲0.005mm,V形2個斜面淬硬層厚度爲0.5~0.8mm,硬度要求爲60~65HRC。該零件與內芯鋼球組合後,在230kg沖擊力的作用下,要求旋轉平穩,軸向和徑向間隙爲0.02mm,V形面與基准垂直方向的跳動爲0.01mm。如果單獨按各零件分別加工,組合後其精度根本無法滿足使用要求。另外,內、外圈單獨淬火及時效後,變形較大,加工V形面時,極有可能將淬硬層去掉,如果將余量增大淬硬層增厚,溫度提高,控制不當零件就會被淬裂或脫碳,同時,加工時所産生的熱變形也大,淬硬層有效厚度及硬度同樣不能保證。

  2 加工中影響精度的變形因素
  爲保證內、外環零件完工後的幾何公差、尺寸精度、淬硬層硬度及厚度要求,必須對其加工過程的變形量進行定量分析,以確定所采取消除變形的具體工藝措施。影響薄壁軸承圈組件的加工精度因素有很多,歸納起來主要有以下幾點。
  1)淬火及去應力時效處理産生的變形,導致磨削後淬硬層厚度達不到要求。粗加工及淬火後,內、外環變形大。加工V形面時,如果將余量增大,淬硬層增厚,溫度升高,加熱時間延長,零件很可能造成脫碳或淬裂;同時,加工余量太大所産生的熱應力及加工變形也比較大,極有可能將部分淬硬層去掉或達不到硬度和厚度要求。因此,首先要克服零件的熱處理變形,並留夠合適的加工余量,還必須有一套正確的加工工藝,消除零件的加工應力變形。
  2)工件由于受夾緊力的作用産生變形。因工件壁薄,在夾緊力的作用下容易産生夾緊變形,從而影響工件的尺寸精度和形狀精度,因此應注意零件的裝夾方式。
  3)切削熱引起工件熱變形。因工件較薄,使工件的尺寸精度及幾何公差難以控制。
  4)磨削時産生的振動引起表面波紋。在切削力的作用下,很容易産生振紋和變形,從而影響工件的尺寸、形狀、位置精度和表面粗糙度。
  3 熱處理收縮變形定量分析及參數的確定
  按照通常的加工工藝,該零件經過車、銑、鉗、磨及工序之間加熱處理,並按照經驗留加工余量,其結果是淬硬層往往被磨削掉或淬硬層有效厚度及硬度達不到要求。零件合格率低,僅爲30%。經過比對試驗分析可知,最主要的影響因素是對熱處理的變形量難以控制。因此,必須對零件熱處理的變形量進行定量分析,確定合適的加工參數及有效的淬硬層厚度,消除零件熱處理變形及加工熱應力變形。
  通過對T10A材料環形零件進行多次局部熱處理淬火試驗可知,其變形情況是靠近導軌面的收縮變形、外環厚度方向靠近孔附近周邊端面的縮凹變形、內環靠近外圓周邊端面的縮凹變形以及軸向扭曲變形,如圖2所示。

  該零件孔爲122H8,外圓爲150mm及斜面方向的變形量分別爲0.4~0.8m
  M、0.6~0.9mm。帶座軸承清洗將軸承拆下檢查時,先用拍照等方法做好外觀記載。另外,要供認剩余潤滑劑的量並對潤滑劑采樣,然後再清洗軸承。
  通過對不同尺寸的環狀零件的大量試驗發現,收縮變形是有一定規律可循的,其大小Δ與零件的內、外徑α和厚度及熱處理溫度有關,其規律爲每100mm直徑方向變形量爲0.9~1.5m
  M、軸向變形量爲0.4~0.6mm,並且得出了如下經驗公式:
  Δ=dK+α
  式中,K为热变形系数,与材料和热处理温度有关,K的取值范围为直径方向0.9~1.45,厚度方向0.35~0.5;α为修正系数,与淬硬层深度和加工工艺方法有关,α的取值范围为0.2~0.5。帶座軸承是润滑脂密封型深沟球轴承和各种形状的轴承座组合而成的高精度组件秋香。轴承组件可以通过几个螺栓直接安装到机械装置的主体上,具有调心功能,能够进行润滑脂的补充等,是一种安装使用都非常简便的秋香。在材质相同的情况下,温度越高,淬硬深度和面积越大,K、α取值越大。
  4 軸承圈組件的加工工藝
  通過上述分析,在進行工藝設計時,根據該軸承圈組件的特點,要保證完工後精度要求及淬硬層厚度,必須克服熱處理變形、加工應力變形、振動産生的表面波紋和裝夾變形。根據淬火變形的大小和方向,以及精加工後硬度和有效厚度,確定關鍵部位加工余量。另外,在確定工藝總方案時,還需要嚴格控制重要工序間的尺寸、測量方法、專用量具、專用夾具以及確定切削參數等。
  綜合考慮零件精度要求、特點、熱處理及加工中應力的變形情況後,工藝設計方案如下。
  外環1:鍛造
  →熱處理→車→車→熱處理(局部
  淬火)→車→車→磨→磨→磨→鉗→時效熱處理→車→磨→磨→表面精飾。
  外環2:鍛造
  →熱處理→車→車→車→車→熱
  處理(局部淬火)→車→磨→磨→磨→鉗→時效熱處理→車→車→磨→磨→鉗→磨→鉗→表面精飾。
  外環1與外環2進行組合→精整加工。
  內環3:鍛造
  →熱處理→車→車→熱處理(局部
  淬火)→磨→磨→鉗→磨→磨→磨→時效熱處理→磨→磨→磨→組合磨*。
  組合磨*:中等精度尺寸可直接磨出,有特殊要求、高等精度尺寸可與外環1和2組合精整後的尺寸進行配磨。
  5 關鍵的工藝措施及測量方法、切削參數
  1)通过参考经验公式,径向和厚度方向上留取合适的加工余量,计算得出垂直于斜面方向上的磨削余量为0.6mm,可消除粗精加工、淬火、时效后的变形,并保证完工后的有效淬硬层厚度。帶座軸承是润滑脂密封型深沟球轴承和各种形状的轴承座组合而成的高精度组件秋香。轴承组件可以通过几个螺栓直接安装到机械装置的主体上,具有调心功能,能够进行润滑脂的补充等,是一种安装使用都非常简便的秋香。
  2)在局部高頻淬火或激光淬火過程中,爲保證淬硬層厚度,防止脫碳現象,除了控制好溫度、時間外,還要嚴格控制淬火及時效後零件的扭曲變形。
  如圖3所示,使用專用夾具,將變形量控制在0.15mm以內。在通常情況下,如果要使局部淬火後變形小,往往取理論範圍溫度中較低值,但實際操作中有很多不確定的因素而造成淬火硬度不夠或深度不夠。爲防止環形零件局部淬火時扭曲變形過大,保證淬硬層的厚度和硬度,淬火時分別以外環和內環的外圓和內孔定位,端面夾緊,在高瀕淬火機上勻速旋轉。當加熱到所需溫度後,松開機床夾頭,工件隨夾具一同落入淬火介質中。由此,工件的熱處理變形可以得到有效控制,淬火後97%工件的扭曲變形量均在0.15mm範圍內。

  3)在內、外環基面磨削加工時,由于局部淬火後零件産生縮凹變形,直接上磁磨削加工後會造成零件內應力回彈,導致無法保證其平面度和平行度要求。因此,在每次反複磨削兩面的同時,嚴格控制磁力,使磁力由大到小逐次進行,以保證其平面度和平行度要求。
  4)用組合夾具對2外環單獨進行磨削加工時,壓緊點部位不得擔空,盡量做到對稱和控制壓緊力大小。並在工序之間安排一定的時效熱處理,使工件內應力得到充分釋放。
  5)對內、外環斜面分別粗磨削後,再組合在一起精磨削,整修導軌V形面,保證V形面面形、尺寸精度和幾何公差要求,如圖4所示。

  6)精磨刀具及冷卻液的選用。磨料WA,硬度K,粒度60#和70#,結合劑V,形狀PSX1進行修磨。冷卻液采用TRIM C270,冷卻效果及表面粗糙度好。
  7)2外環分別半精加工時,嚴格控制外環零件斜面的尺寸及變形量,保證組合後精整加工的磨削余量和淬硬層厚度滿足要求。
  8)組合精整加工時,設計專用球頭測量儀,以檢測V形面綜合尺寸及形狀精度,保證零件組合後的精度要求。如果組合零件導軌面尺寸超差,可將超差值換算到內環的2個貼合端面處,通過分別修磨端面來消除。測量原理如圖5所示。通過測量環規比對後,千分表刻度歸零。測量時,旋轉工件導軌面的誤差,通過活動球形測頭傳到千分表上。

  6 結語
  通過多次工藝試驗,得出了該類零件在熱處理中收縮變形的經驗公式,確定了主要工序的淬硬層加工余量,並通過熱處理專用夾具來控制變形,確保了完工後軸承圈組件淬硬層厚度及硬度。在工序之間用專用量具來控制其加工余量尺寸,設計專用球頭檢測儀裝置,解決了軸承圈組件綜合測量困難的難題。
  通過對該組件進行加工應力變形分析和加工工藝實際驗證,該組件的合格率由原來的40%提高到98.5%,降低了生産成本,縮短了加工時間,加工質量不僅完全滿足了設計的要求,而且與內導軌組合後,其轉動精度比設計要求的精度高出40%。並從中找出加工類似零件可以借鑒的規律和一套合適的加工方法,爲今後該類零件的加工提供重要技術參考。
 

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責任編輯:龍道軸承