孫立才，師歌，李凌鑫，李江斌，張軍

(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(shù)重點實驗室，河南 洛陽 471039；3.滾動軸承產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，河南 洛陽 471039)

航空發(fā)動機主軸軸承是發(fā)動機的關(guān)鍵件之一，其在高速、高溫和受力復(fù)雜的工況條件下工作，要求具備較長的使用壽命和較高的可靠性[1]。為提高保持架強度，減輕重量，航空發(fā)動機主軸軸承多采用40CrNiMoA鋼制保持架，以適應(yīng)高溫、高速、大載荷的工作環(huán)境，滿足發(fā)動機主軸軸承與發(fā)動機同壽命，并提高其使用可靠性[2]。

鋼制保持架一般對兜孔的精度、表面粗糙度及動平衡性能有嚴格要求，由于40CrNiMoA屬于高強度合金鋼，加工比較困難，現(xiàn)以某圓柱滾子軸承保持架為例，根據(jù)保持架的各項技術(shù)要求，制定出了合理的加工工藝方案。

1 保持架結(jié)構(gòu)及工藝特點

1.1 結(jié)構(gòu)特點

航空發(fā)動機軸承用鋼制保持架結(jié)構(gòu)如圖1所示，常帶有凹槽、凸臺、鎖點(口)等特殊形狀，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。此外，保持架一般有鍍銀等表面處理要求，以便在極端情況下提供自潤滑性能。

圖1 保持架結(jié)構(gòu)及主要尺寸、精度

1.2 加工難點

1)保持架雖不直接承受外載荷，但伴隨著高速滑動和旋轉(zhuǎn)，磨損最嚴重的區(qū)域是其引導(dǎo)面和兜孔表面[3]，所以兜孔的精度和表面質(zhì)量對主軸軸承的壽命產(chǎn)生較大影響。40CrNiMoA由于材料硬度高、黏性大，采用拉刀拉方孔時容易將拉刀拉斷，兜孔表面質(zhì)量尤其是表面粗糙度Ra和兜孔底高變動量難以達到要求。

2)保持架不平衡在高速時容易引起振動，從而可能導(dǎo)致“軟磨硬”現(xiàn)象，即較軟的保持架(硬度33～37 HRC)引導(dǎo)面磨損相對較輕，淬硬的不銹鋼套圈(硬度不小于58 HRC)磨損相對嚴重[4]。此外，還會導(dǎo)致滾子與保持架兜孔過梁產(chǎn)生較大的沖擊，使?jié)L子歪斜，造成過梁變形甚至斷裂，從而使軸承卡死，嚴重影響軸承的壽命和可靠性[5]。因此，對于高速運轉(zhuǎn)的航空發(fā)動機軸承需要考慮保持架動平衡問題。保持架的動平衡一般是在動平衡機上確定出不平衡點的幅值和相位，然后在保持架上去除不平衡量，須設(shè)計專用的工裝夾具，費時費力。

2 工藝分析

2.1 工藝要求

保持架主要尺寸(鍍銀后)如圖1所示，精度見表1。此外，保持架表面鍍銀層厚度0.025～0.045 mm，動不平衡量不大于2 g·cm。

表1 保持架精度要求

2.2 兜孔加工工藝

青銅保持架兜孔的加工一般是先在保持架上鉆圓形底孔，然后用拉刀穿過底孔逐步將圓孔過渡到方形孔。而40CrNiMoA鋼制保持架若采用上述方法則會出現(xiàn)拉孔困難，拉刀容易斷裂，并且厚度變動量VSs、底高變動量Vs1以及兜孔表面粗糙度Ra都難以達到要求。曾嘗試采用線切割的方式加工兜孔，但這種加工方法可能會因溫度過高使兜孔表面產(chǎn)生變質(zhì)層，從而影響產(chǎn)品質(zhì)量。

圖2 銑孔和拉方孔的尺寸

兜孔加工過程中，鉆頭和銑刀采用高硬度、高耐磨性的硬質(zhì)合金材料，拉刀在設(shè)計上應(yīng)盡量減小齒升量并且選用性能更加優(yōu)良的材料，以便增加刀具的強度、耐磨性，提升兜孔的表面質(zhì)量。

2.3 動不平衡量的控制

保持架的動平衡是一個繁瑣的過程，最好的方法是通過工藝改進來減小動不平衡量，這樣可以在保持架端面上少去重甚至不去重，以提高保持架的強度和外觀質(zhì)量。

影響動不平衡量的因素主要有兩方面：一是兜孔在圓周方向的分度誤差，二是內(nèi)徑對外徑的厚度變動量。兜孔在圓周方向的分度誤差可以通過使用高精度的四軸聯(lián)動數(shù)控加工中心來解決，而內(nèi)徑對外徑的厚度變動量可以通過磨加工來解決。

減小厚度變動量的最好方式是對保持架所有的外表面(兜孔除外)均進行磨削加工，但會影響加工效率，尤其是內(nèi)圓磨削，而且磨加工無法保證凹槽或臺階的交界面處的倒角要求，為此采用車、磨結(jié)合的方式來提高加工效率。兜孔加工完之后增加磨削外徑面工序，以消除兜孔加工時的變形，并進一步提高外徑面精度，然后以外徑面為基準車內(nèi)徑面和斜坡。這樣，在保證了內(nèi)徑與斜坡精度的同時，也保證了兩者與外徑的厚度變動量，加工效率較高。

3 加工實例

根據(jù)以上分析，確定的圓柱滾子軸承40CrNiMoA鋼制保持架的加工工藝為：車端面→車外徑面→車內(nèi)徑面→研磨端面→鉆底孔→銑孔→拉方孔→壓印→粗車外槽→磨外徑面→精車外槽→車內(nèi)徑面、斜坡。該工藝方法充分考慮了精度和效率二者之間的平衡，端面采用MB43100平面研磨機加工，外徑面采用M10100無心磨床加工，加工精度和效率均較高；銑孔使用XH714D數(shù)控立式加工中心，該機床夾盤在圓周方向的回轉(zhuǎn)精度為1/3 600°；其余表面的車加工采用ELITE51進行，該機床主軸的徑向跳動和端面跳動均小于0.5 μm。最終加工出的成品表面光滑，尤其是兜孔表面質(zhì)量較以往有非常顯著的提高，實物如圖3、圖4所示。

圖3 鋼制保持架實物

圖4 保持架兜孔放大

隨機抽取5件加工完成的保持架送國家軸承質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心對其精度進行檢測，結(jié)果見表2。

表2 保持架精度測量結(jié)果

由表2數(shù)據(jù)可知，除梁寬變動量Vbcs外，其余精度均遠遠高于產(chǎn)品要求的精度，尤其是VSs，Vs1和Kcs控制得非常理想。因兜孔的尺寸較小，泰勒儀的探針無法深入兜孔，故兜孔的表面粗糙度Ra采用目測比對的方式進行，目測可以滿足1.25 μm的要求。

4 結(jié)束語

以某圓柱滾子軸承鋼制保持架為研究對象，對其加工性能進行分析。結(jié)合保持架的精度要求制訂了加工工藝方案，對加工中如何保證兜孔的質(zhì)量以及如何減小動不平衡量等進行了討論，試驗結(jié)果表明：底孔由圓孔改為方孔并控制尺寸余量不大于0.1 mm，拉方孔時可取得非常好的效果；車、磨配合加工在提高質(zhì)量的基礎(chǔ)上，還可以提高加工效率，使加工工藝合理，滿足產(chǎn)品要求。