張亭亭，吉智軍

(1．洛陽(yáng)軸研科技股份有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039；2．河南省高性能軸承技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽(yáng) 471039；3．滾動(dòng)軸承產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，河南 洛陽(yáng) 471039)

1 概述

超越離合器是重要的機(jī)械傳動(dòng)部件之一，其具有承載能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空、航天、航海等工程領(lǐng)域，其功能是通過(guò)控制傳動(dòng)系統(tǒng)中主動(dòng)件和從動(dòng)件的接合與脫開(kāi)，為動(dòng)力傳輸控制提供關(guān)鍵保障。最具代表性的斜撐式離合器中，離合器軸承是極為重要的組成部件，主要由斜撐塊、保持架、彈簧等零件組成，其中斜撐塊是離合器軸承的關(guān)鍵件，其性能直接影響離合器軸承的性能[1]。

斜撐塊在應(yīng)用上需同時(shí)滿足強(qiáng)度和耐磨性要求，材料硬度一般在60 HRC以上，工作表面粗糙度Ra為0.2～0.4 μm[2-3]，圖1所示為常見(jiàn)結(jié)構(gòu)。斜撐塊外形尺寸小，截面形狀復(fù)雜，且精度要求較高，特別是在航空應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)斜撐塊工作狀態(tài)的可靠性要求更高，除尺寸精度、截面形狀、表面粗糙度、尺寸分組精度等，對(duì)材料和熱處理特性也提出了很高的要求。

圖1 斜撐塊結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Structure diagram of sprag

根據(jù)離合器軸承應(yīng)用場(chǎng)合的不同，斜撐塊材料的選用也具有較強(qiáng)的針對(duì)性。一般條件下常選用中碳鋼或軸承鋼；高溫和高速條件下，常選用耐高溫鋼或高速鋼。選材差異及最終熱處理特性的不同將直接影響離合器軸承的整體性能。

現(xiàn)分析斜撐塊傳統(tǒng)加工工藝，探索新的工藝方案并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

2 傳統(tǒng)工藝分析

斜撐塊為異形結(jié)構(gòu)，一般的機(jī)械加工方法難以實(shí)現(xiàn)成形，較為成熟的方法是拉拔成形。

應(yīng)用于技術(shù)條件要求不高時(shí)，斜撐塊材料一般選用中碳鋼，加工工藝路線為：下料→退火→拔制→切斷→滲碳→淬、回火→表面處理→檢測(cè)→成品。該工藝方法的特點(diǎn)是易于成形，便于加工，但滲碳層質(zhì)量不易控制，對(duì)斜撐塊工作性能存在一定影響。

可靠性要求更高的產(chǎn)品，斜撐塊材料多選用軸承鋼，加工工藝路線為：下料→退火→磷化→皂化→拔制→校直→切斷→淬、回火→表面處理→檢測(cè)→成品。利用去應(yīng)力退火消除成形過(guò)程產(chǎn)生的組織硬化，盡管去應(yīng)力退火是在保護(hù)氣氛下進(jìn)行，但由于熱處理設(shè)備、加工環(huán)境等因素的限制，難以從根本上防止材料表面氧化及表面脫碳層的產(chǎn)生，脫碳層隨著淬火溫度和時(shí)間的調(diào)整而不同，盡管厚度很薄，但對(duì)斜撐塊的耐用度及離合器軸承的工作壽命仍產(chǎn)生十分不利的影響。

高溫和高速條件下，斜撐塊常選用耐高溫鋼或高速鋼，因材料機(jī)械加工性能不好，塑性差，退火表面脫碳情況比軸承鋼更為嚴(yán)重，因此不適用于多次塑性變形工藝[3]。

3 新工藝方案的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

根據(jù)離合器軸承斜撐塊材料特性的不同，擬選取不同的工藝方案進(jìn)行研究，以解決傳統(tǒng)工藝存在的問(wèn)題。

3.1 拔制成形+磨加工工藝

軸承鋼斜撐塊批量生產(chǎn)過(guò)程中，拔制工藝是一種生產(chǎn)效率相對(duì)較高的加工方式，能夠保證尺寸精度和斜撐塊的成形特性，但為了避免拔制過(guò)程中所衍生的其他問(wèn)題，如斜撐塊工作表面質(zhì)量差、易產(chǎn)生脫碳層等缺陷，對(duì)工藝流程進(jìn)行改進(jìn)，即拔制工藝過(guò)程中，對(duì)斜撐塊的工作表面留下適當(dāng)?shù)木庸び嗔浚瑸楹笮虺尚文ハ骷庸ぷ鰷?zhǔn)備[4]。

根據(jù)離合器工作使用特性，斜撐塊的關(guān)鍵技術(shù)要求是基于內(nèi)外滾道的接觸受載，即斜撐塊的內(nèi)圓弧工作面精度的控制。斜撐塊兩圓弧工作面精度主要通過(guò)高精度數(shù)控光學(xué)曲面磨床保證，該磨床加工精度高，工作穩(wěn)定可靠，在保證斜撐塊磨削表面質(zhì)量的同時(shí)，尺寸精度也能得以改善，而且通過(guò)不同的程序控制，可以根據(jù)不同需求加工不同的曲率，如雙圓弧、三圓弧、阿基米德曲線等。由于該設(shè)備是通用磨削加工設(shè)備，對(duì)于加工形狀各異的斜撐塊，只有設(shè)計(jì)出有針對(duì)性的滿足使用要求的工裝夾具，才能滿足產(chǎn)品加工要求，更好地發(fā)揮設(shè)備性能。因此，軸承鋼斜撐塊拔制成形+磨加工工藝的關(guān)鍵是：1)拔制模具的設(shè)計(jì)與制造；2) 成形磨削工裝夾具設(shè)計(jì)、制造與調(diào)整；3)成形磨削程序的控制與設(shè)備參數(shù)的選擇及優(yōu)化。

3.1.1 工藝路線

基本工藝流程為：下料→退火→磷化→皂化→拔制(以上環(huán)節(jié)循環(huán)次數(shù)根據(jù)工件形狀和材料不同而定)→校直→切斷→淬、回火→成形磨削→成品分選。

3.1.2 工藝驗(yàn)證

根據(jù)新工藝方案的難點(diǎn)，對(duì)應(yīng)采取方法進(jìn)行解決：

1)拔制成形模具設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是每次變形率和形狀的控制，制造的重點(diǎn)是模具型腔粗糙度的控制。

2)成形磨削工裝夾具應(yīng)能準(zhǔn)確定位工件，易于夾持后對(duì)兩圓弧進(jìn)行磨削。

3)磨削工藝中，砂輪臺(tái)往復(fù)速度v和砂輪轉(zhuǎn)速n是關(guān)鍵參數(shù)。工藝參數(shù)優(yōu)化(圖2)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)砂輪臺(tái)往復(fù)速度高時(shí)，磨削效率更高，但產(chǎn)品表面質(zhì)量差；當(dāng)砂輪轉(zhuǎn)速過(guò)高時(shí)，砂輪刃口部分較易損壞，需經(jīng)常性修整砂輪，導(dǎo)致生產(chǎn)效率降低，生產(chǎn)成本提高。綜合考慮加工質(zhì)量、效率、成本等因素，確定最佳磨削參數(shù)為n=14 000 r/min，v1=5 m/s。

圖2 磨削參數(shù)對(duì)斜撐塊表面粗糙度的影響Fig.2 Effect of grinding parameters on surface roughness of sprag

通過(guò)制備拔制模具、成形磨削工裝，采用優(yōu)化的磨削參數(shù)進(jìn)行了100件斜撐塊試件的加工，隨機(jī)抽取5組(10件/組，取平均值)進(jìn)行檢驗(yàn)。結(jié)果(表1)表明，斜撐塊高度、形狀、表面粗糙度、直線度等4項(xiàng)主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到產(chǎn)品技術(shù)要求，工藝方案合理、可行，滿足了斜撐塊加工要求。

表1 拔制成形+磨加工工藝檢驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Test results of drawing forming + grinding process

3.2 線切割成形

斜撐塊材料選用高速鋼、耐熱鋼時(shí)，由于材料塑性較差，擬采用高精度慢走絲線切割機(jī)進(jìn)行一次成形加工，該工藝方案的特征為工序少，加工精度高，缺點(diǎn)為成本相對(duì)較高，因此，適用于小批量新產(chǎn)品研制或產(chǎn)品試制[5]。

高精度慢走絲線切割機(jī)具有良好的程序可控性及可調(diào)性，對(duì)于異形截面形狀工件的加工有較大優(yōu)勢(shì)，其加工尺寸、形狀精度高，表面質(zhì)量好，但由于線切割的工作原理會(huì)造成斜撐塊外切割表面產(chǎn)生厚度0.002 mm左右的電腐蝕層，為不影響產(chǎn)品質(zhì)量，需在后工序環(huán)節(jié)通過(guò)表面處理等手段予以去除。

線切割采用AC Brass 900 0.25 mm電極絲。為滿足表面粗糙度要求，需要對(duì)斜撐塊成形面進(jìn)行7～8次的切割加工。根據(jù)設(shè)備的切割原理，1～7次的切割電參數(shù)相同，第7次與第8次切割加工時(shí)的電參數(shù)見(jiàn)表2。在進(jìn)行第7次切割時(shí)，工件的表面粗糙度Ra達(dá)到0.22 μm，已經(jīng)滿足產(chǎn)品工藝要求(Ra=0.32 μm)，而第8次切割需要4 min左右，考慮到加工效率和成本，在進(jìn)行斜撐塊成形切割時(shí)，選用7次線切割方式。

表2 線切割電參數(shù)Tab.2 Wire cutting electrical parameters

選定線切割參數(shù)，優(yōu)化線切割次數(shù)后，對(duì)100件斜撐塊試件進(jìn)行加工，隨機(jī)抽取5組(10件/組，取平均值)進(jìn)行檢驗(yàn)。結(jié)果(表3)表明，斜撐塊高度、形狀、表面粗糙度、直線度等4項(xiàng)主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到產(chǎn)品技術(shù)要求，工藝方案合理、可行，滿足了斜撐塊加工要求。

表3 線切割工藝驗(yàn)證結(jié)果Tab.3 Wire cutting process validation results

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)不同工藝方案的試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明，拔制成形+磨加工工藝和線切割一次成形工藝均可適用于今后高精度斜撐塊的加工，針對(duì)不同材質(zhì)或性能需求的離合器軸承斜撐塊，具體可根據(jù)產(chǎn)品加工數(shù)量、加工精度及其他相關(guān)技術(shù)要求綜合考量，從而選取合理的加工工藝方案。