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高精度薄壁轴承圈组件的加工应力变形分析及加

来源:龙道轴承 发布时间:2019-04-29热度:
由于轴承圈组件刚度差,在加工中容易产生变形,且轴承圈V型导轨需高频或激光局部淬火,容易产生淬硬应力,因此其制造精度很难满足设计要求。若要提高轴承圈组件的加工精度,不...


  由于轴承圈组件刚度差,在加工中容易产生变形,且轴承圈V型导轨需高频或激光局部淬火,容易产生淬硬应力,因此其制造精度很难满足设计要求。若要提高轴承圈组件的加工精度,不仅要有合理的加工方法,确定加工过程对工件的装夹方式和刀具的几何参数;还要解决薄壁轴承圈组件热处理变形对淬硬层硬度及厚度的影响,加工过程中产生的各种应力变形对零件精度的影响以及变形的控制和消除方法。同时还需设计必要的检测量规、综合检测装置来检测和控制每道工序的加工精度和组件的综合误差。通过对轴承圈组件制订合适可行的加工方案和变形应力定量分析及控制措施,从中找出解决加工该类零件的方法和关键点。
  1   轴承圈组件的结构及精度概述
  在旋转系统和光学搜索瞄准系统中,轴承圈组件是十分重要的零件,结构图如图1所示。该零件的特点是装配安装面及V形导轨面尺寸精度及几何公差高、壁薄、刚度差、易变形,材料为T10A,零件的2个外环组件尺寸为155h6,孔为150h6,V形面对基准轴线的同轴度为0.01mm,平行度为0.005mm,V形2个斜面淬硬层厚度为0.5~0.8mm,硬度要求为60~65HRC。该零件与内芯钢球组合后,在230kg冲击力的作用下,要求旋转平稳,轴向和径向间隙为0.02mm,V形面与基准垂直方向的跳动为0.01mm。如果单独按各零件分别加工,组合后其精度根本无法满足使用要求。另外,内、外圈单独淬火及时效后,变形较大,加工V形面时,极有可能将淬硬层去掉,如果将余量增大淬硬层增厚,温度提高,控制不当零件就会被淬裂或脱碳,同时,加工时所产生的热变形也大,淬硬层有效厚度及硬度同样不能保证。

  2 加工中影响精度的变形因素
  为保证内、外环零件完工后的几何公差、尺寸精度、淬硬层硬度及厚度要求,必须对其加工过程的变形量进行定量分析,以确定所采取消除变形的具体工艺措施。影响薄壁轴承圈组件的加工精度因素有很多,归纳起来主要有以下几点。
  1)淬火及去应力时效处理产生的变形,导致磨削后淬硬层厚度达不到要求。粗加工及淬火后,内、外环变形大。加工V形面时,如果将余量增大,淬硬层增厚,温度升高,加热时间延长,零件很可能造成脱碳或淬裂;同时,加工余量太大所产生的热应力及加工变形也比较大,极有可能将部分淬硬层去掉或达不到硬度和厚度要求。因此,首先要克服零件的热处理变形,并留够合适的加工余量,还必须有一套正确的加工工艺,消除零件的加工应力变形。
  2)工件由于受夹紧力的作用产生变形。因工件壁薄,在夹紧力的作用下容易产生夹紧变形,从而影响工件的尺寸精度和形状精度,因此应注意零件的装夹方式。
  3)切削热引起工件热变形。因工件较薄,使工件的尺寸精度及几何公差难以控制。
  4)磨削时产生的振动引起表面波纹。在切削力的作用下,很容易产生振纹和变形,从而影响工件的尺寸、形状、位置精度和表面粗糙度。
  3 热处理收缩变形定量分析及参数的确定
  按照通常的加工工艺,该零件经过车、铣、钳、磨及工序之间加热处理,并按照经验留加工余量,其结果是淬硬层往往被磨削掉或淬硬层有效厚度及硬度达不到要求。零件合格率低,仅为30%。经过比对试验分析可知,最主要的影响因素是对热处理的变形量难以控制。因此,必须对零件热处理的变形量进行定量分析,确定合适的加工参数及有效的淬硬层厚度,消除零件热处理变形及加工热应力变形。
  通过对T10A材料环形零件进行多次局部热处理淬火试验可知,其变形情况是靠近导轨面的收缩变形、外环厚度方向靠近孔附近周边端面的缩凹变形、内环靠近外圆周边端面的缩凹变形以及轴向扭曲变形,如图2所示。

  该零件孔为122H8,外圆为150mm及斜面方向的变形量分别为0.4~0.8m
  M、0.6~0.9mm。带座轴承清洗将轴承拆下检查时,先用拍照等方法做好外观记载。另外,要供认剩余润滑剂的量并对润滑剂采样,然后再清洗轴承。
  通过对不同尺寸的环状零件的大量试验发现,收缩变形是有一定规律可循的,其大小Δ与零件的内、外径α和厚度及热处理温度有关,其规律为每100mm直径方向变形量为0.9~1.5m
  M、轴向变形量为0.4~0.6mm,并且得出了如下经验公式:
  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。带座轴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产品。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产品。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 轴承圈组件的加工工艺
  通过上述分析,在进行工艺设计时,根据该轴承圈组件的特点,要保证完工后精度要求及淬硬层厚度,必须克服热处理变形、加工应力变形、振动产生的表面波纹和装夹变形。根据淬火变形的大小和方向,以及精加工后硬度和有效厚度,确定关键部位加工余量。另外,在确定工艺总方案时,还需要严格控制重要工序间的尺寸、测量方法、专用量具、专用夹具以及确定切削参数等。
  综合考虑零件精度要求、特点、热处理及加工中应力的变形情况后,工艺设计方案如下。
  外环1:锻造
  →热处理→车→车→热处理(局部
  淬火)→车→车→磨→磨→磨→钳→时效热处理→车→磨→磨→表面精饰。
  外环2:锻造
  →热处理→车→车→车→车→热
  处理(局部淬火)→车→磨→磨→磨→钳→时效热处理→车→车→磨→磨→钳→磨→钳→表面精饰。
  外环1与外环2进行组合→精整加工。
  内环3:锻造
  →热处理→车→车→热处理(局部
  淬火)→磨→磨→钳→磨→磨→磨→时效热处理→磨→磨→磨→组合磨*。
  组合磨*:中等精度尺寸可直接磨出,有特殊要求、高等精度尺寸可与外环1和2组合精整后的尺寸进行配磨。
  5 关键的工艺措施及测量方法、切削参数
  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。带座轴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产品。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产品。
  2)在局部高频淬火或激光淬火过程中,为保证淬硬层厚度,防止脱碳现象,除了控制好温度、时间外,还要严格控制淬火及时效后零件的扭曲变形。
  如图3所示,使用专用夹具,将变形量控制在0.15mm以内。在通常情况下,如果要使局部淬火后变形小,往往取理论范围温度中较低值,但实际操作中有很多不确定的因素而造成淬火硬度不够或深度不够。为防止环形零件局部淬火时扭曲变形过大,保证淬硬层的厚度和硬度,淬火时分别以外环和内环的外圆和内孔定位,端面夹紧,在高濒淬火机上匀速旋转。当加热到所需温度后,松开机床夹头,工件随夹具一同落入淬火介质中。由此,工件的热处理变形可以得到有效控制,淬火后97%工件的扭曲变形量均在0.15mm范围内。

  3)在内、外环基面磨削加工时,由于局部淬火后零件产生缩凹变形,直接上磁磨削加工后会造成零件内应力回弹,导致无法保证其平面度和平行度要求。因此,在每次反复磨削两面的同时,严格控制磁力,使磁力由大到小逐次进行,以保证其平面度和平行度要求。
  4)用组合夹具对2外环单独进行磨削加工时,压紧点部位不得担空,尽量做到对称和控制压紧力大小。并在工序之间安排一定的时效热处理,使工件内应力得到充分释放。
  5)对内、外环斜面分别粗磨削后,再组合在一起精磨削,整修导轨V形面,保证V形面面形、尺寸精度和几何公差要求,如图4所示。

  6)精磨刀具及冷却液的选用。磨料WA,硬度K,粒度60#和70#,结合剂V,形状PSX1进行修磨。冷却液采用TRIM C270,冷却效果及表面粗糙度好。
  7)2外环分别半精加工时,严格控制外环零件斜面的尺寸及变形量,保证组合后精整加工的磨削余量和淬硬层厚度满足要求。
  8)组合精整加工时,设计专用球头测量仪,以检测V形面综合尺寸及形状精度,保证零件组合后的精度要求。如果组合零件导轨面尺寸超差,可将超差值换算到内环的2个贴合端面处,通过分别修磨端面来消除。测量原理如图5所示。通过测量环规比对后,千分表刻度归零。测量时,旋转工件导轨面的误差,通过活动球形测头传到千分表上。

  6 结语
  通过多次工艺试验,得出了该类零件在热处理中收缩变形的经验公式,确定了主要工序的淬硬层加工余量,并通过热处理专用夹具来控制变形,确保了完工后轴承圈组件淬硬层厚度及硬度。在工序之间用专用量具来控制其加工余量尺寸,设计专用球头检测仪装置,解决了轴承圈组件综合测量困难的难题。
  通过对该组件进行加工应力变形分析和加工工艺实际验证,该组件的合格率由原来的40%提高到98.5%,降低了生产成本,缩短了加工时间,加工质量不仅完全满足了设计的要求,而且与内导轨组合后,其转动精度比设计要求的精度高出40%。并从中找出加工类似零件可以借鉴的规律和一套合适的加工方法,为今后该类零件的加工提供重要技术参考。
 

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