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      超大型剖分三排圓柱滾子轉盤軸承加工工藝

      導讀

      剖分三排圓柱滾子轉盤軸承分段多,尺寸大,質量大,加工時裝配精度低,整圈淬火變形大,接縫處應力大,徑向及圓周方向間隙不易調整,配制游隙時修磨滾道次數多,傳統高速鋼材料刀刃易磨損。提出改進措施:加工和拼接時增加專用胎具;采用分段、分面淬火,淬火后增加整形工序;設計徑向定位夾具調整徑向間隙,設計切向定位夾具調整圓周方向間隙;通過軸向游隙推算所需加工的內、外圈軸向滾道尺寸;軟車采用帶涂層的硬質合金刀具,硬車采用立方氮化硼(CBN)刀具完成以車代磨等。最終確定的工藝路線滿足了軸承加工所需的技術要求。


      隨著海工裝備技術日趨成熟,海工行業大型起重機已經向超大尺寸、超大噸位發展,與其配套的轉盤軸承直徑達10 m以上。該直徑段的轉盤軸承結構多為剖分式,其優點是便于運輸、儲存及拆裝,缺點為需要多次拆分、拼接,加工工藝復雜,加工精度難以保證,故需確定合適的加工工藝。


      1、超大型剖分三排圓柱滾子轉盤軸承結構

      某剖分三排圓柱滾子轉盤軸承結構如圖1所示,采用階梯搭接,軸向用鉸制螺栓定位連接(圖2)的方式組合成整體內、外圈,裝配后軸承內圈沿內徑方向展開如圖3所示。

      該剖分軸承最大外徑為12.3776 m。高度為0.6 m,最大壁厚為489 mm,內外圈共分為18段。技術要求:裝配高為(600士2) mm,軸向游隙為1.2 ~1.8 mm,徑向游隙為0.5 ~1.2 mm,軸向跳動不大于0.6 mm,徑向跳動不大于2 mm。


      2、加工難點

      1)軸承直徑超出機床工作臺加工范圍。


      2)在推力滾道上剖分切口會與滾子素線形成一定夾角,使滾子能通過切口。為保證齒輪強度受影響小,將外齒圈剖分切口切在齒槽底中心位置,增大了銑連接面及拼接整圓的難度。


      3)剖分軸承直徑大,加工過程中剖分段因自重下墜傾斜,兩端面及軸向滾道平面度、傾斜度大,徑向滾道圓度、圓柱度超出工藝要求,裝配后軸承旋轉精度不能滿足要求。


      4)外齒圈淬火面總長度為490 mm,屬大截面滾道淬火。整圈淬火時剖分段會出現不規則變形(圖4),變形后無法拼接成整圓,影響后序加工。整圈淬火后接縫處應力較大,套圈會從接縫處脫開。整圈尺寸大,淬火機床回轉困難。


      3、方案制定

      3.1 工裝夾具

      剖分軸承在胎具上加工,為便于吊裝,胎具也采用剖分結構。整個胎具分為4段,連接方式為上下搭接,軸向用錐銷定位,加雙排螺釘緊固(圖5)。

      胎具材料選用具有較高屈服強度和抗拉強度的ZG380-510鑄鋼,保證胎具剛度胎具為剖分軸承加工提供了可靠的剛性支承,可減小各工序加工變形,保證加工精度。


      為拓展機床加工范圍,重新制作專用方箱、支座以及配套的T形塊、螺桿、擋板、壓板、墊塊等,解決了大直徑軸承超范圍加工問題。


      3.2 裝夾方式

      加工時要考慮胎具與剖分軸承的裝夾方式,以內圈主推力滾道加工為例,內圈裝夾如圖6所示。方箱底部設計2排連接孔,通過螺栓與機床工作臺連接??ㄗ⑻ゾ呖ňo并用壓板固定。內圈放置在胎具上,長擋板頂緊外徑面,壓板壓緊內圈端面。胎具和內圈進行軸向和徑向定位,固定點數量是軸承分段數的3倍,防止零件加工中出現平移。

      3.3 拼接整圓

      剖分面為臺階形狀,要求拼接軸向間隙不大于0.1 mm,徑向間隙不大于0.3 mm。拼接會影響軸承加工精度,因此要保證外齒圈剖分切口在齒槽底中心位置。工藝上選擇先劃出成品齒形及精銑連接面剖分線(圖7),其軸向和圓周貼合面均在數控龍門銑床上加工。通過程序設定、預先模擬調整每段弧長及2個結合面的角度和尺寸,多次研配結合面以確保連接精度,待連接整圓后依次配對編號。

      剖分軸承在加工中需多次吊裝、拼接、拆分,為保證成品連接精度,在前工序加工時采用小尺寸的工藝錐錐孔。通過錐銷對每段連接點定位后連接加工。終加工時將定位錐銷孔加工成鉸制螺栓孔,保證零件連接可靠。


      3.4 淬火方案

      選取分段、分面淬火。為方便吊裝,淬火前加工吊裝孔。為減小淬火變形,在套圈上設置端面臺階,胎具設置凹槽(配合間隙1~2 mm)進行限位。另外,在胎具上加工與套圈吊裝孔位置一致的螺紋孔,用螺釘將套圈與胎具固定(圖8)。

      3.5 整形方案

      淬火后每段曲率不規則,不成正圓,總趨勢為外圈弦長減小,內圈弦長增大。套圈壁厚較大,淬火后需進行熱整形。整形要求如下:


      1)對比淬火前、后每段弦長變化,確定整形量,選定整形位置;


      2)火焰溫度為700~800℃,加熱時控制加熱面積,防止產生新的變形,加熱后澆注冷卻液;


      3)粗整形,以實際弦長為依據(不需要在機床上進行);


      4)精整形,邊整形邊測量每段圓周跳動(在機床上進行) ,使每段均符合工藝要求;


      5)整形后測量每段尺寸是否達到整形要求。


      3.6 裝配方案

      剖分軸承精加工、裝配均以淬火、 整形后每段連接面處軸向、徑向間隙做為拼接基準。裝配方案:先吊取第2內圈,按編號依次完成拼接,通過徑向定位夾具調整徑向間隙(圖9),通過周向定位夾具(圖10)調整圓周方向間隙,然后用校對樣板內圈半徑R2(圖11)校驗接縫處曲率,通過鉸制螺栓連接,完成第2內圈裝配。再按照常規三排圓柱滾子轉盤軸承的裝配方法組裝成整套軸承。內、外圈裝配方法參考第2內圈。

      調整徑向間隙時,將夾具放置在套圈端面上,螺桿頂緊軸承內、外徑面,通過螺桿調節。調整圓周方向間隙時,將螺紋孔定位銷與光孔定位銷分別放在連接縫處的2個安裝孔內,通過螺桿緊固調節。

      3.7 軸承游隙

      通過軸向游隙推算所需加工的內、外圈軸向滾道尺寸,可減少滾道修磨次數,從而減少吊裝、拼接次數,提高加工效率。軸向游隙計算示意圖如圖12所示,軸向游隙Ga=b+c-a-d-d2。

      剖分軸承分段拼接,每段外齒圈會因自重下墜傾斜,普通三點測量軸向游隙已不適用。軸向游隙測量如圖13所示,虛線、實線分別為軸承組裝后的實際位置和理論位置。千斤頂與百分表位置均會對軸向游隙產生影響,測得A點值比B點大,B點值更接近實際游隙。采用單點測量軸向游隙,千斤頂與百分表位置靠近軸承內圈,在每段中間部位及連接縫處各取1個點,共計12個點或更多,取其平均值作為實測軸向游隙。


      徑向游隙的配制:試配初始徑向游隙→確定滾子尺寸→修磨滾子。


      徑向游隙的測量:第2內圈、軸向滾子與外圈裝配后,在連接縫處及每段中間部位(共計12處),裝入徑向滾子(為保證徑向游隙測量準確,采取無間隔并排滾子,要求每組滾子數量不少于30粒),測量徑向滾子與內、外圈間隙,取其平均值作為實測徑向游隙。


      3.8 選擇刀具及加工參數

      精加工余量小,可使用帶涂層的硬質合金刀具完成車削,該刀具硬度達69~81 HRC,車削平穩,耐磨性好,切削速度是普通高速鋼的4~7倍,提高了加工效率。硬質合金刀具加工參數為:機床轉速2 r/min, 進給量0.4~0.7 mm/r。


      滾道表面淬火后硬度為57~62 HRC,終磨滾道前先硬車去除滾道淬火變形較大部位,可減小后續磨加工留量,大幅提高加工效率。硬車使用立方氮化硼(CBN)刀具完成以車代磨。CBN是超硬刀具材料,硬度高和耐磨性好,用于對淬硬鋼(硬度45~65 HRC)的精加工,也可用于精車斷續表面,但在斷續加工中,不能使用冷卻液。CBN刀具加工參數為:機床轉速2.5 r/min, 進給量0.08~0.2 mm/r。


      4、確定工藝流程

      4.1 初步工藝流程

      根據剖分軸承的結構特點,初步確定工藝流程:鍛件→粗車→銑連接面→拼接整圓→鉆、鉸工藝錐銷孔→半精車→滾道表面淬、回火→整形→精車→鉆孔→硬車滾道→終磨→配游隙→裝配。


      該流程存在以下問題:

      1)粗車切除材料較多,應力不能完全釋放;


      2)淬火后變形量(端面翹曲、徑向跳動)大,影響后序加工;


      3)熱整形溫度高,整形部位有較大內應力,易出現裂紋。


      4.2 優化工藝流程

      對上述問題分析,認為剖分軸承加工重點是要控制熱處理變形,保證整形質量,最終確定優化后的工藝流程為:鍛件→粗車→去應力退火→半粗車→粗銑連接面→振動時效→精銑連接面→拼接整圓→鉆、鉸工藝錐銷孔→半精車→鉆、攻吊裝孔→附加回火(溫度170 ℃±10 ℃,爐內保溫4 h±0.5 h)→滾道表面淬、回火(溫度170 ℃±10 ℃,爐內保溫8 h±0.5 h)→整形→附加回火→精車→鉆孔→硬車滾道→終磨→配游隙→裝配。


      優化后的工藝流程具有以下優點:

      1 )淬火前增加附加回火,可及時消除或減小前工序產生的殘余應力,進而減小淬火變形;


      2)熱整形后增加附加回火,可防止整形開裂。


      5、實際加工效果

      采用優化工藝加工后軸承的各項技術指標檢測結果見表1,滿足技術要求。軸承交付使用后,未發現異?,F象。

      來源:《軸承》2021年6期)


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