铝合金关节轴承外圈的加工工艺优化

吴玫，蒋瑞秋，李岩

（中航工业哈尔滨轴承有限公司，哈尔滨 150036）

铝合金是一种新型的轴承材料，由于材料质量轻，在飞机的鸭翼、尾翼、起落架等部位陆续采用了这种材质的关节轴承，属于航空装备关键基础件。但铝合金材料的自身刚度低，加工中易受装夹力及切削力的影响；加工中产生的残余应力容易造成工件变形；大孔径薄壁铝合金轴承套圈不易使用常规的磨、研等工艺方法，需要精密的加工技术与工艺来保障轴承的加工精度，目前国内薄壁铝合金关节轴承套圈精加工技术还不成熟。

1 加工难点

以某型铝合金材料关节轴承外圈（图1）为例，此套圈外径较大，壁厚最小处仅3.5 mm，且尺寸及形位公差要求较高，加工过程中存在以下难点：

图1 关节轴承外圈零件图Fig.1 Detail drawing of spherical plain bearing outer ring

1）只能采用车削加工，对机床精度要求较高；

2）外圈薄壁、尺寸较大且精度要求高，由于薄壁本身有一定的弹性，加工过程中的切削力容易导致加工面产生振动，工件的尺寸及形位公差无法控制［2］；

3）切削夹紧力可能引起铝合金材料的冷变形；

4）铝合金材料的塑性、韧性好，刀具在切削过程中使工件受到挤压，材料表面在切削方向上产生塑性变形，内部组织应力平衡被打破，导致工件发生变形而达不到预期的加工精度［1］；

5）铝合金材料线膨胀系数大（约为钢的2.4倍），车加工中产生的大量热易使工件变形。

2 制定方案

2.1 加工设备

由于套圈精度要求较高，且不能使用磨床保证最终精度，只能依靠高精度数控车床来完成各表面的加工。工件圆度要求为0.012 mm，跳动要求为0.015 mm，因此必须选择机床主轴径向跳动不大于0.002 mm的精密数控设备。

2.2 夹紧方式

由于套圈壁薄（最小处3.5 mm）、外径尺寸较大，为减小装夹变形，降低夹紧力，采用端面压紧或者通过增加套圈宽度的方法间接夹紧，并且尽可能减少装夹次数，一次加工成形，以避免人为因素产生的加工误差［3］。

2.3 刀具选择

铝合金材料强度和硬度较低，加工性较好，为了保证加工精度，减小切削力和切削热引起的变形，选取较大前角（12°～20°）和后角（8°～12°），刃口圆弧较小，能够保证刀刃锋利的YG3硬质合金车刀。另外，为保证加工表面粗糙度，刀尖处应有修光刃。

2.4 切削深度

铝合金材料导热性好，锻造的铝合金材料粗加工采用较大切削深度，半粗或粗车加工切削深度为1～2 mm，精车为0.2～0.5 mm。

2.5 环境要求

铝合金材料受温度影响较大，加工环境温度应控制在（20±2）℃。

2.6 消除应力

为消除零件内部由于加工而形成的残余应力，避免工件变形过大，采用低温退火的方式进行处理［4］。热处理工艺为：加热至300℃，保温3 h，然后随炉冷却。

3 工艺流程确定

在其他外部条件全部满足的情况下分别设计了3种工艺流程。

3.1 流程1

锻件→粗加工→切断→去应力→半粗加工→去应力→精加工→表面处理。

该工艺方法在粗加工完成后切成单件再进行加工，先将两平面加工完成，再利用专用夹具，靠端面定位模具压紧加工外径面，通过外径面找正，再加工内球面。

存在问题：装夹定位调整时间较长，对操作者技术水平要求较高；采用端面压紧易造成端面压伤，影响表面质量。

3.2 流程2

锻件→粗加工→去应力→半粗加工→去应力→精加工→线切割→表面处理。

为了在加工过程中不使用专用夹具，减少夹紧变形，装夹时不直接夹紧工件，而是夹紧工件的加长处，设计锻件尺寸时相应的增加幅高和内径留量，将锻件宽度在成品的基础上加宽20 mm以上，内径留量单侧增加10 mm。锻件如图2所示。加工完成后用线切割方法将加长部分切断。

图2 锻件示意图Fig.2 Diagram of forging

工艺要求粗加工后所有表面单侧留量为2 mm，半粗加工后所有表面单侧留量为0.5 mm，车球面在精加工阶段。半粗加工和精加工操作者只需要将卡爪与装夹的外径面合圆，工件安装后无需找正，每次装夹完成所有加工面。

存在问题：试加工检测结果发现，外径圆度及球面圆度、球面度均严重超差。分析认为半粗加工留量偏大，且球面没有进行粗加工，导致精加工时切削量大，切削应力大，尺寸超差。

3.3 流程3

锻件→粗加工→去应力→半粗加工→去应力→半精加工→去应力→精加工→线切割→表面处理（图 3）。

图3 优化后工艺流程图Fig.3 Flow chart of optimized process

进一步工艺优化，增加半精加工和去应力退火工序，半精加工工序加工外径面及球面，使精加工单侧留量为0.3 mm；且精加工时分多次走刀，小切削量进给，控制变形量。

采用优化后的工艺流程3进行加工，精加工后工件检测各项精度合格，采用线切割切断，再次检测各项尺寸精度没有变化。

4 检测结果

按照优化后的工艺流程3进行批量加工，随机抽取5件最终状态工件进行检测，结果见表1，外圈各项精度均达到工艺要求。

表1 外圈各项精度测量结果Tab.1 Measurement results of outer ring accuracy mm

5 结束语

铝合金材料薄壁套圈的机加工较为复杂，尤其是加工变形问题，受多种因素的影响。实际生产中必须严格执行优化后工艺流程，以较好的保证套圈各项尺寸精度和表面粗糙度的要求。后续仍需在减小切削应力方面进行更深一步的研究。