通孔镶嵌固体自润滑材料钢轴套的开发研究

郑钻斌

（福建龙溪轴承（集团）股份有限公司，福建 漳州 350600）

石墨固体自润滑颗粒是一种良好的减摩材料，被广泛应用于轴承、轴瓦、衬套等产品中[1]。例如，大型铜外圈内球面上盲孔镶嵌固体自润滑材料，已应用于水工用轴承产品[2]；通孔镶嵌固体自润滑铜套也应用于油缸衬套等轻载、中载工况场合[3]。本文研究的为一种带法兰钢轴套，表面均布通孔并镶嵌固体自润滑材料，可经受重载和冲击载荷的复杂工况及野外粉尘沙砾的恶劣环境，已应用于底盘悬架球铰链系统，成功地服役于某重型特种车辆。

1 产品性能及结构的设计

1.1 原材料的选择

由于该轴套应用于重型特种车，需经受来自车辆部件的自重和野外路面颠簸造成的冲击载荷，对材料的承载能力提出了很高的要求。采用行业常用的铜轴套，无论是油润滑或自润滑结构，都不能满足其使用要求，在车辆路试中出现了严重的磨损失效。经材料力学性能对比，热处理后的轴承钢套应比铜套具有更高的屈服强度，应能承受该类特种车要求的10 kN的径向载荷和3倍的冲击载荷。

1.2 热处理硬度的选择

由于实际使用中存在冲击载荷，轴套与销轴在长期的冲击载荷作用下容易发生接触疲劳磨损，且该磨损主要出现在硬度较低的一方。从价值量和更换方便的角度考虑，更希望磨损发生于轴套上，因此，选取比轴的表面硬度更低的硬度。由于配合销轴的表面硬度为55～57 HRC，综合考虑取轴套的热处理硬度为45～50 HRC。

1.3 配合尺寸和间隙的确定

针对本产品，客户处的配合座孔尺寸为Φ60H7（＋0.03，0），销轴尺寸为Φ50h6（0，－0.016）。由于该轴套为压装，因此，轴套的外径采用小过盈配合Φ60m7（＋0.041，＋0.011）。根据这些配合尺寸，并参考了配合间隙计算公式[4]，对轴套与轴的间隙进行了测算。综合考虑了轴的挠曲变形量，轴与轴套的表面粗糙度和形位公差，装配后轴套内孔的收缩量，温升对间隙的影响这几方面，间隙按0.05～0.15 mm考虑，因此，轴套内径尺寸公差确定为Φ50（＋0.13，＋0.05）。

1.4 固体自润滑材料排布形式的选择

固体自润滑材料的排布面积有一个合理的区间，一般占摩擦面积的25%～35%[5]，如果排布面积远小于该区间，自润滑材料的润滑效果明显不足，产品使用寿命将大幅缩短；如果排布面积过大，意味着自润滑材料软质点广泛分布，钢基体由于存在较多的镂空区域，整体强度和承载能力将明显下降，使用寿命也会受到影响。由于该轴套存在法兰位，且磨削加工时需留出一定空间以便支承，结合其内孔和高度尺寸，采用4列均布，每列12个，镶嵌直径为8的固体自润滑材料颗粒的排布方式，保证了自润滑颗粒边缘。自润滑颗粒与端面及越程槽边缘的距离基本相同，从而保证了基体材料不存在突出的薄弱位置，且自润滑颗粒均匀分布。经计算，该排布方式的面积占比为25.3%，满足润滑性能的要求。

图1 产品结构图

1.5 越程槽的设计

由于该轴套存在自润滑材料软质点，与钢基体存在硬度上的落差，且外径精度要求比较高，如果采用车加工，刀具无法保证尺寸要求，因此，需采用磨加工，并在法兰转角处设计砂轮越程槽。设计越程槽时，既要考虑轴套壁薄的风险（仅为5 mm），又要考虑自润滑颗粒的位置，因此，应保证深度浅、宽度合理，既防止在其周围出现明显的应力集中，又便于加工，具体结构如图1所示。

2 加工工艺的研究

2.1 高精度孔的加工工艺

由于固体自润滑材料需牢固镶嵌在通孔内，因此，对两者间的配合间隙有特定的要求。如果间隙过小，固体自润滑颗粒无法装入；如果间隙过大，固体自润滑颗粒在粘贴后容易脱落。经试验验证，间隙应控制在0.1～0.2 mm。由于钻孔工序在热处理前，考虑到热处理后孔会存在一定程度的变形，因此，钻孔的精度宜控制在0.1 mm。为此，钻孔工序采用一道钻难以保证精度，需分成粗精两道加工，即先采用较小尺寸的钻头粗加工，再用最终尺寸的钻头精加工，但采用2把钻头换刀加工的加工效率不高。鉴于此，我方应用了台阶钻工具，一道钻可实现先粗后精的加工要求。试验结果表明，台阶钻的应用既保证了钻孔精度，又提高了生产效率。

2.2 新型粘贴剂及工艺的应用

相比铜外圈盲孔镶嵌固体自润滑材料所用的厌氧胶，本产品采用新型环氧胶粘贴，该胶水需在60℃下烘干1 h方可固化。虽然原有的厌氧胶可以常温固化，但由于本品为通孔镶嵌型产品，不存在厌氧环境。试验发现，采用厌氧胶，固体自润滑颗粒粘贴不牢固，后续特别容易脱落；而采用新型环氧胶，虽然需要烘干固化，但粘贴操作方便且粘贴牢固。

2.3 热处理变形及余量的控制

由于该产品表面存在大量均布通孔，热处理容易变形，所以，在试制时预留了较大的精加工余量。但是，根据实际热处理后的尺寸测量，椭圆变形仅有0.2～0.3 mm。由材料力学理论分析可知，自润滑材料表面积占比较小，且分布较为均匀，保障了轴套整体的刚性和尺寸的稳定性。热处理后的加工余量太大，容易在车削轴套内外径表面时在固体自润滑颗粒表面造成明显的车痕、凹坑等，导致自润滑颗粒破损而返工粘贴。因此，余量最终缩减为0.5 mm左右，既保证了产品质量，又降低了加工成本。

3 磨损寿命试验及结构优化改进

3.1 磨损寿命试验和失效分析

对此轴套在SDZ-40/0.6K交变负荷关节轴承寿命试验机上进行了加速磨损寿命试验，工况条件是，径向恒定载荷10 kN（冲击载荷为其3倍），摆角为±20°，频率为0.5 Hz，配合轴材料为42CrMo，表面硬度为55～57HR，寿命情况如图2所示。

从图2中可以看出：①在10 kN恒载下，该轴套共运行了38 882次（±20°往复为一次），发生摩擦系数超差失效；②在该轴套运行过程中（27 770次处），瞬间将载荷提高到30 kN，立即出现明显噪声，同时，出现轴转速下降的爬行现象，之后载荷恢复到10 kN。

图2 产品寿命曲线

该试验结果表明，轴套无法承受30 kN的载荷。当出现30 kN的瞬时冲击载荷时，极大可能导致系统功能失效。试验完毕拆下轴套发现，两头近端面位置（无自润滑材料的部位）出现严重磨损，有自润滑材料的部位未发生磨损，配合轴在两端的相应部位也发生了明显磨损。

对该结构进行了有限元分析，如图3、图4所示，以便研究其磨损破坏机理。分析发现，当轴套受载达到30 kN时，接触应力云图显示值为133.8 MPa，为10 kN时（78.81 MPa)的1.7倍，而该接触应力位于轴套两头，很可能是轴受载产生的挠曲在轴套两头产生的边缘应力集中。由于轴套两头未分布固体自润滑材料，接触应力的存在造成了两端磨损。当载荷达到30 kN时，边缘接触应力过大，轴的爬行失效。

图3 径向受载10 kN的接触应力云图

图4 径向受载30 kN的接触应力云图

图5 改进型产品结构图

3.2 结构优化改进

针对边缘接触应力集中的问题，由于在轴套两头未有充分空间分布固体自润滑材料，因此，采取在轴套内孔两头分别增加一条径向槽的方式削弱接触应力，具体结构如图5所示。对该结构进行了有限元分析，如图6、图7所示，经过分析发现，径向槽的存在确实可以减弱轴套边缘的接触应力，10 kN加载时接触应力仅为56.15 MPa，30 kN加载时接触应力仅为117.2 MPa。

图6 新结构产品受载10 kN的接触应力云图

图7 新结构产品受载30 kN的接触应力云图

图8 新结构产品寿命曲线

对此轴套进行加速磨损寿命试验，在同样的工况条件下，寿命情况如图8所示。

从图8中可以发现：①在10 kN恒载下，该轴套顺利运行了27 770次；②此时将载荷提高到30 kN，在30 kN恒载下又运行了18 306次才发生摩擦系数超差失效的情况；③整个加载过程中未再出现噪声，也未再出现轴的爬行现象。

试验结果表明，改进后的轴套结构可以承受30 kN的冲击或恒定载荷。试验完毕拆下轴套发现，该轴套两头未出现被磨损的情况，磨损出现在自润滑材料与基体的交界处，属自润滑材料颗粒功能失效后的正常磨损。

目前，该结构改进的产品已成功应用于某重型特种车的悬架球铰链系统，得到了用户的肯定。

4 结论

该特种车用通孔镶嵌固体自润滑材料钢轴套的成功开发，在材料、结构、性能、工艺切合实际工况的同时，很好地引入了有限元分析和磨损寿命试验的验证，并在此基础上对结构进行了优化，延长了产品的使用寿命，提高了客户的满意度。由此可见，无论是新产品、新技术，还是已有产品的技术改进，现代分析和试验手段的运用将为我们提供更多的解决思路和方案。

［1］刘超锋.国内自润滑轴承用材料的研究和开发［J］.铸造技术，2006，27（4）：416-420.

［2］盛选禹，雒建斌，温诗铸.镶嵌自润滑关节轴承及其润滑材料的制备［J］.机械设计，2000，17（8）：44-46.

［3］单昆仑，向定汉.高强度镶嵌自润滑材料的设计及摩擦实验［J］.南京航空航天大学学报，2005，37（2）：236-239.

［4］杜文靖，王国强，崔国华，等.液压挖掘机工作装置铰点轴和轴套间隙计算模型［J］.农业机械学报，2007，38（8）：38-40.

［5］肖伟，赵初明，卞斌华.固体自润滑轴承在某军用挖掘机工作装置上的应用［J］.工兵装备研究，2006，25（1）：25-27.