内孔含自润滑材料轴套控制内径尺寸的工装设计

张健鹤

（福建龙溪轴承（集团）股份有限公司，福建 漳州 363000）

轴套是整体结构，转动时轴和轴套相对运动。该文研究的是在难以添加或无法添加润滑油的场所，所采用的内孔粘贴自润滑材料的轴套。这种轴套有以下4 个特点。1）与轴的摩擦运行，无须定时添加润滑油，可在使用时不保养或者减少保养。2）耐磨性能好、使用寿命较长，在合适的工艺下摩擦因数可控制在较小值。3）以钢为基体材料、热固性自润滑材料为摩擦接触材料，有适量的弹塑性，轴套外部有较高的承载能力，还能减少机械振动、降低噪声。4）以轴承钢作为基体，无须使用在中国成本较高的铜作为基体。但是轴套内孔粘贴自润滑材料，存在的问题是粘贴自润滑材料后的内径尺寸，无法通过机加工控制其尺寸公差。

该文研究的是以轴承钢GCr15 为基体、内孔粘贴自润滑材料的轴套，控制内径尺寸的工装设计方案。工艺方案是利用不同材料的热膨胀系数不同的原理，以特定温度变化等参数控制产品尺寸。产品结构示意图如图1 所示。

图1 产品结构示意图

1 工艺设计思路

1.1 设计原理

物体由于温度改变而有涨缩现象。工艺设计原理是根据不同材料的热膨胀系数不同，单位温度变化所导致的物质长度量值的变化量不同[1]，控制钢基体和芯轴在特定温度下的尺寸数值。

线膨胀系数的定义是在单位温度改变下，长度的增加量与原长度的比值。该文研究的钢轴套基体、自润滑材料和芯轴均为普通圆柱体，在热膨胀前后，体积增大或减小的比例是均匀的，所以可以直接通过线膨胀系数进行计算。其变化能力在等压条件下，单位温度的变化所导致的体积变化的热膨胀系数，见公式（1）。

式中：α—膨胀系统。△V—体积增加或减少值。V—初始温度下的体积。△T—温度改变数值。

利用材料膨胀系数的不同，相同的环境下不同的材料在升温后的膨胀量是不一样的。那么不同的材料膨胀后尺寸变化，在温度变化不是很大的情况下，膨胀系数α 就成了常量，体积的变化就是可控的。该变化可以用来挤压所粘贴的自润滑材料，升温后在达到某一温度、某一时间点时，作为热固性材料的自润滑材料就会硬化，其对应的尺寸就会相应变化。于是，在升温后保温期间，钢基体和所选芯轴会增加到特定数值，所选芯轴的热膨胀系数要大于钢基体，这样就能在特定温度和压力下，挤压自润滑材料的空间，从而控制自润滑材料硬化后的厚度尺寸范围。根据设计要求，轴套的内孔公差要求较高，钢轴套基体的初始内径尺寸、芯轴外径尺寸、自润滑材料初始厚度等工艺参数的合理性，都将对成品内径尺寸的控制产生极大的影响。

1.2 材料选择

首先确定基体和自润滑材料。钢基体材料是GCr15，轴承钢GCr15 合金含量少，具有良好的性能，在热处理后具有较高且均匀的硬度、良好的耐磨性。自润滑材料选择热固性材料，需要具有一定的弹塑性、在特定温度下能够硬化，且硬化后具有耐磨性。

然后根据设计原理选择芯轴材料，常用物质的热膨胀系数见表1[2]，单位为（10-6/℃）。由于芯轴材料需要具有稳定性、经济性和易采购的特点，且芯轴材料的热膨胀系数需要大于轴套钢基体的热膨胀系数，并具有一定的强度和硬度，才能实现对自润滑材料的挤压作用，所以选择铝作为芯轴工装材料。

表1 常见物质的热膨胀系数

2 加工工艺研究

2.1 加工工艺流程

该类型轴套材料包括钢基体、自润滑材料、铝芯轴。简易工艺流程为3 个步骤。1）钢轴套：车加工→热处理→磨加工→内孔喷砂处理→粘贴自润滑材料。其中需要控制自润滑材料粘贴前，轴套基体的内径尺寸。2）铝芯轴：精车→外径测量。3）自润滑材料的硬化：铝芯轴装入粘贴自润滑材料的基体内孔→升温使自润滑材料硬化→试验件后用三坐标测量轴套内径尺寸。

该工序是最关键的部分，之前的各种准备都是为最终轴套自润滑材料硬化后，能够控制轴套内孔尺寸。升温过程如图2 所示，以常温25℃计算的，那么固化温度就应该以常温加热到预设温度，保温一段时间，然后随炉冷却。

图2 升温过程示意图

2.2 工艺参数设计与计算

自润滑材料由于强度和硬度比金属低很多，升温前弹性较好，那么升温至固化温度后，芯轴在高温下的尺寸会胀大到笔者设计的尺寸，根据热膨胀系数的不同，芯轴涨大量要大于轴套基体内孔涨大量，来挤压自润滑材料。保温一段时间后，自润滑材料会变硬。降温冷却后，芯轴和轴套基体都将会缩小，而轴套基体内径尺寸会回缩到常温状态，导致内孔略微变小。理想状态下，轴套基体常温下的内径尺寸，减去自润滑材料硬化时的厚度，就是最终的轴套内径尺寸。

芯轴与轴套尺寸截图如图3 所示，D、d 和X，这些尺寸是影响内孔尺寸公差的重要因素。由于轴套的轴承钢GCr15 基体和铝芯轴在半径方向上的膨胀是均匀的，那么就可以用平均线膨胀公式进行计算[3]，见公式（2）。

式中：Lt—升温后的径向尺寸。Lo—升温前的径向尺寸。α—该材料热膨胀系数。△T—温度改变量。

在保温温度下，轴套基体内径尺寸计算见公式（3）。

式中：dt—固化保温温度下未粘贴自润滑材料时轴套内径。do—固化前常温下未粘贴自润滑材料时轴套初始内径。α—轴承钢线性热膨胀系数。△T—保温温度与常温温度的差值。

芯轴外径尺寸计算公式，见公式（4）。

式中：Dt—保温温度下铝棒芯轴外径。Do—固化前常温下铝棒芯轴初始外径。β—铝线性热膨胀系数。△T—保温温度与常温温度的差值。

所以可得，保温温度下的自润滑材料厚度t=（Dt-dt）/2。

降温后回到常温状态，轴套基体内径尺寸恢复到do，那么最终轴套成品内径尺寸，见公式（5）。

式中：X—成品轴套内径尺寸。do—固化前常温下未粘贴自润滑材料时轴套初始内径。t—为常温温度。γ—自润滑材料线性热膨胀系数。△T—保温温度与常温温度的差值。

图3 芯轴与轴套尺寸示意图

表2 试验计算分析表

3 工艺试验及验证

根据工艺参数设计与计算，在Excel 表格中编制尺寸变化计算公式，见表2。公式的变化最主要的是要做到如下控制，即假定任意一个芯轴尺寸，列出变化工时输入Excel表格后对应的成品尺寸就会发生变化，数次修正之后成品尺寸栏可得到最接近成品中间值的尺寸，此时所得的尺寸为理想尺寸。

其中，保温温度T2是根据自润滑材料硬化温度、设备加热炉所能达到的温度、钢基体和芯轴在加热后材料组织是否会发生改变等影响因素，最终选择的温度数值。这是在试验计算分析表的编制过程中，需要确定的工艺参数。

在20～200℃范围内，轴承钢GCr15 的热膨胀系数用12.5、铝芯热膨胀系数用23.3 进行计算，较为接近实测数值。即使是同一种供应商提供的同一种材料，在不同批次供货时，膨胀系数也不会完全一样，我们对膨胀系数数值的选择无法做到精确。还有季节温度不同等各种限制条件，也会导致所使用材料的线膨胀系数存在一定误差[3]。所以在计算公式中要保留一栏作为消除偏差所用，再根据实际试验的结果来修正自己的公式，经过1～2 次修正后，可消除大部分的误差。进行具体的工艺试验时，内径尺寸试验结果与要求内径尺寸中间值的预设偏差Z，根据实际偏差调整工艺，消除偏差的方法见公式（6）。

式中：X—成品轴套内径尺寸。do—固化前常温下未粘贴自润滑材料时轴套初始内径。t—为常温温度。γ—自润滑材料线性热膨胀系数。△T—保温温度与常温温度的差值。Z—可能是负值。

根据工艺试验结果，调整预设的do和Do，即调整预设的轴套自润滑材料粘贴前的内孔尺寸do和芯轴外圆柱工作表面外径尺寸Do（调整Do会改变Dt的值），从而在表格计算公式的影响下，高温、常温下的各工艺参数的数值都会相应发生改变。重新试验并消除该偏差后，就能得到非常接近所需的成品内径尺寸。

4 效果及应用

工装设计和工艺技术的重点是控制内孔尺寸精度。用三坐标检验轴套的内孔尺寸及圆度，看是否能达到笔者所需的公差要求，在批量生产时可使用通止规进行测量。加工后需目测并抚摸表面，感觉光滑舒适即可，如图4 所示，外观即达到要求。

该文研究适用于内孔含自润滑材料钢轴套的内径尺寸控制，目的是满足设计性能要求，能够控制轴套内孔的尺寸精度。利用不同材料热膨胀系数不同，体积变化程度不同的原理，选择了较为合适和经济的原材料。通过设计、计算和调整，可以用少量的试验和调整，得到合适的工艺参数，避免前期依靠多次试验才能得到的结论，将减少试验次数，降低该类型轴套工艺试验所需的原材料成本、时间成本和人工成本，起到降本增效的效果。

图4 轴套内孔自润滑材料成品外观示意图