李軍利

（珠海城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 珠海 519090）

0 引言

流體軸承是一種精密的含油軸承，利用流體的靜壓原理，借助潤滑油的黏性和油在軸承副中形成液膜隔開兩摩擦表面并承受載荷的滑動(dòng)軸承。流體軸承靜止時(shí)軸與軸承是相互接觸的，在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)依靠壓力油膜把軸支承懸空實(shí)現(xiàn)平衡負(fù)載、隔離軸頸與軸套、潤滑等作用。流體軸承將金屬間的固體摩擦轉(zhuǎn)化為液體內(nèi)部的分子摩擦，將摩擦磨損降至最低限度，由于其具有無機(jī)械接觸、能在最大范圍內(nèi)滿足高速、輕載、振動(dòng)小、運(yùn)轉(zhuǎn)精度高、運(yùn)行噪聲小、使用壽命長（可達(dá)到40 000 h）等特點(diǎn)，因而在高轉(zhuǎn)速（可達(dá)10 000 r/min）的高精密主軸上得到了廣泛應(yīng)用。

小型精密流體軸承由于其產(chǎn)品體積小、精度高、加工困難、常規(guī)的加工設(shè)備和加工工藝不能滿足生產(chǎn)需要，因而常采用機(jī)械預(yù)加工和孔擠壓精加工相結(jié)合的方式，以滿足精密流體軸承的性能要求。不少學(xué)者對孔擠壓加工技術(shù)開展了相關(guān)研究。趙如福、金仁鋼、林大慶等［1-3］分析了擠壓加工的工藝因素，擠壓力的計(jì)算公式，擠壓速度和潤滑劑的選擇方法。張存鼎［4］討論了微電機(jī)內(nèi)孔擠壓加工工藝過程及其設(shè)備的設(shè)計(jì)選擇。徐云奎［5］通過分析內(nèi)孔擠壓變形理論，優(yōu)化了擠壓參數(shù)計(jì)算公式。吳?。?］分析了擠壓法加工內(nèi)孔的參數(shù)優(yōu)化問題。張洪雙、段曉飛［7］研究了擠壓加工孔壁殘余應(yīng)力和孔徑、板件厚度、擠壓強(qiáng)化過盈量等工藝參數(shù)之間的關(guān)系。

為了對小型精密流體軸承的內(nèi)孔進(jìn)行擠壓精加工和測量，本文基于擠壓法加工內(nèi)孔原理和傳感測量技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套精密流體軸承內(nèi)孔擠壓加工參數(shù)優(yōu)化算法和檢測系統(tǒng)，在進(jìn)行內(nèi)孔精密擠壓加工同時(shí)實(shí)現(xiàn)對內(nèi)孔徑的測量。

1 加工產(chǎn)品及參數(shù)

某型流體軸承產(chǎn)品示意圖如圖1所示，軸套內(nèi)孔加工有儲(chǔ)油油槽2、4、7和溝槽3、6。軸承套的材質(zhì)為青銅，外圓直徑dw為mm，內(nèi)孔直徑d2為φ3.378±0.001 mm，溝槽深度為0.005 mm。軸套底孔采用鉆孔、鉸孔預(yù)加工而成；油槽、溝槽均采用特殊的鏜刀加工。為了清除加工毛刺和提高加工、檢測生產(chǎn)效率，要求軸套內(nèi)孔的精加工實(shí)現(xiàn)兩個(gè)工序：一是完成表面研磨拋光；二是對軸套內(nèi)孔徑進(jìn)行測量和檢測，判斷軸承孔徑是否合格。

圖1 軸承圖

2 內(nèi)孔擠壓加工工藝參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 內(nèi)孔擠壓加工原理

球體擠壓法精加工內(nèi)孔是利用一個(gè)比待加工孔稍大的淬火鋼球在推桿的推力作用下通過預(yù)加工后尺寸有余量的內(nèi)孔，作為最后的精加工，如圖2所示。球體通過時(shí)，孔徑被加工到要求尺寸，孔壁被壓光，表面粗糙度減小，表面硬度和尺寸精度都將有所提升。

擠壓變形圖如圖3。擠壓時(shí)，鋼球與預(yù)加工孔存在擠壓過盈量K=d3-d1，孔表面則發(fā)生彈性變形K1=d3-d2和塑性變形K2=d2-d1。圖3中d1為擠壓前的孔徑；d2為擠壓后的孔徑；d3為鋼球直徑。

孔擠壓后的剩余塑性變形K2不僅與材料有關(guān)，而且還受材料的底孔直徑、孔壁厚度、熱處理程度等影響。要達(dá)到擠壓拋光的效果，就必須要使鋼球擠壓產(chǎn)生的壓力超過內(nèi)孔壁的屈服彈性極限壓力，否則擠壓鋼球退出后，內(nèi)孔產(chǎn)生的彈性變形全部恢復(fù)，達(dá)不到擠壓拋光的效果。擠壓過程中，當(dāng)鋼球與內(nèi)孔的過盈量超過內(nèi)孔壁開始屈服的過盈量時(shí)，內(nèi)壁的變形包括了擠壓工具退出后回復(fù)的彈性變形和使內(nèi)孔增大的剩余塑性變形；隨著過盈量的增大，塑性變形也不斷增大，這時(shí)的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系已不呈線性關(guān)系；而當(dāng)過盈量增大到一定值（外壁也進(jìn)入塑性變形時(shí)的極限位移量Ks）時(shí)，零件外壁的變形也進(jìn)入了塑性階段［5-7］。

過盈量的選擇應(yīng)盡可能靠近或稍大過零件外壁進(jìn)行塑性變形階段，因?yàn)檫@時(shí)彈性變形也趨于極限，塑性變形量將隨著過盈量增大而同步增大，擠壓前孔徑的變化偏差對所加工的孔徑變化影響很小，從而可穩(wěn)定地保證加工后的孔精度；但過盈量太大，會(huì)使金屬表面產(chǎn)生過大的塑性變形引起金屬的疲勞，反而使表面粗糙度惡化［8-9］。

圖2 孔擠壓加工圖

圖3 孔擠壓變形圖

2.2 加工過盈量K

首先計(jì)算極限情況下的過盈量，即外壁也進(jìn)入塑性變形時(shí)的極限位移量 Ks［5-6］為

式中：σs為材料的屈服極限，取170 MPa；G為材料的剪切彈性模量，取0.39×105MPa；dw為零件外圓直徑，為mm；d2為零件內(nèi)孔直徑，為 φ3.378±0.001 mm。

根據(jù)式（1）計(jì)算極限過盈量Ks為0.011 mm。查詢相關(guān)文獻(xiàn)［1，2，5］所推薦的過盈量值范圍為 0.04～0.06 mm，表明按照推薦過盈量值0.04～0.06 mm進(jìn)行擠壓加工時(shí)，流體軸承軸套內(nèi)孔壁和外壁均進(jìn)入塑性變形階段，擠壓加工效果較好，故選取加工過盈量為推薦值的下限值，即取K=0.04 mm。

2.3 擠壓加工塑性變形量

由于選取的加工過盈量K=0.04 mm已超出極限過盈量Ks=0.011 mm，故此時(shí)的擠壓彈性變形達(dá)到最大值，對應(yīng)的彈性變形應(yīng)變量［5，8］為

由式（2）計(jì)算極限彈性變形應(yīng)變量εs=3.33×10-3mm。

2.4 擠壓鋼球直徑

鋼球直徑取為［5-6］

式中：εs為材料的極限彈性變形應(yīng)變量；δ為零件孔的尺寸公差。

由式（3）確定擠壓鋼球直徑 d3為 φ3.3862mm，d3的尺寸偏差取對稱偏差為±0.000 5 mm，則選擇擠壓鋼球直徑 d3為mm。擠壓鋼球采用高硬度淬火鋼球。

2.5 擠壓前孔預(yù)加工直徑

擠壓前孔的預(yù)加工直徑［5-6］為

由式（4）確定擠壓前孔預(yù)加工直徑d1max為3.3747mm。

選取擠壓前孔預(yù)加工直徑d1的公差一般比成孔直徑d2的公差等級(jí)低一級(jí)［9］，一方面可提高精加工孔的表面粗糙度，另一方面也可提高孔的加工精度，選取擠壓前孔直徑 d1為mm。

2.6 擠壓速度

擠壓速度選取為1～1.5 m/min。

3 孔徑檢測

由于軸套孔的直徑為φ3.378±0.001 mm，形位公差要求為圓度公差0.000 5 mm，圓柱度公差0.000 75 mm，此要求較高，若采用常規(guī)量具或量規(guī)檢測費(fèi)時(shí)費(fèi)力，難以測量，并可能會(huì)對內(nèi)孔做成損傷，本文采用測量鋼球擠壓力法來進(jìn)行檢測。

測量原理：選取合適直徑的測量鋼球，在擠壓鋼球擠壓拋光內(nèi)孔后，將擠壓鋼球換成測量鋼球（如圖2），推桿推動(dòng)測量鋼球通過軸套內(nèi)孔，根據(jù)推桿壓力值，確定軸套孔是否符合要求。

測量鋼球直徑的選擇：測量鋼球直徑的選擇要使測量時(shí)的擠壓力不能超過孔的屈服彈性極限壓力，以保證測量后內(nèi)孔產(chǎn)生的彈性變形全部恢復(fù)。經(jīng)試驗(yàn)確定，本軸套選取測量鋼球直徑為φ3.380 3±0.000 5 mm。

設(shè)計(jì)傳感器的測量范圍為0～50 N，采用測量鋼球檢測內(nèi)孔時(shí)推桿的壓力范圍為25～32.3 N時(shí)，內(nèi)孔合格；否則為不合格。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

流體軸承內(nèi)孔擠壓加工與檢測系統(tǒng)流程圖如圖4。

基于系統(tǒng)流程圖，設(shè)計(jì)了基于PLC的擠壓加工和測量系統(tǒng)［10］（如圖5），對流體軸承套內(nèi)孔進(jìn)行了擠壓精加工和孔徑測量，系統(tǒng)使用表明，該技術(shù)加工精度高（表面粗糙度可達(dá) Ra0.63～Ra0.16）、速度快（4s/個(gè)）、檢測效果好，具有良好的使用和經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)語

本文基于擠壓法加工內(nèi)孔原理和傳感測量技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套精密流體軸承內(nèi)孔擠壓加工參數(shù)優(yōu)化算法和測量系統(tǒng)，提高了內(nèi)孔擠壓加工工藝參數(shù)的準(zhǔn)確性，解決了小型精密流體軸承軸套孔體積小、加工精度高、測量困難等問題，驗(yàn)證了算法和測量系統(tǒng)的有效性和正確性。

圖4 系統(tǒng)加工與檢測流程圖

圖5 加工與測量系統(tǒng)

［1］ 趙如福.金屬機(jī)械加工工藝人員手冊［M］.上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2006.

［2］ 金仁鋼.實(shí)用冷擠壓技術(shù)［M］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2005.

［3］ 林大慶.金屬擠壓加工技術(shù)探討［J］.中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2013（5）：165-165.

［4］ 張存鼎.內(nèi)孔擠壓在微電機(jī)生產(chǎn)中的應(yīng)用［J］.電機(jī)電器技術(shù)，1987（1）：9-15.

［5］ 徐云奎.內(nèi)孔擠壓加工的工藝參數(shù)設(shè)計(jì)［J］.機(jī)電工程，2001，18（4）：77-79.

［6］ 吳隆，吳曉薇.球體擠壓法精加工內(nèi)孔［J］.工具技術(shù)，2005，39（7）：78-79.

［7］ 張洪雙，段曉飛.孔擠壓強(qiáng)化和工藝參數(shù)研究［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2011（11）：111-113.

［8］ 劉百宣，孫紅星，劉華，等.汽車轉(zhuǎn)向器螺桿中心細(xì)長孔冷擠壓成形工藝研究［J］.鍛壓技術(shù)，2013，38（6）：128-131.

［9］ 嚴(yán)曉敏.針閥體中孔的冷擠壓加工設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械工程師，2011（12）：123-124.

［10］ 曾潔，左敦穩(wěn)，薛善良.內(nèi)螺紋冷擠壓加工工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)研究［J］.中國制造業(yè)信息化，2012，41（7）：25-29.