關(guān)節(jié)軸承開縫引裂不良裝配崩裂原因探究及對策

鄭志耀

（福建龍溪軸承（集團(tuán)）股份有限公司，福建 漳州 363000）

關(guān)節(jié)軸承開縫引裂不良裝配崩裂原因探究及對策

鄭志耀

（福建龍溪軸承（集團(tuán)）股份有限公司，福建 漳州 363000）

開縫型關(guān)節(jié)軸承引裂合套時(shí)，常發(fā)生因引裂不良或外圈彈性不足引起崩裂破損，在引裂縫位置發(fā)生小崩塊缺損，導(dǎo)致報(bào)廢。本文針對開縫型關(guān)節(jié)軸承引裂不良，裝配破損產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的對策。

關(guān)節(jié)軸承；引裂開縫不良；裝配崩裂破損

關(guān)節(jié)軸承屬于滑動軸承，主要由一個(gè)外球面內(nèi)圈和一個(gè)內(nèi)球面外圈組成。一般用于低速重載的擺動運(yùn)動、傾斜運(yùn)動和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。相對于滾動軸承，其結(jié)構(gòu)簡單，體積小，承載能力大，廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械、重型汽車、農(nóng)業(yè)機(jī)械、航空航天、礦山冶金、印刷、紡織、鐵路、船舶等領(lǐng)域。近幾年關(guān)節(jié)軸承應(yīng)用領(lǐng)域不斷延伸，在建筑、橋梁上也大量使用。

早期的關(guān)節(jié)軸承（GE…DS型），外圈帶有裝配槽，內(nèi)圈磨有一條環(huán)形帶，易于拆卸、互換，使用一段時(shí)間可更換磨損件，延長軸承的使用。但這種結(jié)構(gòu)類型的產(chǎn)品，也由于其有裝配槽，環(huán)形帶不利于產(chǎn)品的加工和發(fā)揮產(chǎn)品性能。隨著產(chǎn)品的更新?lián)Q代，GE…DS型已是淘汰型的產(chǎn)品，已被單縫向心關(guān)節(jié)軸承GE…ES或剖分型向心關(guān)節(jié)軸承GE…XS取代。GE…ES型關(guān)節(jié)軸承的特點(diǎn)是外圏有一條裂縫，內(nèi)圏靠擠壓裝入外圈。GE…XS是剖分型關(guān)節(jié)軸承，其特點(diǎn)是將外圈剖分對等兩半，再與內(nèi)圈進(jìn)行配套。這兩種類型產(chǎn)品是關(guān)節(jié)軸承最主要類型，它們都屬于開縫型的關(guān)節(jié)軸承產(chǎn)品。它們共同的特點(diǎn)：在外圏端面或內(nèi)倒角上加工有引裂槽（如圖1所示），作為引裂源，在配套前，利用沖床或油壓機(jī)將外圈引裂開來，再進(jìn)行裝配合套。

開縫型關(guān)節(jié)軸承產(chǎn)品，材質(zhì)一般選用Gcr15或Gcr15SiMn軸承鋼，在外圏端面或內(nèi)倒角上加工有一條或一對引裂槽，如圖2所示。外圈引裂紋一般采用沖床或油壓機(jī)給外圈施加壓力，引裂槽槽底尖角處產(chǎn)生應(yīng)力集中效應(yīng)，使槽底尖端的裂紋擴(kuò)展，沿軸承外圈形成軸向貫穿裂縫，一條或?qū)吜验_這一過程稱為“引裂”。由于材料引裂過程受很多因素影響，常出現(xiàn)引裂不良，直接影響到后面產(chǎn)品裝配。根據(jù)長期生產(chǎn)加工經(jīng)驗(yàn)，引裂不良會影響到產(chǎn)品的外觀質(zhì)量，造成配套崩裂，直至報(bào)廢，是關(guān)節(jié)軸承加工中產(chǎn)生廢品，主要報(bào)廢損失之一。因此，研究解決開縫式關(guān)節(jié)軸承引裂不良，裝配破損，對提高關(guān)節(jié)軸承加工的經(jīng)濟(jì)效益和使用性能，具有重大的意義。根據(jù)公司幾十關(guān)節(jié)軸承生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，關(guān)節(jié)軸承在引裂裝配工序，出現(xiàn)引裂不良，破損主要：引裂不開、引裂縫歪斜、不直，引裂面不平整裝配合套時(shí)出現(xiàn)崩裂，單縫外圈卻一分為二，甚至崩裂成多塊碎片，引裂縫上崩掉一小塊，引裂縫出現(xiàn)毛邊等，如圖3所示。

通過十幾年來對開縫型關(guān)節(jié)軸承生產(chǎn)過程引裂不良或裝配合套出現(xiàn)崩裂、破損跟蹤調(diào)查探究，基本掌握其產(chǎn)生的原因，提出應(yīng)對的措施對策，來避免該質(zhì)量問題發(fā)生或降低其不合格率。

一、開縫型關(guān)節(jié)軸承生產(chǎn)過程引裂不良或裝配合套出現(xiàn)崩裂、破損的原因分析

開縫型關(guān)節(jié)軸承，在外圈上開有很小的應(yīng)力缺口，通常講的引裂槽，如圖2所示，在裝配合套過程，外圈須先經(jīng)引裂，在油壓機(jī)或沖床上對外徑施壓，使其在應(yīng)力缺口處開裂，形成貫穿裂縫，然后再合套，形成一件單品。單縫向心關(guān)節(jié)軸承GE…ES型產(chǎn)品合套時(shí)，還要在油壓機(jī)或沖床上，利用外圈的彈性形變，將內(nèi)套擠進(jìn)外圈，完成合套。由于材料引裂過程較復(fù)雜，受很多因素影響，在引裂合套過程中，常發(fā)生引裂不良，破損，如引裂不開、引裂縫歪斜、不直，引裂面不平整，裝配合套時(shí)出現(xiàn)崩裂，單縫外圈卻一分為二。甚至崩裂成多塊碎片，引裂縫上崩掉一小塊，引裂縫出現(xiàn)毛邊等。嚴(yán)重影響產(chǎn)品的外觀和使用性能。本人通過十幾年對開縫型關(guān)節(jié)軸承生產(chǎn)過程引裂不良或裝配合套出現(xiàn)崩裂、破損跟蹤調(diào)查，原因歸結(jié)為四大原因：①外圈材料內(nèi)在質(zhì)量，彈性或韌性不足；②引裂槽沒有加工好；③裝配方式不當(dāng)；④尺寸設(shè)計(jì)不合適。在實(shí)際生產(chǎn)加工過程，造成引裂不良，破損，可能是單獨(dú)因素發(fā)生作用，也有可能是幾個(gè)因素同時(shí)發(fā)生，綜合起作用。綜合因素起作用，存在原因不易查找。

1.外圈材料內(nèi)在質(zhì)量，彈性或韌性不足

外圈材料的內(nèi)在質(zhì)量最為關(guān)鍵，是決定性的。從外圈的內(nèi)在因素分析，外圈必須具備一定的彈性應(yīng)變能力和抗沖擊能力，方可確保外圈在開縫或在裝配時(shí)發(fā)生脆性破壞。套圈的彈性應(yīng)變能力和抗沖擊能力取決于其內(nèi)在質(zhì)量。而內(nèi)在質(zhì)量的形成過程包括原材料、鍛造、退火、最終熱處理（淬火、回火）工藝和磨加工等各環(huán)節(jié)。不管哪個(gè)環(huán)節(jié)出了問題，都可能造成外圈的彈性和韌性不足。材料內(nèi)在質(zhì)量，彈性或韌性不足，按調(diào)查分析，原材料不良、工件內(nèi)應(yīng)力沒有消除充分和大型號熱處理沒有淬透居多。

1.1原材料不良

原材料好壞很關(guān)鍵，有缺陷的原材料，如存在夾雜物、帶狀超標(biāo)，碳化物形態(tài)及其分布不良，在后續(xù)的鍛造、熱處理又無法消除，則必然影響最終軸承套圈的內(nèi)在質(zhì)量，造成彈性或韌性不足。此缺陷往往會造成套圈引裂不良和出現(xiàn)崩裂、破損。原材料好壞對套圈引裂合套的影響，跟蹤過GEG40ES/K產(chǎn)品，這種產(chǎn)品外圏很厚，用普通Gcr15軸承鋼和SKF3興澄特鋼進(jìn)行對比，普通Gcr15軸承鋼到后來的引裂合套，采用各種裝配措施，用上緩沖裝置，不良破套率依然很高，達(dá)20%，而用SKF3興澄特鋼來生產(chǎn)，不良破套率很低。

1.2鍛造、熱處理

套圈內(nèi)在組織除了跟原材料有關(guān)外，與鍛造、熱處理工藝（正火、退火、淬火、回火）密切相關(guān)。鍛造工藝不當(dāng)，溫度控制、冷卻方式不當(dāng)，造成網(wǎng)狀碳化物，或退火工藝不當(dāng)造成過熱、欠熱組織，均可使套圈在最終熱處理以后，使組織的缺陷遺留下來，降低套圈材料的彈性和韌性。套圈熱處理（淬火、回火），是確保其內(nèi)在組織的最關(guān)鍵工序。不當(dāng)?shù)拇恪⒒鼗鸸に?，造成組織不良，直接影響到套圈的彈性和韌性。淬、回火工序造成彈性或韌性不足，可能有：淬、回火溫度設(shè)定不合適，回火硬度過高，回火時(shí)間不足，工件內(nèi)應(yīng)力削除不充分等。

1.3疲勞加工、時(shí)效不足

疲勞加工、時(shí)效不足，套圈殘余應(yīng)力大，也容易造成套圈的韌性下降，造成引裂不良或裝配合套出現(xiàn)崩裂、破損。時(shí)效不足，特別要引起重視，生產(chǎn)加工出現(xiàn)過，趕任務(wù)時(shí)，如表面磷化處理剛結(jié)束不久，就馬上安排引裂、合套，出現(xiàn)引裂不良，叫停后，過兩天再來引裂合套，一切正常。

2.引裂槽質(zhì)量

開縫型關(guān)節(jié)軸承外圈，一般在車削加工后（淬火前），在外圈上開一個(gè)很小的應(yīng)力缺口，稱為引裂槽，引裂槽有兩種類型，平?jīng)_引裂槽、鈄沖引裂槽，如圖2所示。外圈引裂開縫，正是應(yīng)用其在外圈受力時(shí)，產(chǎn)生應(yīng)力集中，從缺口處裂開來，形成貫穿裂縫。引裂槽設(shè)計(jì)加工的質(zhì)量，直接影響開縫合套的質(zhì)量。從加工經(jīng)驗(yàn)，開縫引裂不良、崩裂破損一半是由于引裂槽質(zhì)量原因造成，所以要重視引裂槽的加工質(zhì)量。

（a）引裂槽的開口位置一定要與外圈斷面成垂直方向，通過圓心，如果稍有偏斜，就容易導(dǎo)致外圈開縫偏斜或崩裂；

（b）引裂槽槽底一定要尖利，不能圓鈍，如果圓鈍不易形成應(yīng)力集中，會造成引裂不開，如果強(qiáng)行引裂會造成引裂縫不直，引裂面不平整，裝配合套時(shí)，易產(chǎn)生引裂縫出現(xiàn)小崩裂，崩掉一小塊或引裂縫出現(xiàn)毛邊等。

（c）引裂槽深度太淺，也不利于應(yīng)力集中，影響外圈的開裂。

3.引裂、裝配方式不當(dāng)

裝配工藝或操作方法，對外圈開縫、裝配也會產(chǎn)生影響。根據(jù)外圈開裂的原理，開裂是對外圈施壓，從引裂槽缺口應(yīng)力集中點(diǎn)開裂開來，所以引裂的時(shí)候，套圈應(yīng)調(diào)整好，擺正，使應(yīng)力缺口先受力。若開縫時(shí)應(yīng)力缺口沒有對正，則會使裂縫發(fā)生拐曲，導(dǎo)致縫口不平齊，在配套時(shí)，縫口易發(fā)生崩裂。另外對壓力機(jī)的沖頭行程，加以控制，沖頭下壓調(diào)整到剛能將套圈引裂開就好，如果行程過低，會使工件在開縫以后仍承受較大的沖擊力而破裂成兩半。

4.撐開比值設(shè)定

關(guān)節(jié)軸承尺寸設(shè)計(jì)上影響裝配的環(huán)節(jié)主要有兩個(gè)，一個(gè)是外圈內(nèi)倒角處入口直徑尺寸（記為D1）和內(nèi)圈球徑的尺寸（記為dk1）。將內(nèi)圈球徑的尺寸減去外圈入口處倒角直徑尺寸的差值，與入口處倒角直徑尺寸的比值，稱為撐開比記為KL。

公式：撐開比記為KL=（dk1-D1）/ D1

如果撐開比值設(shè)計(jì)過高，則裝配時(shí)要求外圈的張口大，如果超出外圈的彈性應(yīng)變極限，合套時(shí)使外圈破裂。撐開比過大，外圈破裂一般呈現(xiàn)一分為二裂開；如果撐開比值過小會影響產(chǎn)品使用性能，所以制訂工藝時(shí)要設(shè)定好撐開比值。根據(jù)開縫型關(guān)節(jié)軸承幾十年的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，撐開比設(shè)定7%～9%較適宜。

二、采取的應(yīng)對措施、對策

對上述導(dǎo)致開縫型關(guān)節(jié)軸承裝配過程出現(xiàn)引裂不良、合套崩裂破損的諸原因進(jìn)行探討以后，就比較容易找到相應(yīng)的對策了。針對外圈的彈性和韌性不足、引裂槽質(zhì)量、尺寸設(shè)計(jì)不合理及裝配工藝不當(dāng)?shù)人拇笤颍扇∠鄳?yīng)的對策。

1.確保套圈材料內(nèi)在質(zhì)量.

1.1把好鋼材原材料的質(zhì)量關(guān)。對白點(diǎn)、顯微裂紋、夾雜物超標(biāo)、碳化物形態(tài)及其分布不良的原材料，要嚴(yán)禁投產(chǎn)。

1.2鍛造時(shí)，嚴(yán)格按加熱、冷卻規(guī)范進(jìn)行，控制好鍛造加熱溫度及鍛后冷卻速度，杜絕鍛造過熱、過燒及網(wǎng)狀碳化物產(chǎn)生。

1.3退火工序要嚴(yán)格把關(guān)，避免過熱或欠熱退火組織產(chǎn)生，確保工件淬火前具備良好的金相組織、狀態(tài)。

1.4熱處理淬回火是確保工件的質(zhì)量的關(guān)鍵。制定最佳的淬火、回火工藝，確保工件具備足夠的彈性和韌性。熱處理淬回火質(zhì)量，很大程度靠熱處理設(shè)備來保證?？梢酝ㄟ^采購較好的熱處理設(shè)備來保證。

1.5時(shí)效保證，避免疲勞加工。大型號的套圈在磨削過程，可以考慮增加一道互加回火，消除套圈磨削產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。

2.保證引裂槽質(zhì)量

引裂槽設(shè)計(jì)加工的質(zhì)量，直接影響開縫合套的質(zhì)量，所以要對沖槽工序進(jìn)行重點(diǎn)控制。

2.1在外圈端面上平?jīng)_引裂槽，槽底應(yīng)與端面平行，槽底的延長線通過中心；引裂槽應(yīng)尖且表面對稱。引裂槽的開口位置一定要保證與外圈斷面成垂直方向，通過圓心。通過加強(qiáng)工序檢驗(yàn)來保證。

2.2鈄沖引裂槽，槽底應(yīng)與套圈端面傾角105°左右，采用工裝來保證，深度尺寸應(yīng)嚴(yán)格控制。要確保引裂槽深度過倒角。

2.3引裂槽槽底一定要尖利，不能圓鈍?？梢詫_刀實(shí)行限量加工，加工一定數(shù)量強(qiáng)行換刀。

2.4引裂槽深度、角度進(jìn)行保證。沖刀可以考慮采用統(tǒng)一制作，保證引裂槽角度。通過加強(qiáng)工序檢驗(yàn)來保證。

3.采用合適的引裂、裝配方式

采用合適的引裂、裝配方式，可以減少外圈在引裂開縫時(shí)的破裂。引裂開縫時(shí)，擺正套圈，使對外圈施壓的力，對準(zhǔn)引裂槽缺口，讓應(yīng)力缺口產(chǎn)生應(yīng)力集中，開裂。

3.1設(shè)計(jì)簡易的引裂工裝。

3.2合套時(shí)可以采用緩沖裝置。緩沖裝置消除合套時(shí)，外圏張開，回彈時(shí)，在引裂縫處產(chǎn)生的崩裂。

4.選用合適的撐開比值

制訂產(chǎn)品尺寸工藝時(shí)，要考慮產(chǎn)品的撐開比。在滿足性能要求的條件下，盡量降低外圈內(nèi)倒角處入口直徑與內(nèi)圈球面直徑的比值，根據(jù)開縫型關(guān)節(jié)軸承幾十年的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，撐開比設(shè)定7%～9%較適宜。以保外圈倒角是圓滑過渡。

結(jié)語

總而言之，造成開縫型關(guān)節(jié)軸承裝配過程引裂不良，崩裂破損的原因是多方面的，有時(shí)材料開裂較復(fù)雜，難于控制。只要采取以上的應(yīng)對措施，能有效地避免崩裂、破損的現(xiàn)象發(fā)生。

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