免组装滚动轴承的激光选区熔化增材制造研究*

李湘勤　吴伟辉　黄长征

( 韶关学院物理与机电工程学院，广东 韶关 512005)



免组装滚动轴承的激光选区熔化增材制造研究*

李湘勤吴伟辉黄长征

( 韶关学院物理与机电工程学院，广东 韶关 512005)

为通过免组装方法获得圆锥滚子轴承，建立了免组装圆锥滚子轴承几何模型，并成功采用激光选区熔化技术进行了免组装制造；对免组装轴承的运动性展开了实验验证，发现除因激光选区熔化工艺限制导致成型元件表面粗糙度值较大影响到元件受力不均外，轴承内部元件的相对运动性能满足轴承的运动功能需求，且随配合运动时间的延长，各元件的运动越发平稳。这为进一步增材制造其他免组装结构提供了借鉴。

增材制造;激光选区熔化; 免组装机构; 滚动轴承

免组装机构是指在计算机中将机构预先组装好，然后直接制造出来，免去后续的组装工序的机构[1]。现今已广为应用的增材制造亦称为快速成型或3D打印技术[2]，有别于传统的机加工方式，该技术通过逐点成线、逐线成层、逐层堆积成体这样一个原理来实现零件的直接制造，由于成型几乎不受结构复杂程度影响及成型精度的提高，当前采用增材制造技术直接制造免组装机构已成为可能。例如，Mavroidis等[3]采用光固化成型和选区激光烧结增材制造工艺成型了旋转关节、球形关节和线性关节； Cali等[4]采用选区激光烧结增材制造工艺成型了免组装机械手。在金属零件成型方面，激光选区熔化(selective laser melting,SLM)增材制造工艺有着十分独特的优势[5-7]。例如制造出的零件具有完全冶金结合组织、具有较高的成型精度、成型零件结构特征几乎不受限制等。因此，采用SLM技术十分适合直接成型要求配合精度较高的免组装金属部件。但即使SLM工艺可以直接制造具有复杂结构的金属组件，以此工艺直接制造免组装机构仍需要针对SLM工艺特点以及免组装机构模型功能需求研究合适的免组装机构间隙特征、支撑方式及成型工艺参数，这方面的研究已有不少学者展开了研究。SU等[8]研究了基于激光选区熔化成型免组装机构的数字化设计规则，初步分析了间隙摆放位置对成型的影响，并成功针对SLM工艺设计及制造出万向节、曲柄滑块机构等免组装机构；刘洋等[1]等采用SLM技术对激光选区熔化成型免组装机构的间隙特征进行了研究；王迪等[9]研究了免组装机构的设计工艺。

轴承作为机械产品中的具有较高精度的标准件，起着支撑轴、减小摩擦阻力的作用，避免了轴与座孔直接接触，减缓了轴与座孔直接触接导致摩损后间隙得不到补偿而引起摩擦阻力增大、回转精度降低、噪声增大等现象。圆锥滚子轴承因其承载能力大，且可同时承受径向载荷与轴向载荷，在使用轴承的场合有着广泛应用。传统的轴承生产制造，是通过冲压、铸造、车削等多道工序对轴承内部的单一元件进行逐个加工，并最终进行装配而成，其工序复杂、耗时、耗材。为此，本文研究利用激光选区熔化增材制造工艺，结合圆锥滚子轴承的功能要求，展开了免组装圆锥滚子轴承的设计制造。

1　免组装圆锥滚子轴承的几何模型构建

图1所示为单列圆锥滚子轴承，由外圈、内圈、保持架和滚动体四部分组成。圆锥滚子轴承的外圈一般可分离。

选用哈尔滨轴承制造有限公司所生产的型号为32904x的圆锥滚子轴承(文后统一简称为装配轴承)为几何模型原型展开免组装轴承的结构设计，其主要尺寸参数值如表1。

由于单列圆锥滚子轴承的外圈可以分离，且外圈结构相对简单、加工容易，在尝试对圆锥滚子轴承进行激光选区熔化直接免组装制造时，不考虑外圈，即只研究采用激光选区熔化技术对无外圈的圆锥滚子轴承进行免组装设计制造。

表132904型圆锥滚子轴承主要尺寸参数值

参数dDTBC值/mm203712129

为了便于实验结果对比和分析，设计了两种免组装轴承几何模型。一种是直接在现有装配轴承基础上，不加任何几何形状的改动，仅在计算机内对各元件组装形成的免组装三维几何模型，如图2a所示。另一种是在装配轴承外形基础上作了形状变动的三维几何模型，如图2b所示。对免组装机构而言，添加支撑结构则影响机构元件之间的相对运动，但对激光选区熔化工艺而言，零件在成型过程中必须保持固定。为此，图2b所示的几何模型改变了保持架大端的几何形状，针对图2a几何模型修改外形设计，使保持架大端相对滚动体大端的部位，由原来的圆弧段变为内凹圆弧段，使得圆锥滚子大端底面露在保持架外部的面积增加，这样支撑更方便添加到滚动体上及成型后更容易去除滚动体上的支撑。

在轴承的设计中，圆锥滚子轴承的滚动体与保持架及内圈的配合间隙是保证圆锥滚子轴承能否正常运转的关键。成功实现圆锥滚子轴承运动功能的主要判断标准是：(1)成型后圆锥滚子轴承的保持架能否绕内圈自由转动；(2)成型后滚动体与内圈及保持架能否牢固装配在一起，不出现滚动体脱落的情况。

鉴于激光选区熔化成型件一般表面粗糙度较径机械加工工艺加工的要差很多，并且存在需要对比装配轴承及免组装轴承单个元件成型精度的情况，这里对于滚动体圆锥面与保持架及内圈的配合间隙可采用下式控制：

ε=εb+Δε

(1)

式中：ε为滚动体圆锥面与保持架及内圈的配合间隙；εb为基础间隙量，取为40 μm；Δε为补偿间隙量。间隙补偿量可通过对STL模型进行二维切片时添加刀具补偿量灵活调节，增加补偿量，则配合间隙增大，减少补偿量，则配合间隙减小。

对图2a所示的几何模型，为使将成型后免组装轴承的滚动体、保持架及内圈能相互分离，以便对比装配轴承与免组装轴承各零件的成型效果，采用了稍大的滚动体圆锥面与保持架及内圈的配合间隙刀具补偿量，设为：0.125 mm；图2b所示的几何模型，为防止滚动体滑出保持架，采用了较小的滚动体圆锥面与保持架及内圈的配合间隙刀具补偿量，值为0.03 mm。圆锥滚子轴承的滚动体的两端面与保持架间的间隙通过三维模型计算机内装配得到，图2a所示的圆锥滚子两端面与保持架的距离设为相等，都取为0.4 mm；对图2b所示模型，为方便去除成型后的支撑，加大了圆锥滚子轴承大端端面与保持架的间隙，取为0.6 mm，小端端面与保持架间不用设计支撑，不存在去除支撑的问题，因此小端端面与保持架的间隙取小值，为0.2 mm。

2　支撑设计

在激光选区熔化成型过程中，由于在粉床上成型[10]，为了防止成型过程中已固化成型金属下陷、移动，需要再对悬置的结构施加必要的支撑。对圆锥滚子轴承，除了对保持架和内圈底部需要添加支撑外，由于滚动体悬置在保持架的孔中，且与内圈有一段间隙，为了保证滚动体在成型过程中不发生移动，需要对滚动体添加结构支撑(图3)。

对图2a所示的几何模型建立的支撑结构如图3a所示。因为型号为32904的圆锥滚子轴承的滚体动较小，滚动体底端露出在保持架外面的面积也较小，所以对滚动体的支撑结构只能从内圈与保持架之间的间隙穿过，与滚动体相接，达到支撑滚动体的目的，对单个滚动体施加的支撑结构如图3c所示，采用了易于穿越细小间隙的线型支撑单元。图2b所示的几何模型的支撑结构如图3b所示；对单个圆锥滚子施加的支撑结构的几何形状如图3d所示，为更好地固定滚动体，采用了接触面积更大的块状支撑单元，并且为方便成型后取下支撑，将支撑设置在保持架底面轮廓之外。

3　实验设备、材料及方法

轴承的免组装直接制造实验采用韶关学院研制的Metal3DP-100激光选区熔化设备，激光器为200W光纤激光器，聚焦光斑为30～50 μm；所用原材料为325目316L不锈钢球形粉末；采用高纯氮气作为保护气体，氧含量控制在0.02%以下；采用304不锈钢作为成型基板；两次实验的加工参数和扫描策略如表2所示。

4　结果与讨论

采用上述方法和实验条件得到的免组装圆锥滚子轴承1和与装配轴承的对比结果如图4所示。

图2a所示免组装圆锥滚子轴承1几何模型通过激光选区熔化成型后得到的实验结果与装配轴承对比如图4a所示。从实验结果可以看出，经激光选区熔化成型技术得到的圆锥滚子轴承与原装配轴承在形状上无异，但表面粗糙度存在较大差异。

表2加工参数和扫描策略

项目值功率/W140扫描速度/(mm/s)支撑310勾边350填充350扫描间距/mm0.078层厚/μm30扫描策略X-Y正交

另外，图4a所示的免组装圆锥滚子轴承1支撑非常难以拆除。实验发现，内圈与保持架被中间的支撑结构牢固地连在一起，但因为模型采用的刀具补偿量较大，所以成型得到的保持架孔与滚动体之间的间隙较大，滚动体可以穿过保持架上的孔，这使得成型后可通过强力使滚动体与支撑脱离，从保持架上的孔内拆除出来，然后再转动内圈和保持架，使内圈和保持架与各支撑分离。图4b是免组装圆锥滚子轴承1的内圈与装配轴承内圈对比效果图，图4c是免组装圆锥滚子轴承1的保持架与装配轴承的保持架对比效果图，图4d是免组装圆锥滚子轴承1的圆锥滚动体与装配轴承的圆锥滚动体对比效果图。从对比结果可以看出，激光选区熔化成型出的免组装圆锥滚子轴承各单一元件几何特征明显，与装配轴承几何形状一致。通过实际测量，发现X-Y方向的成型精度较高，达到±0.05 mm/10 mm，能维持轴承元件旋转所需的间隙量，并且滚动体也能被牢固地约束在内圈及保持架间；Z向由于多个元件底部受添加支撑的影响，成型精度稍差，为±0.17 mm/10 mm,但由于Z向采用的设计间隙量较大，因此，轴承元件相对运动也不受影响。

图5是图2b所示的免组装圆锥滚子轴承2几何模型的成型结果图。针对性设计的内凹圆弧保持架大端底面形状以及将圆锥滚动体大端端面与保持架间隙取大值的措施，使得成型后支撑很容易脱离免组装件，稍加振动，即可使支撑与免组装元件间的连接断开；由于采用了较小的配合间隙，滚动体不能脱离保持架的约束，但可在保持架及内圈间灵活滚动。

固定图5所示的免组装圆锥滚子轴承2的内圈，并套上轴承的外圈(实验所用外圈为装配轴承的外圈)，旋转外圈，发现外圈能灵活不受阻碍地相对内圈转动，很好地实现了滚动轴承的功能。

为了展示经激光选区熔化成型技术得到的免组装轴承实际运动效果，在免组装圆锥滚子轴承2特定部位进行画线标识，圆锥滚动体在最外部画上一条直线作为初始位置标记，如图6a所示，同时，在内圈、保持架和外圈上端同一侧画上一条共线标识，作为内圈、保持架和外圈初始相对位置的标记，如图6a和图6b所示。固定内圈，使外圈相对内圈顺时针转动，如图6c所示，当外圈相对内圈转动半圈后，其保持架和滚动体位置变化情况如图6c和图6d所示，可以看出滚动体、保持架、内圈和外圈都发生了明显的相对位置变动，其中保持架相对内圈转过了1/4圈以上，各圆锥滚动体转过的角度不一样，实验出现有些滚动体转过了一圈，有些滚动体不足一圈，有些滚动体转过的角度很小，主要原因是经激光选区熔化技术得到的圆锥滚子轴承各元件表面粗糙度值较大，因受力不均，导致滚动体之间转过的角度差异较大。但是，这并不影响对于轴承运动功能至关重要的内圈、保持架及外圈间的相对运动，因此轴承内部元件的相对运动性能满足轴承的运动功能需求。

尽管免组装圆锥滚动轴承各元件初始表面粗糙度不如装配轴承元件，但免组装轴承各元件的配合运动并不存在明显抖动，这是由于激光选区熔化工艺是一种具有较高成型精度增材制造工艺，其成型件的表面粗糙度可达到Ra为30 μm左右[10]，因而在采用合理的间隙设计基础上，免组装轴承元件的配合运动表现较好。

此外，令免组装圆锥滚动轴承的各元件持续运转一段时间，发现经长时间配合研磨，免组装轴承各元件的表面粗糙度值逐渐变小，元件的运动越来越平稳。

5　结语

(1)通过研究工程上批量生产的圆锥滚子装配轴承结构，建立了免组装圆锥滚子轴承几何模型，并成功进行激光选区熔化增材制造。

(2)将获得的免组装轴承与装配轴承作对比发现采用激光选区熔化增材制造免组装金属滚动轴承各元件配合运动较平稳，并且随配合时间的延长，免组装轴承各元件的表面粗糙度值逐渐变小，元件的运动越来越平稳。

(3)对免组装轴承运动性能展开了实验验证，结果表明除因激光选区熔化工艺限制导致成型元件表面粗糙度值较大影响到元件受力不均外，轴承内部元件的相对运动性能满足轴承的运动功能需求。

[1]刘洋,杨永强,王迪,等. 激光选区熔化成型免组装机构的间隙特征研究[J]. 中国激光，2014(11):1103007-1-1103007-8.

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[4]Cali J,Calian D A, Amati C, et al. 3D-printing of non-assembly, articulated moels[J].ACM Transactions on Graphics,2012,31(6):1-8.

[5]张升. 医用合金粉末激光选区熔化成形工艺与性能研究[D].武汉：华中科技大学,2014:90-100.

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(编辑孙德茂)

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Research on selective laser melting of a non-assembly rolling bearing

LI Xiangqin, WU Weihui, HUANG Changzheng

(School of Physics and Mechanical & Electrical Engineering, Shaoguan University, Shaoguan 512005, CHN)

In order to obtain tapered roller bearing by non-assembly method, non-assembly geometric model of tapered roller bearing was established, then directly manufactured using selective laser melting technology; the motion function of the non-assembly bearing was verified by experiments, and the result shows that except for the phenomenon of uneven stress sustained in each component which forms because of poor surface roughness of metal part made by selective laser melting process, the relative movement of internal components can meet the demand of motion function of rolling bearing; and with the extension of movement time, motion of each element of the no-assembly rolling bearing becomes more and more stable. This provides a reference for the further additive manufacturing of other non-assembly structure.

additive manufacturing; selective laser melting; non-assembly mechanism; rolling bearing

TG665;TH133

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.08.023

李湘勤，男，1989年生，硕士，主要研究方向为机械结构设计、计算结构力学。

2016-04-12)

160834

* 广东省高等学校优秀青年教师培养计划资助项目(Yq2013149) ; 广东高校优秀青年创新人才培养计划项目(2013LYM_0083); 广东省重大科技专项项目(2012A090300011)