超大型剖分三排圆柱滚子转盘轴承加工工艺

赵瑞瑞

(洛阳LYC轴承有限公司 特大型轴承事业部，河南 洛阳 471039)

随着海工装备技术日趋成熟，海工行业大型起重机已经向超大尺寸、超大吨位发展，与其配套的转盘轴承直径达10 m以上。该直径段的转盘轴承结构多为剖分式，其优点是便于运输、储存及拆装，缺点为需要多次拆分、拼接，加工工艺复杂，加工精度难以保证，故需确定合适的加工工艺。

1 超大型剖分三排圆柱滚子转盘轴承结构

某剖分三排圆柱滚子转盘轴承结构如图1所示，采用阶梯搭接，轴向用铰制螺栓定位连接(图2)的方式组合成整体内、外圈，装配后轴承内圈沿内径方向展开示意图如图3所示。

1—外齿圈剖分段二；2—第2内圈剖分段二；3—第2内圈剖分段一；4,7—铰制螺栓；5—内圈剖分段二;6—内圈剖分段一；8—外齿圈剖分段一图1 剖分三排圆柱滚子转盘轴承结构示意图Fig.1 Structure diagram of split three-row cylindrical roller slewing bearings

1—内圈；2—铰制螺栓图2 内圈连接示意图Fig.2 Diagram of inner ring connection

1—内圈剖分段二;2—内圈剖分段一图3 内圈沿内径方向展开示意图Fig.3 Diagram of inner ring expanding along inner diameter direction

该剖分轴承最大外径为12.377 6 m，高度为0.6 m，最大壁厚为489 mm，内外圈共分为18段。技术要求：装配高为(600±2)mm，轴向游隙为1.2～1.8 mm，径向游隙为0.5～1.2 mm， 轴向跳动不大于0.6 mm，径向跳动不大于2 mm[1-3]。

2 加工难点

1)轴承直径超出机床工作台加工范围。

2)在推力滚道上剖分切口会与滚子素线形成一定夹角，使滚子能通过切口。为保证齿轮强度受影响小，将外齿圈剖分切口切在齿槽底中心位置，增大了铣连接面及拼接整圆的难度。

3)剖分轴承直径大，加工过程中剖分段因自重下坠倾斜，两端面及轴向滚道平面度、倾斜度大，径向滚道椭圆度、锥度超出工艺要求，装配后轴承旋转精度不能满足要求。

4)外齿圈淬火面总长度为490 mm，属大截面滚道淬火。整圈淬火时剖分段会出现不规则变形(图4)，变形后无法拼接成整圆，影响后序加工。整圈淬火后接缝处应力较大，套圈会从接缝处脱开。整圈尺寸大，淬火机床回转困难。

图4 套圈淬火变形示意图Fig.4 Diagram of quenching deformation of ring

5)轴承质量大，剖分轴承拼接时接缝处径向及圆周方向间隙不易调整。

6)剖分轴承直径大、零件多，修磨滚道配制游隙时修磨次数多，需频繁吊装、拼接。

7)剖分轴承直径大，刀具切削时间长，且在接缝处出现断续切削，传统高速钢材料刀刃易磨损，不能满足要求。

3 方案制定

3.1 工装夹具

剖分轴承在胎具上加工，为便于吊装，胎具也采用剖分结构。整个胎具分为4段,连接方式为上下搭接，轴向用锥销定位，加双排螺钉紧固(图5)。胎具材料选用具有较高屈服强度和抗拉强度的ZG380-510铸钢，保证胎具刚度[2]。胎具为剖分轴承加工提供了可靠的刚性支承，可减小各工序加工变形，保证加工精度。

1—锥销;2—连接螺钉图5 胎具连接示意图Fig.5 Diagram of moulds connection

为拓展机床加工范围，重新制作专用方箱、支座以及配套的T形块、螺杆、挡板、压板、垫块等，解决了大直径轴承超范围加工问题。

3.2 装夹方式

加工时要考虑胎具与剖分轴承的装夹方式，以内圈主推力滚道加工为例，内圈装夹如图6所示。方箱底部设计2排连接孔，通过螺栓与机床工作台连接。卡爪将胎具卡紧并用压板固定。内圈放置在胎具上，长挡板顶紧外径面，压板压紧内圈端面。胎具和内圈进行轴向和径向定位，固定点数量是轴承分段数的3倍，防止零件加工中出现平移。

1—方箱；2—卡爪；3—T形螺杆；4—长压板；5—内圈；6—胎具；7,9,13—六角螺钉；8—长挡板；10,12—T形块；11—垫块图6 内圈装夹示意图Fig.6 Diagram of inner ring clamping

3.3 拼接整圆

剖分面为台阶形状，要求拼接轴向间隙不大于0.1 mm，径向间隙不大于0.3 mm。拼接会影响轴承加工精度，因此要保证外齿圈剖分切口在齿槽底中心位置。工艺上选择先划出成品齿形及精铣连接面剖分线(图7)，其轴向和圆周贴合面均在数控龙门铣床上加工。通过程序设定、预先模拟调整每段弧长及2个结合面的角度和尺寸，多次研配结合面以确保连接精度，待连接整圆后依次配对编号。

1—成品齿形；2—粗铣齿形；3—剖分线图7 精铣连接面示意图Fig.7 Diagram of fine milling of connection surface

剖分轴承在加工中需多次吊装、拼接、拆分，为保证成品连接精度，在前工序加工时采用小尺寸的工艺锥锥孔，通过锥销对每段连接点定位后连接加工。终加工时将定位锥销孔加工成铰制螺栓孔，保证零件连接可靠。

3.4 淬火方案

选取分段、分面淬火。为方便吊装，淬火前加工吊装孔。为减小淬火变形，在套圈上设置端面台阶，胎具设置凹槽(配合间隙1～2 mm)进行限位。另外，在胎具上加工与套圈吊装孔位置一致的螺纹孔，用螺钉将套圈与胎具固定(图8)。

1—胎具；2—连接螺钉；3—外齿圈图8 淬火时零件放置示意图Fig.8 Diagram of part placement during quenching

3.5 整形方案

淬火后每段曲率不规则，不成正圆，总趋势为外圈弦长减小，内圈弦长增大。套圈壁厚较大，淬火后需进行热整形。整形要求如下：

1)对比淬火前、后每段弦长变化，确定整形量，选定整形位置；

2)火焰温度为700～800 ℃，加热时控制加热面积，防止产生新的变形，加热后浇注冷却液；

3)粗整形，以实际弦长为依据(不需要在机床上进行)；

4)精整形，边整形边测量每段圆周跳动(在机床上进行)，使每段均符合工艺要求；

5)整形后测量每段尺寸是否达到整形要求。

3.6 装配方案

剖分轴承精加工、装配均以淬火、整形后每段连接面处轴向、径向间隙做为拼接基准。装配方案：先吊取第2内圈，按编号依次完成拼接，通过径向定位夹具调整径向间隙(图9)，通过周向定位夹具(图10)调整圆周方向间隙，然后用校对样板内圈半径R2(图11)校验接缝处曲率，通过铰制螺栓连接，完成第2内圈装配。再按照常规三排圆柱滚子转盘轴承的装配方法组装成整套轴承。内、外圈装配方法参考第2内圈。

1—第2内圈；2—螺栓；3—夹具图9 径向定位夹具示意图Fig.9 Diagram of radial positioning fixture

1—螺纹孔定位销；2—螺杆；3—光孔定位销图10 周向定位夹具示意图Fig.10 Diagram of circumferential positioning fixture

图11 校对样板Fig.11 Check sample

调整径向间隙时，将夹具放置在套圈端面上，螺杆顶紧轴承内、外径面，通过螺杆调节。调整圆周方向间隙时,将螺纹孔定位销与光孔定位销分别放在连接缝处的2个安装孔内，通过螺杆紧固调节。

3.7 轴承游隙

通过轴向游隙推算所需加工的内、外圈轴向滚道尺寸，可减少滚道修磨次数，从而减少吊装、拼接次数，提高加工效率。轴向游隙计算示意图如图12所示，轴向游隙Ga=b+c-a-d1-d2。

1—外齿圈；2—第2内圈；3—内圈图12 轴向游隙计算示意图Fig.12 Diagram of axial clearance calculation

剖分轴承分段拼接，每段外齿圈会因自重下坠倾斜，普通三点测量轴向游隙已不适用[4]。轴向游隙测量示意图如图13所示，虚线、实线分别为轴承组装后的实际位置和理论位置。千斤顶与百分表位置均会对轴向游隙产生影响，测得A点值比B点大，B点值更接近实际游隙。采用单点测量轴向游隙，千斤顶与百分表位置靠近轴承内圈，在每段中间部位及连接缝处各取1个点，共计12个点或更多，取其平均值作为实测轴向游隙。

径向游隙的配制：试配初始径向游隙→确定滚子尺寸→修磨滚子。

径向游隙的测量：第2内圈、轴向滚子与外圈装配后，在连接缝处及每段中间部位(共计12处)，装入径向滚子(为保证径向游隙测量准确，采取无间隔并排滚子，要求每组滚子数量不少于30粒)，测量径向滚子与内、外圈间隙，取其平均值作为实测径向游隙。

1—内圈胎具；2—第2内圈；3—内圈；4—百分表；5—外齿圈；6—圆形支座；7—千斤顶图13 轴向游隙测量示意图Fig.13 Diagram of axial clearance measurement

3.8 选择刀具及加工参数

精加工余量小，可使用带涂层的硬质合金刀具完成车削，该刀具硬度达69～81 HRC,车削平稳，耐磨性好，切削速度是普通高速钢的4～7倍，提高了加工效率。硬质合金刀具加工参数为：机床转速2 r/min，进给量0.4～0.7 mm/r。

滚道表面淬火后硬度为57～62 HRC，终磨滚道前先硬车去除滚道淬火变形较大部位，可减小后续磨加工留量，大幅提高加工效率。硬车使用立方氮化硼(CBN)刀具完成以车代磨。CBN是超硬刀具材料，硬度高和耐磨性好，用于对淬硬钢(硬度45～65 HRC)的精加工，也可用于精车断续表面，但在断续加工中，不能使用冷却液[5]。CBN刀具加工参数为：机床转速2.5 r/min，进给量0.08～0.2 mm/r。

4 确定工艺流程

4.1 初步工艺流程

根据剖分轴承的结构特点，初步确定工艺流程：锻件→粗车→铣连接面→拼接整圆→钻、铰工艺锥销孔→半精车→滚道表面淬、回火→整形→精车→钻孔→硬车滚道→终磨→配游隙→装配。

该流程存在以下问题：1)粗车切除材料较多，应力不能完全释放；2)淬火后变形量(端面翘曲、径向跳动)大，影响后序加工；3)热整形温度高，整形部位有较大内应力，易出现裂纹。

4.2 优化工艺流程

对上述问题分析，认为剖分轴承加工重点是要控制热处理变形，保证整形质量，最终确定优化后的工艺流程为：锻件→粗车→去应力退火→半粗车→粗铣连接面→振动时效→精铣连接面→拼接整圆→钻、铰工艺锥销孔→半精车→钻、攻吊装孔→附加回火(温度170 ℃±10 ℃，炉内保温4 h±0.5 h)→滚道表面淬、回火(温度170 ℃±10 ℃，炉内保温8 h±0.5 h)→整形→附加回火→精车→钻孔→硬车滚道→终磨→配游隙→装配。

优化后的工艺流程具有以下优点：1)淬火前增加附加回火，可及时消除或减小前工序产生的残余应力，进而减小淬火变形；2)热整形后增加附加回火，可防止整形开裂。

5 实际加工效果

采用优化工艺加工后轴承的各项技术指标检测结果见表1，满足技术要求。轴承交付使用后，未发现异常现象。

表1 轴承成品检测结果Tab.1 Test results of finished bearing mm