整形方式对卷制滑动轴承精度特性的影响

徐伟，马少波，蒋秀凡，焦明华

(1.合肥波林新材料有限公司，合肥 230031；2.合肥工业大学 摩擦学研究所，合肥 230009)

1 引言

卷制滑动轴承通常采用覆有减摩改性塑料层的三层复合自润滑材料或者钢-铜合金双金属等复合材料板材卷制成形，具有优秀的使用性能和良好的性价比，在各种机械结构中不断得到推广应用[1-2]。为了生产出用在高压齿轮泵上的高精度三层复合材料卷制滑动轴承(图1)，对其制造过程进行了深入研究，实践表明影响轴承精度的因素除了板材、模具之外，整形是提高卷制滑动轴承几何和形位精度的主要手段。在此通过几种整形方式的探讨分析，希望最终优化一种能获得较高轴承几何精度的整形方法。

图1 高压齿轮泵用高精度卷制滑动轴承

2 整形工艺分析

对卷制滑动轴承的整形实质就是冷挤压变形，挤压力的大小与模具的形状及加压面积，坯料在挤压条件下的力学性能、变形程度，润滑效果等因素有关[3]。挤压产生的塑性变形使轴承坯料形状发生改变，不同的整形方式对坯料产生的塑性变形不同，坯料的形状改变亦存在差别，从而直接导致轴承精度差异。

卷制滑动轴承的主要工艺流程为：板材→校平→落料→圈圆→整形→后加工→检验→包装。在其他条件相同的情况下，分别对3种整形方式进行整形效果的对比分析。这3种整形方式分别为外箍内胀式整形，内、外圆同时推入式整形，内撑外箍贯穿式整形。

2.1 外箍内胀式整形

外箍(静)内胀(动)式整形是一种常规的通用整形方式(图2)，分3个步骤完成：(1)送料，用凸模把已圈圆的轴承坯件送到凹模腔中；(2)整形，轴承坯在凹模腔中保持不动，采用整形芯棒从上至下挤压并穿过轴承内孔进行整形；(3)脱模，再次用凸模将轴承推出凹模，完成整形过程。

图2 外箍内胀式整形

在送料和脱模过程中，凸模芯棒部分的直径略小于轴承内孔的理论尺寸，主要起导向作用，轴承坯受到的挤压力很小。而整形芯棒的直径略大于轴承内孔尺寸，整形时轴承外表面在凹模腔中保持不动，整形余量主要集中在内孔表面，当整形芯棒从上至下挤压轴承坯内孔时，强迫使其发生塑性变形，使其圆度等相关精度得到提高。该整形方式一般用于手动模整形工艺，其优点在于不需专用工装，模具制作也相对简单。

2.2 内、外圆同时推入式整形

内、外圆同时推入式整形分2个步骤进行(图3)：(1)送料并整形，上凸模下压，把轴承坯推入芯棒与凹模之间的模腔，同时利用轴承壁厚的过盈进行施压整形，直至轴承坯全部进入模具整形带后停止继续向下运动；(2)上凸模回程，同时下凸模向上运动把轴承胚顶出模腔，完成整形过程。

图3 内、外圆同时推入式整形

在内、外圆同时推入的整形过程中，凹模与芯棒之间的模腔间隙是固定的，轴承坯在上凸模的作用下向下运动，轴承坯内、外圆表面同时受到凹模和芯棒的挤压，使轴承坯的整形余量分布在内孔和外圆2个表面，当轴承坯全部进入模腔后，整形效果也同时产生。采用该整形方式将凹模与芯棒安装在专用模架上，可用于半自动或自动整形。该整形方式也具备较高的生产效率，但整形摩擦力较大。

2.3 内撑外箍贯穿式整形

内撑(静)外箍(动)贯穿式整形与外箍内胀式整形正好相反，整形过程中轴承的内孔表面与凸模芯棒不发生相对运动，而轴承外圆表面在凹模腔中滑动，并且送料、整形和脱模一步到位。如图4所示，在整形过程中，凸模芯棒首先导入轴承坯内孔，并继续下压把轴承坯推入芯棒与凹模之间的模腔，对轴承坯施压整形，同时凸模一直向下运动把轴承顶出模腔，完成整形过程。

图4 内撑外箍贯穿式整形

该整形方式可将凸模与凹模安装在专用模架上，实现半自动或自动整形，整形操作简单、生产效率高。而整形时凸模推动轴承坯自上而下贯穿凹模，使轴承坯的变形集中在外圆表面，避免了轴承内孔滑动表面的损伤。

3 整形结果讨论

3.1 整形方式对轴承精度的影响

由于卷制滑动轴承在自由状态下有一定的弹性变形，需要专门制作的测量环规进行几何精度检测。测量时将轴承压入环规内，用内径千分表测量内孔尺寸精度和圆柱度；再压入专用芯轴，夹持到偏摆仪上用千分表检测轴承的同轴度和跳动精度。对3种整形方式获得的轴承样件进行内孔表面几何和形位精度检测，测量结果见表1。

表1 3种整形方式下轴承精度检测结果 mm

从表1的检测数据可知，采用外箍内胀的整形方式加工的轴承几何和形位精度较差，主要原因在于芯棒与凹模位置不固定，芯棒下穿时容易偏摆游动，致使轴承整体精度下降。相对而言，内、外圆同时推入式整形可以明显提高轴承的几何和形位精度，但缺陷在于整形过程中轴承的内、外壁同时产生滑动摩擦和挤压剪切变形，需要的整形力较大；而且在整形过程中模具的磨损以及整形材料表面的损伤也可能相对较大。而内撑外箍的整形方式可以获得最好的几何和形位精度。与另外2种整形方式相比，内撑外箍式整形轴承的圆柱度可提高2～4倍，同轴度可提高1～2倍。这种整形方式能够使轴承获得较高的精度，首先在于凸模与凹模模腔的高精度配合，整形时模具不容易发生游动或偏摆，整形模腔间隙保持均匀，能够对轴承壁厚进行整定；再者在于整形时芯棒与轴承内孔无相对运动，芯棒磨损甚微,且不易损伤轴承内孔滑动表面复合层，因此通过提高芯棒的制造精度可以很好地控制轴承内孔的精度，由此保证良好的整形效果。

3.2 整形方式对轴承工作表面变形的影响

卷制滑动轴承在整形时不仅要承受挤压应力，而且当内、外圆表面与整形模具有相对运动时还会产生摩擦剪切应力，并影响到轴承表面结构形态。图5～图8分别给出了整形前、后卷制滑动轴承横截面的金相照片，可以看出，经过整形的卷制滑动轴承靠近内表面的中间层铜粉形状都发生了不同程度的畸变。其中采用外箍内胀和内、外圆同时推入式整形的卷制滑动轴承，靠近内表面的中间层铜粉在挤压和剪切应力的协同作用下，由近似球形的原始形态变成了不规则的扁平形状，密实地靠在一起(图6、图7)；而采用内撑外箍贯穿式整形的卷制滑动轴承仍保持着相对较好的结构形态(图8)。

图5 整形前卷制滑动轴承内层截面

图6 外箍内胀式整形后轴承内层截面

图7 内、外同时推入式整形后轴承内层截面

图8 内撑外箍贯穿式整形后轴承内层截面

对于三层自润滑复合材料，多孔隙的铜粉中间层不仅是承受轴承载荷的主体，也是嵌合保持表层自润滑材料附着性的载体[4]，因此，卷制滑动轴承制作过程中铜粉中间层的变形情况对于轴承的使用性能都有着重大影响。综合比较表明，采用内撑外箍贯穿式整形加工的卷制滑动轴承不仅能够获得理想的几何精度，而且对于维持铜粉层的孔隙率，保证表面自润滑材料的嵌合性和改善其使用性能也有良好的促进作用。

4 结束语

采用内撑外箍式整形时轴承的内孔表面与芯棒不发生相对运动，凸模芯棒推动轴承坯自上而下贯穿凹模，送料、整形和脱模一步到位，不仅操作简单、生产效率高，而且可避免轴承内孔滑动表面的过度变形和损伤，对于改善表面自润滑材料的附着性，提高卷制滑动轴承的综合使用性能有着良好的促进作用。与传统的外箍内胀式整形相比，采用内撑外箍式整形可以使卷制滑动轴承的圆柱度提高2～4倍，同轴度提高1～2倍，满足了一般精密滑动轴承的使用要求。