关节轴承开缝引裂不良装配崩裂原因探究及对策

时间：2024-05-17

郑志耀

（福建龙溪轴承（集团）股份有限公司，福建漳州 363000）

郑志耀

（福建龙溪轴承（集团）股份有限公司，福建漳州 363000）

开缝型关节轴承引裂合套时，常发生因引裂不良或外圈弹性不足引起崩裂破损，在引裂缝位置发生小崩块缺损，导致报废。本文针对开缝型关节轴承引裂不良，装配破损产生的原因进行分析，并提出相应的对策。

关节轴承；引裂开缝不良；装配崩裂破损

关节轴承属于滑动轴承，主要由一个外球面内圈和一个内球面外圈组成。一般用于低速重载的摆动运动、倾斜运动和旋转运动。相对于滚动轴承，其结构简单，体积小，承载能力大，广泛应用于工程机械、重型汽车、农业机械、航空航天、矿山冶金、印刷、纺织、铁路、船舶等领域。近几年关节轴承应用领域不断延伸，在建筑、桥梁上也大量使用。

早期的关节轴承（GE…DS型），外圈带有装配槽，内圈磨有一条环形带，易于拆卸、互换，使用一段时间可更换磨损件，延长轴承的使用。但这种结构类型的产品，也由于其有装配槽，环形带不利于产品的加工和发挥产品性能。随着产品的更新换代，GE…DS型已是淘汰型的产品，已被单缝向心关节轴承GE…ES或剖分型向心关节轴承GE…XS取代。GE…ES型关节轴承的特点是外圏有一条裂缝，内圏靠挤压装入外圈。GE…XS是剖分型关节轴承，其特点是将外圈剖分对等两半，再与内圈进行配套。这两种类型产品是关节轴承最主要类型，它们都属于开缝型的关节轴承产品。它们共同的特点：在外圏端面或内倒角上加工有引裂槽（如图1所示），作为引裂源，在配套前，利用冲床或油压机将外圈引裂开来，再进行装配合套。

开缝型关节轴承产品，材质一般选用Gcr15或Gcr15SiMn轴承钢，在外圏端面或内倒角上加工有一条或一对引裂槽，如图2所示。外圈引裂纹一般采用冲床或油压机给外圈施加压力，引裂槽槽底尖角处产生应力集中效应，使槽底尖端的裂纹扩展，沿轴承外圈形成轴向贯穿裂缝，一条或对边裂开这一过程称为“引裂”。由于材料引裂过程受很多因素影响，常出现引裂不良，直接影响到后面产品装配。根据长期生产加工经验，引裂不良会影响到产品的外观质量，造成配套崩裂，直至报废，是关节轴承加工中产生废品，主要报废损失之一。因此，研究解决开缝式关节轴承引裂不良，装配破损，对提高关节轴承加工的经济效益和使用性能，具有重大的意义。根据公司几十关节轴承生产经验，关节轴承在引裂装配工序，出现引裂不良，破损主要：引裂不开、引裂缝歪斜、不直，引裂面不平整装配合套时出现崩裂，单缝外圈却一分为二，甚至崩裂成多块碎片，引裂缝上崩掉一小块，引裂缝出现毛边等，如图3所示。

通过十几年来对开缝型关节轴承生产过程引裂不良或装配合套出现崩裂、破损跟踪调查探究，基本掌握其产生的原因，提出应对的措施对策，来避免该质量问题发生或降低其不合格率。

一、开缝型关节轴承生产过程引裂不良或装配合套出现崩裂、破损的原因分析

开缝型关节轴承，在外圈上开有很小的应力缺口，通常讲的引裂槽，如图2所示，在装配合套过程，外圈须先经引裂，在油压机或冲床上对外径施压，使其在应力缺口处开裂，形成贯穿裂缝，然后再合套，形成一件单品。单缝向心关节轴承GE…ES型产品合套时，还要在油压机或冲床上，利用外圈的弹性形变，将内套挤进外圈，完成合套。由于材料引裂过程较复杂，受很多因素影响，在引裂合套过程中，常发生引裂不良，破损，如引裂不开、引裂缝歪斜、不直，引裂面不平整，装配合套时出现崩裂，单缝外圈却一分为二。甚至崩裂成多块碎片，引裂缝上崩掉一小块，引裂缝出现毛边等。严重影响产品的外观和使用性能。本人通过十几年对开缝型关节轴承生产过程引裂不良或装配合套出现崩裂、破损跟踪调查，原因归结为四大原因：①外圈材料内在质量，弹性或韧性不足；②引裂槽没有加工好；③装配方式不当；④尺寸设计不合适。在实际生产加工过程，造成引裂不良，破损，可能是单独因素发生作用，也有可能是几个因素同时发生，综合起作用。综合因素起作用，存在原因不易查找。

1.外圈材料内在质量，弹性或韧性不足

外圈材料的内在质量最为关键，是决定性的。从外圈的内在因素分析，外圈必须具备一定的弹性应变能力和抗冲击能力，方可确保外圈在开缝或在装配时发生脆性破坏。套圈的弹性应变能力和抗冲击能力取决于其内在质量。而内在质量的形成过程包括原材料、锻造、退火、最终热处理（淬火、回火）工艺和磨加工等各环节。不管哪个环节出了问题，都可能造成外圈的弹性和韧性不足。材料内在质量，弹性或韧性不足，按调查分析，原材料不良、工件内应力没有消除充分和大型号热处理没有淬透居多。

1.1原材料不良

原材料好坏很关键，有缺陷的原材料，如存在夹杂物、带状超标，碳化物形态及其分布不良，在后续的锻造、热处理又无法消除，则必然影响最终轴承套圈的内在质量，造成弹性或韧性不足。此缺陷往往会造成套圈引裂不良和出现崩裂、破损。原材料好坏对套圈引裂合套的影响，跟踪过GEG40ES/K产品，这种产品外圏很厚，用普通Gcr15轴承钢和SKF3兴澄特钢进行对比，普通Gcr15轴承钢到后来的引裂合套，采用各种装配措施，用上缓冲装置，不良破套率依然很高，达20%，而用SKF3兴澄特钢来生产，不良破套率很低。

1.2锻造、热处理

套圈内在组织除了跟原材料有关外，与锻造、热处理工艺（正火、退火、淬火、回火）密切相关。锻造工艺不当，温度控制、冷却方式不当，造成网状碳化物，或退火工艺不当造成过热、欠热组织，均可使套圈在最终热处理以后，使组织的缺陷遗留下来，降低套圈材料的弹性和韧性。套圈热处理（淬火、回火），是确保其内在组织的最关键工序。不当的淬、回火工艺，造成组织不良，直接影响到套圈的弹性和韧性。淬、回火工序造成弹性或韧性不足，可能有：淬、回火温度设定不合适，回火硬度过高，回火时间不足，工件内应力削除不充分等。

1.3疲劳加工、时效不足

疲劳加工、时效不足，套圈残余应力大，也容易造成套圈的韧性下降，造成引裂不良或装配合套出现崩裂、破损。时效不足，特别要引起重视，生产加工出现过，赶任务时，如表面磷化处理刚结束不久，就马上安排引裂、合套，出现引裂不良，叫停后，过两天再来引裂合套，一切正常。

2.引裂槽质量

开缝型关节轴承外圈，一般在车削加工后（淬火前），在外圈上开一个很小的应力缺口，称为引裂槽，引裂槽有两种类型，平冲引裂槽、钭冲引裂槽，如图2所示。外圈引裂开缝，正是应用其在外圈受力时，产生应力集中，从缺口处裂开来，形成贯穿裂缝。引裂槽设计加工的质量，直接影响开缝合套的质量。从加工经验，开缝引裂不良、崩裂破损一半是由于引裂槽质量原因造成，所以要重视引裂槽的加工质量。

（a）引裂槽的开口位置一定要与外圈断面成垂直方向，通过圆心，如果稍有偏斜，就容易导致外圈开缝偏斜或崩裂；

（b）引裂槽槽底一定要尖利，不能圆钝，如果圆钝不易形成应力集中，会造成引裂不开，如果强行引裂会造成引裂缝不直，引裂面不平整，装配合套时，易产生引裂缝出现小崩裂，崩掉一小块或引裂缝出现毛边等。

（c）引裂槽深度太浅，也不利于应力集中，影响外圈的开裂。

3.引裂、装配方式不当

装配工艺或操作方法，对外圈开缝、装配也会产生影响。根据外圈开裂的原理，开裂是对外圈施压，从引裂槽缺口应力集中点开裂开来，所以引裂的时候，套圈应调整好，摆正，使应力缺口先受力。若开缝时应力缺口没有对正，则会使裂缝发生拐曲，导致缝口不平齐，在配套时，缝口易发生崩裂。另外对压力机的冲头行程，加以控制，冲头下压调整到刚能将套圈引裂开就好，如果行程过低，会使工件在开缝以后仍承受较大的冲击力而破裂成两半。

4.撑开比值设定

关节轴承尺寸设计上影响装配的环节主要有两个，一个是外圈内倒角处入口直径尺寸（记为D1）和内圈球径的尺寸（记为dk1）。将内圈球径的尺寸减去外圈入口处倒角直径尺寸的差值，与入口处倒角直径尺寸的比值，称为撑开比记为KL。

公式：撑开比记为KL=（dk1-D1）/ D1

如果撑开比值设计过高，则装配时要求外圈的张口大，如果超出外圈的弹性应变极限，合套时使外圈破裂。撑开比过大，外圈破裂一般呈现一分为二裂开；如果撑开比值过小会影响产品使用性能，所以制订工艺时要设定好撑开比值。根据开缝型关节轴承几十年的生产经验，撑开比设定7%～9%较适宜。