一种直升机旋翼专用自润滑关节轴承及其加工方法与流程

本发明涉及自润滑关节轴承领域，尤其涉及一种高速轻载的直升机旋翼专用自润滑关节轴承及加工方法。

背景技术：

关节轴承又称球面滑动轴承，主要由一个带内球面的外圈和一个带外球面的内圈组成。根据润滑类型可以分为非自润滑关节轴承和自润滑关节轴承。自润滑关节轴承是指内、外圈摩擦副之间含有固体自润滑材料的关节轴承，使用过程中通过材料转移方式，形成自润滑材料与转移膜间的摩擦关系，实现关节轴承低摩擦系数和自润滑作用。因其结构简单，低摩擦系数、承载能力强和后期维护简便等特点在需要摆动或旋转的结构中广泛使用，如操作仪表、飞机起落架。根据摆动工作频率的高低，自润滑关节轴承分为低速重载和高速轻载自润滑关节轴承。其中高速轻载自润滑关节轴承一般只在直升机旋翼系统中使用，而低速重载自润滑关节轴承的应用范围相对较广。直升机旋翼系统使用的高速轻载自润滑关节轴承工况条件：轴承的名义接触压力在20MPa左右，平均滑动速度在0.1m/s，所得到的pv值2.1MPa.m/s左右。

目前，传统的自润滑关节轴承内、外圈一般采用不锈钢、铝合金、铍青铜和钛合金等金属材料制成，自润滑衬垫的材料主要成分是聚四氟乙烯PTFE的编织织物。但是在一些复杂的使用工况下，传统自润滑关节轴承的性能很难满足使用需求。比如直升机旋翼使用的自润滑关节轴承，既要保证正常的高频压摆运动，又要具有良好的耐受高低温、盐雾和沙尘等性能，达到长寿命和高可靠性指标要求。

由于陶瓷材料具有良好的耐磨性、热稳定性、抗腐蚀性，以及高硬度、密度小和自润滑效果等特性，本发明设计了一种高速轻载的直升机旋翼专用自润滑关节轴承及加工方法，既满足了高频率摆运动条件，又增强轴承的耐磨性、抗腐蚀性、热稳定性和抗变形能力，使其寿命和可靠性得到极大提升。

技术实现要素：

针对现有技术中的自润滑关节轴承在复杂使用条件下很难满足使用要求的问题，本发明提供一种直升机旋翼专用自润滑关节轴承及其加工方法。

所述的一种直升机旋翼专用自润滑关节轴承，包括外圈、自润滑衬垫、内圈和套设在内圈内部用于支撑内圈和外圈的金属轴套，其中，外圈为金属材质且内表面为内凹的回转球面I；内圈的外表面为外凸的回转球面II，回转球面II大小与回转球面I相匹配；自润滑衬垫设置在回转球面I与回转球面II之间，金属轴套包括左金属轴套和右金属轴套，其特征是：左金属轴套和右金属轴套之间可拆卸固定连接；内圈为陶瓷材质，该内圈的内表面中部设置有环形凸台，环形凸台设置在左金属轴套和右金属轴套之间形成的环形凹槽内之间。

进一步的，所述的左金属轴套和右金属轴套的内侧顶端分别设置有环形的缺口I和环形的缺口II；缺口I与缺口II形成小于或等于环形凸台宽度的环形凹槽；左金属轴套内回转面为圆柱面I；右金属轴套内回转面为圆柱面II；圆柱面I的直径与圆柱面II的直径相对应。

进一步的，左金属轴套中圆柱面I的外部以圆柱面I的轴线为准均布螺纹通孔；右金属轴套上设置有螺纹盲孔，且螺纹盲孔的位置、大小、数量与螺纹通孔对应。

一种如上所述的直升机旋翼专用自润滑关节轴承的加工方法，包括以下步骤：

s1：利用锥形研磨技术对内圈的毛坯进行粗研磨、半精研磨、精研磨、超精研磨和抛光得到带有环形凸台的内圈；

s2：在加工中心对金属轴套的铸件毛坯进行粗车、半精车、钻孔、铣槽、磨削和热处理工艺加工出带有缺口I、缺口II的左金属轴套、右金属轴套；在左金属轴套上设置六个螺纹通孔，在右金属轴套上设置与螺纹通孔相对应的螺纹盲孔；螺纹通孔上设置螺栓；

s3：装配内圈：将s2步骤得到的的左金属轴套的缺口I、右金属轴套的缺口II相对放置形成环状凹槽，将s1步骤得到的内圈的环形凸台放置于环状凹槽内，并通过螺栓调整夹紧力；

s4：自润滑衬垫与外圈粘接：用丙酮清洗自润滑衬垫的外表面和s3步骤得到的外圈的内表面，室温快速固化环氧胶粘剂将自润滑衬垫粘接在该外圈内表面，粘接后在室温下固化0.5～1个小时；

s5：装配s3步骤中获得的内圈和s4步骤获得的外圈：将s3步骤中获得的内圈同轴向放入s4步骤获得的外圈中，并利用两半凹模闭式挤压模具进行定位固定；

s6：使用液压力对s5步骤中得到的两半凹模闭式挤压模具进行加压，使得外圈内表面逐渐成型与内圈外表面紧密配合，然后对挤压成形外圈进行整形加工；挤压过后的外圈内表面和内圈外表面之间存在有间隙，再通过关节轴承滚压工艺对外圈外表面进行多次循环滚压，消除间隙，直至达到配合精度要求。

进一步的，所述的s1步骤中的粗研磨的工艺：将内圈毛坯按最大尺寸分组，在研磨压力8～15N/个，研磨速度800～2500r/min，磨粒粒度170#～200#条件下研磨使毛坯件的批直径变动量2～2.5μm，球形误差为2μm，波纹度达到0.15～0.3μm，粗糙度达到0.8μm；

所述的s1步骤中的半精研磨的工艺：将粗研磨后的陶瓷内圈，在研磨压力6～10 N/个，研磨速度为450～800r/min，磨粒粒度为W40、W10条件下研磨，可使其精度达到：批直径变动量为0.8μm，直径变动量为0.7～1.0μm，球形误差为0.8μm，波纹度为0.05μm，粗糙度为0.2μm；

所述的s1步骤中的精研磨的工艺：将半精研磨后的内圈，在研磨压力3～6 N/个，研磨速度160～270r/min，磨粒粒度为W5条件下研磨，可使其精度达到：批直径变动量为0.4μm，直径变动量为0.4～0.5μm，球形误差0.4μm，波纹度0.02～0.03μm，粗糙度0.05μm；

所述的s1步骤中的超精研磨的工艺：将精研磨后的内圈，在研磨压力1～2 N/个，研磨速度<160r/min，磨粒粒度为W1、W0.5的条件下研磨，可使其精度达到：批直径变动量0.13μm，直径变动量0.1μm，球形误差0.1μm，波纹度0.009μm，粗糙度0.02～0.03μm；

所述的s1步骤中的抛光的工艺：将超精研磨后的内圈，在研磨压力0.5～1 N/个，研磨速度<160r/min，磨粒粒度Fe2O3条件下研磨，可使其精度达到：批直径变动量0.13μm，直径变动量0.1μm，球形误差0.1μm，波纹度0.009μm，粗糙度0.01～0.02μm；抛光工序过后，内圈3的精度至少达到G5。

优选的，自润滑衬垫为织物型自润滑衬垫，由PTFE纤维和芳纶纤维编织而成。

本发明的有益效果是：本发明将内圈上设置的环形凸台利用螺栓夹持在左金属轴套和右金属轴套形成的轴套之间，构成结构简单。采用螺栓紧固方式调整夹紧力，方便可靠，同时还具有以下优点：

本发明由于内圈结构陶瓷部分的高硬度，不易被自润滑材料脱落的硬质颗粒或外部异物划伤，能使自润滑材料更好地粘附在内圈外球面，形成稳定的自润滑润滑膜，增加润滑效果，降低摩擦系数，极大地延长了轴承的寿命。

本发明由于内圈结构陶瓷部分的良好热稳定性，高低温环境或长时间工作时不会因工作温度的变化发生明显变形，保证了轴承良好的尺寸稳定性和接触面受载的均匀性。

本发明由于内圈结构陶瓷部分的高耐磨性，可以极大降低内圈外球面的磨损，保证了接触面的曲率半径，始终使接触面以最大面积接触，能有效的降低接触应力，延长自润滑关节轴承的使用寿命。

本发明内圈混合式结构提高了自润滑关节轴承的抗腐蚀和抗氧化的能力。

本发明内圈混合结构能够极大的延长关节轴承的使用寿命，这就使得关节轴承的更换频率降低，可以有效节约成本。

附图说明

图1是本发明的截面图。

图2是s1步骤示意图。

图3是s2步骤中左金属轴套示意图。

图4是s2步骤中右金属轴套示意图。

图5是s3步骤示意图。

图6是s4步骤示意图。

图7是s5步骤示意图。

图8是s6步骤示意图。

其中，1. 外圈；2. 自润滑衬垫；3. 内圈；4. 右金属轴套；5. 螺栓；6. 螺纹通孔；7. 左金属轴套；8. 螺纹盲孔；9. 凹模闭式挤压模具。

101. 回转球面I；301. 回转球面II；302. 环形凸台；401. 缺口II；402. 圆柱面II；701.缺口I；702.圆柱面I。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步的说明。

所述的一种直升机旋翼专用自润滑关节轴承，包括外圈1、自润滑衬垫2、内圈3和套设在内圈3内部用于支撑内圈3和外圈1的金属轴套，其中，外圈1为金属材质且内表面为内凹的回转球面I101；内圈3的外表面为外凸的回转球面II301，回转球面II301大小与回转球面I101相匹配；自润滑衬垫2设置在回转球面I101与回转球面II301之间，金属轴套包括左金属轴套7和右金属轴套4，其特征是：左金属轴套7和右金属轴套4之间可拆卸固定连接；内圈3为陶瓷材质，该内圈3的内表面中部设置有环形凸台302，环形凸台302设置在左金属轴套7和右金属轴套4之间形成的环形凹槽内之间。

需要说明的是：外圈1的材质是：合金结构钢。

左金属轴套7和右金属轴套4的材质是：高硬度合金。

内圈3的主要组成成分是：氧化锆(ZrO₂)或氮化硅(Si₃N₄)或碳化硅(SiC)或者氧化铝(Al₂O₃)。

进一步的，所述的左金属轴套7和右金属轴套4的内侧顶端分别设置有环形的缺口I701和环形的缺口II401；缺口I701与缺口II401形成小于或等于环形凸台302宽度的环形凹槽；左金属轴套7内回转面为圆柱面I702；右金属轴套4内回转面为圆柱面II402；圆柱面I702的直径与圆柱面II402的直径相对应。

需要说明的是：缺口I701与缺口II401形成的环形凹槽，其作用是夹紧环形凸台302，所以，环形凹槽的宽度最大等于环形凸台302的宽度。由于缺口I701和缺口II401的存在，左金属轴套7的外回转面呈左高右低的阶梯型圆柱回转面；右金属轴套4的外回转面呈左低右高的阶梯型圆柱回转面。

进一步的，左金属轴套7中圆柱面I702的外部以圆柱面I702的轴线为准均布螺纹通孔6；右金属轴套4上设置有螺纹盲孔8，且螺纹盲孔8的位置、大小、数量与螺纹通孔6对应。

需要说明的是：本文中所述的方向均以图1为准。

本文中所述的高速轻载的直升机旋翼专用自润滑关节轴承不仅仅局限于使用在在直升机旋翼上，也适用在其他领域。

一种如上所述的直升机旋翼专用自润滑关节轴承的加工方法，包括以下步骤：

s1：利用锥形研磨技术对内圈3的毛坯进行粗研磨、半精研磨、精研磨、超精研磨和抛光得到带有环形凸台302的内圈3；

s2：在加工中心对金属轴套的铸件毛坯进行粗车、半精车、钻孔、铣槽、磨削和热处理工艺加工出带有缺口I701、缺口II401的左金属轴套7、右金属轴套4；在左金属轴套7上设置六个螺纹通孔6，在右金属轴套4上设置与螺纹通孔6相对应的螺纹盲孔8；螺纹通孔6上设置螺栓5；

s3：装配内圈3：将s2步骤得到的的左金属轴套7的缺口I701、右金属轴套4的缺口II401相对放置形成环状凹槽，将s1步骤得到的内圈3的环形凸台302放置于环状凹槽内，并通过螺栓5调整夹紧力；

s4：自润滑衬垫2与外圈1粘接：用丙酮清洗自润滑衬垫2的外表面和s3步骤得到的外圈1的内表面，室温快速固化环氧胶粘剂将自润滑衬垫2粘接在该外圈1内表面，粘接后在室温下固化0.5～1个小时；

s5：装配s3步骤中获得的内圈3和s4步骤获得的外圈1：将s3步骤中获得的内圈3同轴向放入s4步骤获得的外圈1中，并利用两半凹模闭式挤压模具8进行定位固定；

s6：使用液压力对s5步骤中得到的两半凹模闭式挤压模具8进行加压，使得外圈1内表面逐渐成型与内圈3外表面紧密配合，然后对挤压成形外圈1进行整形加工；挤压过后的外圈1内表面和内圈3外表面之间存在有间隙，再通过关节轴承滚压工艺对外圈1外表面进行多次循环滚压，消除间隙，直至达到配合精度要求。

进一步的，所述的s1步骤中的粗研磨的工艺：将内圈3毛坯按最大尺寸分组，在研磨压力8～15N/个，研磨速度800～2500r/min，磨粒粒度170#～200#条件下研磨使毛坯件的批直径变动量2～2.5μm，球形误差为2μm，波纹度达到0.15～0.3μm，粗糙度达到0.8μm；

所述的s1步骤中的半精研磨的工艺：将粗研磨后的陶瓷内圈3，在研磨压力6～10 N/个，研磨速度为450～800r/min，磨粒粒度为W40、W10条件下研磨，可使其精度达到：批直径变动量为0.8μm，直径变动量为0.7～1.0μm，球形误差为0.8μm，波纹度为0.05μm，粗糙度为0.2μm；

所述的s1步骤中的精研磨的工艺：将半精研磨后的内圈3，在研磨压力3～6 N/个，研磨速度160～270r/min，磨粒粒度为W5条件下研磨，可使其精度达到：批直径变动量为0.4μm，直径变动量为0.4～0.5μm，球形误差0.4μm，波纹度0.02～0.03μm，粗糙度0.05μm；

所述的s1步骤中的超精研磨的工艺：将精研磨后的内圈3，在研磨压力1～2 N/个，研磨速度<160r/min，磨粒粒度为W1、W0.5的条件下研磨，可使其精度达到：批直径变动量0.13μm，直径变动量0.1μm，球形误差0.1μm，波纹度0.009μm，粗糙度0.02～0.03μm；

所述的s1步骤中的抛光的工艺：将超精研磨后的内圈3，在研磨压力0.5～1 N/个，研磨速度<160r/min，磨粒粒度Fe2O3条件下研磨，可使其精度达到：批直径变动量0.13μm，直径变动量0.1μm，球形误差0.1μm，波纹度0.009μm，粗糙度0.01～0.02μm；抛光工序过后，内圈3的精度至少达到G5。

所述的s2步骤中的热处理工艺为：加热850~890℃，保温4h，炉冷至730℃左右，保温6h，炉冷500℃以下出炉空冷。

优选的，自润滑衬垫2为织物型自润滑衬垫，由PTFE纤维和芳纶纤维编织而成。

实验数据：1.自润滑衬垫涂层选定中科院兰化所的KLH-GSC-I高承载自润滑涂层，采用Falex摩擦磨损试验机对自润滑涂层的Falex耐磨寿命及承载性能进行测试评价。

表I：自润滑衬垫2的测试数据。

如表I，测试评价结果表明，本发明磨损寿命及摩擦系数均能够满足项目要求，同时对热稳定性、耐高低温性、耐液体介质、耐湿热性、耐盐雾试验及贮存性能进行了相应的评价试验，相应试验结果均达到项目指标要求。

2.自润滑衬垫尺寸稳定性测试。

利用湿热实验、盐雾实验测试自润滑衬垫2尺寸变化情况。

表II：湿热实验、盐雾实验测试数据。

如表II，清晰可见自润滑衬垫2在湿热实验、盐雾实验中形变较小，满足使用条件。

3.自润滑关节轴承盐雾实验。

传统的金属关节轴承，48h后腐蚀严重，而本发明在48h后未发现腐蚀情况，可以肯定的，本发明延长了关节轴承的使用寿命和提高了关节轴承抗盐雾的能力。

4.摩擦、磨损寿命考核试验。

针对s6步骤中装配好的自润滑关节轴承，在压力20MPa左右，平均滑动速度在0.1m/s的条件下运行500h后，观察自润滑衬垫2的使用情况。传统的金属关节轴承，自润滑衬垫2磨损严重，基本无法继续使用。本发明由于采用陶瓷的内圈3，自润滑衬垫2几乎不磨损，大大提升了使用寿命。

总之，与传统的高速轻载的金属关节轴承相比，本发明耐受高低温、盐雾和沙尘能力提升，大大提升了关节轴承的使用寿命。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而己，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。