李湘勤　吳偉輝　黃長(zhǎng)征

( 韶關(guān)學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院，廣東 韶關(guān) 512005)

?

免組裝滾動(dòng)軸承的激光選區(qū)熔化增材制造研究*

李湘勤吳偉輝黃長(zhǎng)征

( 韶關(guān)學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院，廣東 韶關(guān) 512005)

為通過(guò)免組裝方法獲得圓錐滾子軸承，建立了免組裝圓錐滾子軸承幾何模型，并成功采用激光選區(qū)熔化技術(shù)進(jìn)行了免組裝制造；對(duì)免組裝軸承的運(yùn)動(dòng)性展開(kāi)了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)除因激光選區(qū)熔化工藝限制導(dǎo)致成型元件表面粗糙度值較大影響到元件受力不均外，軸承內(nèi)部元件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)性能滿足軸承的運(yùn)動(dòng)功能需求，且隨配合運(yùn)動(dòng)時(shí)間的延長(zhǎng)，各元件的運(yùn)動(dòng)越發(fā)平穩(wěn)。這為進(jìn)一步增材制造其他免組裝結(jié)構(gòu)提供了借鑒。

增材制造;激光選區(qū)熔化; 免組裝機(jī)構(gòu); 滾動(dòng)軸承

免組裝機(jī)構(gòu)是指在計(jì)算機(jī)中將機(jī)構(gòu)預(yù)先組裝好，然后直接制造出來(lái)，免去后續(xù)的組裝工序的機(jī)構(gòu)[1]?，F(xiàn)今已廣為應(yīng)用的增材制造亦稱為快速成型或3D打印技術(shù)[2]，有別于傳統(tǒng)的機(jī)加工方式，該技術(shù)通過(guò)逐點(diǎn)成線、逐線成層、逐層堆積成體這樣一個(gè)原理來(lái)實(shí)現(xiàn)零件的直接制造，由于成型幾乎不受結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度影響及成型精度的提高，當(dāng)前采用增材制造技術(shù)直接制造免組裝機(jī)構(gòu)已成為可能。例如，Mavroidis等[3]采用光固化成型和選區(qū)激光燒結(jié)增材制造工藝成型了旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、球形關(guān)節(jié)和線性關(guān)節(jié)； Cali等[4]采用選區(qū)激光燒結(jié)增材制造工藝成型了免組裝機(jī)械手。在金屬零件成型方面，激光選區(qū)熔化(selective laser melting,SLM)增材制造工藝有著十分獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[5-7]。例如制造出的零件具有完全冶金結(jié)合組織、具有較高的成型精度、成型零件結(jié)構(gòu)特征幾乎不受限制等。因此，采用SLM技術(shù)十分適合直接成型要求配合精度較高的免組裝金屬部件。但即使SLM工藝可以直接制造具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的金屬組件，以此工藝直接制造免組裝機(jī)構(gòu)仍需要針對(duì)SLM工藝特點(diǎn)以及免組裝機(jī)構(gòu)模型功能需求研究合適的免組裝機(jī)構(gòu)間隙特征、支撐方式及成型工藝參數(shù)，這方面的研究已有不少學(xué)者展開(kāi)了研究。SU等[8]研究了基于激光選區(qū)熔化成型免組裝機(jī)構(gòu)的數(shù)字化設(shè)計(jì)規(guī)則，初步分析了間隙擺放位置對(duì)成型的影響，并成功針對(duì)SLM工藝設(shè)計(jì)及制造出萬(wàn)向節(jié)、曲柄滑塊機(jī)構(gòu)等免組裝機(jī)構(gòu)；劉洋等[1]等采用SLM技術(shù)對(duì)激光選區(qū)熔化成型免組裝機(jī)構(gòu)的間隙特征進(jìn)行了研究；王迪等[9]研究了免組裝機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)工藝。

軸承作為機(jī)械產(chǎn)品中的具有較高精度的標(biāo)準(zhǔn)件，起著支撐軸、減小摩擦阻力的作用，避免了軸與座孔直接接觸，減緩了軸與座孔直接觸接導(dǎo)致摩損后間隙得不到補(bǔ)償而引起摩擦阻力增大、回轉(zhuǎn)精度降低、噪聲增大等現(xiàn)象。圓錐滾子軸承因其承載能力大，且可同時(shí)承受徑向載荷與軸向載荷，在使用軸承的場(chǎng)合有著廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的軸承生產(chǎn)制造，是通過(guò)沖壓、鑄造、車削等多道工序?qū)S承內(nèi)部的單一元件進(jìn)行逐個(gè)加工，并最終進(jìn)行裝配而成，其工序復(fù)雜、耗時(shí)、耗材。為此，本文研究利用激光選區(qū)熔化增材制造工藝，結(jié)合圓錐滾子軸承的功能要求，展開(kāi)了免組裝圓錐滾子軸承的設(shè)計(jì)制造。

1　免組裝圓錐滾子軸承的幾何模型構(gòu)建

圖1所示為單列圓錐滾子軸承，由外圈、內(nèi)圈、保持架和滾動(dòng)體四部分組成。圓錐滾子軸承的外圈一般可分離。

選用哈爾濱軸承制造有限公司所生產(chǎn)的型號(hào)為32904x的圓錐滾子軸承(文后統(tǒng)一簡(jiǎn)稱為裝配軸承)為幾何模型原型展開(kāi)免組裝軸承的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其主要尺寸參數(shù)值如表1。

由于單列圓錐滾子軸承的外圈可以分離，且外圈結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、加工容易，在嘗試對(duì)圓錐滾子軸承進(jìn)行激光選區(qū)熔化直接免組裝制造時(shí)，不考慮外圈，即只研究采用激光選區(qū)熔化技術(shù)對(duì)無(wú)外圈的圓錐滾子軸承進(jìn)行免組裝設(shè)計(jì)制造。

表132904型圓錐滾子軸承主要尺寸參數(shù)值

參數(shù)dDTBC值/mm203712129

為了便于實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比和分析，設(shè)計(jì)了兩種免組裝軸承幾何模型。一種是直接在現(xiàn)有裝配軸承基礎(chǔ)上，不加任何幾何形狀的改動(dòng)，僅在計(jì)算機(jī)內(nèi)對(duì)各元件組裝形成的免組裝三維幾何模型，如圖2a所示。另一種是在裝配軸承外形基礎(chǔ)上作了形狀變動(dòng)的三維幾何模型，如圖2b所示。對(duì)免組裝機(jī)構(gòu)而言，添加支撐結(jié)構(gòu)則影響機(jī)構(gòu)元件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，但對(duì)激光選區(qū)熔化工藝而言，零件在成型過(guò)程中必須保持固定。為此，圖2b所示的幾何模型改變了保持架大端的幾何形狀，針對(duì)圖2a幾何模型修改外形設(shè)計(jì)，使保持架大端相對(duì)滾動(dòng)體大端的部位，由原來(lái)的圓弧段變?yōu)閮?nèi)凹圓弧段，使得圓錐滾子大端底面露在保持架外部的面積增加，這樣支撐更方便添加到滾動(dòng)體上及成型后更容易去除滾動(dòng)體上的支撐。

在軸承的設(shè)計(jì)中，圓錐滾子軸承的滾動(dòng)體與保持架及內(nèi)圈的配合間隙是保證圓錐滾子軸承能否正常運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵。成功實(shí)現(xiàn)圓錐滾子軸承運(yùn)動(dòng)功能的主要判斷標(biāo)準(zhǔn)是：(1)成型后圓錐滾子軸承的保持架能否繞內(nèi)圈自由轉(zhuǎn)動(dòng)；(2)成型后滾動(dòng)體與內(nèi)圈及保持架能否牢固裝配在一起，不出現(xiàn)滾動(dòng)體脫落的情況。

鑒于激光選區(qū)熔化成型件一般表面粗糙度較徑機(jī)械加工工藝加工的要差很多，并且存在需要對(duì)比裝配軸承及免組裝軸承單個(gè)元件成型精度的情況，這里對(duì)于滾動(dòng)體圓錐面與保持架及內(nèi)圈的配合間隙可采用下式控制：

ε=εb+Δε

(1)

式中：ε為滾動(dòng)體圓錐面與保持架及內(nèi)圈的配合間隙；εb為基礎(chǔ)間隙量，取為40 μm；Δε為補(bǔ)償間隙量。間隙補(bǔ)償量可通過(guò)對(duì)STL模型進(jìn)行二維切片時(shí)添加刀具補(bǔ)償量靈活調(diào)節(jié)，增加補(bǔ)償量，則配合間隙增大，減少補(bǔ)償量，則配合間隙減小。

對(duì)圖2a所示的幾何模型，為使將成型后免組裝軸承的滾動(dòng)體、保持架及內(nèi)圈能相互分離，以便對(duì)比裝配軸承與免組裝軸承各零件的成型效果，采用了稍大的滾動(dòng)體圓錐面與保持架及內(nèi)圈的配合間隙刀具補(bǔ)償量，設(shè)為：0.125 mm；圖2b所示的幾何模型，為防止?jié)L動(dòng)體滑出保持架，采用了較小的滾動(dòng)體圓錐面與保持架及內(nèi)圈的配合間隙刀具補(bǔ)償量，值為0.03 mm。圓錐滾子軸承的滾動(dòng)體的兩端面與保持架間的間隙通過(guò)三維模型計(jì)算機(jī)內(nèi)裝配得到，圖2a所示的圓錐滾子兩端面與保持架的距離設(shè)為相等，都取為0.4 mm；對(duì)圖2b所示模型，為方便去除成型后的支撐，加大了圓錐滾子軸承大端端面與保持架的間隙，取為0.6 mm，小端端面與保持架間不用設(shè)計(jì)支撐，不存在去除支撐的問(wèn)題，因此小端端面與保持架的間隙取小值，為0.2 mm。

2　支撐設(shè)計(jì)

在激光選區(qū)熔化成型過(guò)程中，由于在粉床上成型[10]，為了防止成型過(guò)程中已固化成型金屬下陷、移動(dòng)，需要再對(duì)懸置的結(jié)構(gòu)施加必要的支撐。對(duì)圓錐滾子軸承，除了對(duì)保持架和內(nèi)圈底部需要添加支撐外，由于滾動(dòng)體懸置在保持架的孔中，且與內(nèi)圈有一段間隙，為了保證滾動(dòng)體在成型過(guò)程中不發(fā)生移動(dòng)，需要對(duì)滾動(dòng)體添加結(jié)構(gòu)支撐(圖3)。

對(duì)圖2a所示的幾何模型建立的支撐結(jié)構(gòu)如圖3a所示。因?yàn)樾吞?hào)為32904的圓錐滾子軸承的滾體動(dòng)較小，滾動(dòng)體底端露出在保持架外面的面積也較小，所以對(duì)滾動(dòng)體的支撐結(jié)構(gòu)只能從內(nèi)圈與保持架之間的間隙穿過(guò)，與滾動(dòng)體相接，達(dá)到支撐滾動(dòng)體的目的，對(duì)單個(gè)滾動(dòng)體施加的支撐結(jié)構(gòu)如圖3c所示，采用了易于穿越細(xì)小間隙的線型支撐單元。圖2b所示的幾何模型的支撐結(jié)構(gòu)如圖3b所示；對(duì)單個(gè)圓錐滾子施加的支撐結(jié)構(gòu)的幾何形狀如圖3d所示，為更好地固定滾動(dòng)體，采用了接觸面積更大的塊狀支撐單元，并且為方便成型后取下支撐，將支撐設(shè)置在保持架底面輪廓之外。

3　實(shí)驗(yàn)設(shè)備、材料及方法

軸承的免組裝直接制造實(shí)驗(yàn)采用韶關(guān)學(xué)院研制的Metal3DP-100激光選區(qū)熔化設(shè)備，激光器為200W光纖激光器，聚焦光斑為30～50 μm；所用原材料為325目316L不銹鋼球形粉末；采用高純氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣體，氧含量控制在0.02%以下；采用304不銹鋼作為成型基板；兩次實(shí)驗(yàn)的加工參數(shù)和掃描策略如表2所示。

4　結(jié)果與討論

采用上述方法和實(shí)驗(yàn)條件得到的免組裝圓錐滾子軸承1和與裝配軸承的對(duì)比結(jié)果如圖4所示。

圖2a所示免組裝圓錐滾子軸承1幾何模型通過(guò)激光選區(qū)熔化成型后得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與裝配軸承對(duì)比如圖4a所示。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，經(jīng)激光選區(qū)熔化成型技術(shù)得到的圓錐滾子軸承與原裝配軸承在形狀上無(wú)異，但表面粗糙度存在較大差異。

表2加工參數(shù)和掃描策略

項(xiàng)目值功率/W140掃描速度/(mm/s)支撐310勾邊350填充350掃描間距/mm0.078層厚/μm30掃描策略X-Y正交

另外，圖4a所示的免組裝圓錐滾子軸承1支撐非常難以拆除。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，內(nèi)圈與保持架被中間的支撐結(jié)構(gòu)牢固地連在一起，但因?yàn)槟Ｐ筒捎玫牡毒哐a(bǔ)償量較大，所以成型得到的保持架孔與滾動(dòng)體之間的間隙較大，滾動(dòng)體可以穿過(guò)保持架上的孔，這使得成型后可通過(guò)強(qiáng)力使?jié)L動(dòng)體與支撐脫離，從保持架上的孔內(nèi)拆除出來(lái)，然后再轉(zhuǎn)動(dòng)內(nèi)圈和保持架，使內(nèi)圈和保持架與各支撐分離。圖4b是免組裝圓錐滾子軸承1的內(nèi)圈與裝配軸承內(nèi)圈對(duì)比效果圖，圖4c是免組裝圓錐滾子軸承1的保持架與裝配軸承的保持架對(duì)比效果圖，圖4d是免組裝圓錐滾子軸承1的圓錐滾動(dòng)體與裝配軸承的圓錐滾動(dòng)體對(duì)比效果圖。從對(duì)比結(jié)果可以看出，激光選區(qū)熔化成型出的免組裝圓錐滾子軸承各單一元件幾何特征明顯，與裝配軸承幾何形狀一致。通過(guò)實(shí)際測(cè)量，發(fā)現(xiàn)X-Y方向的成型精度較高，達(dá)到±0.05 mm/10 mm，能維持軸承元件旋轉(zhuǎn)所需的間隙量，并且滾動(dòng)體也能被牢固地約束在內(nèi)圈及保持架間；Z向由于多個(gè)元件底部受添加支撐的影響，成型精度稍差，為±0.17 mm/10 mm,但由于Z向采用的設(shè)計(jì)間隙量較大，因此，軸承元件相對(duì)運(yùn)動(dòng)也不受影響。

圖5是圖2b所示的免組裝圓錐滾子軸承2幾何模型的成型結(jié)果圖。針對(duì)性設(shè)計(jì)的內(nèi)凹圓弧保持架大端底面形狀以及將圓錐滾動(dòng)體大端端面與保持架間隙取大值的措施，使得成型后支撐很容易脫離免組裝件，稍加振動(dòng)，即可使支撐與免組裝元件間的連接斷開(kāi)；由于采用了較小的配合間隙，滾動(dòng)體不能脫離保持架的約束，但可在保持架及內(nèi)圈間靈活滾動(dòng)。

固定圖5所示的免組裝圓錐滾子軸承2的內(nèi)圈，并套上軸承的外圈(實(shí)驗(yàn)所用外圈為裝配軸承的外圈)，旋轉(zhuǎn)外圈，發(fā)現(xiàn)外圈能靈活不受阻礙地相對(duì)內(nèi)圈轉(zhuǎn)動(dòng)，很好地實(shí)現(xiàn)了滾動(dòng)軸承的功能。

為了展示經(jīng)激光選區(qū)熔化成型技術(shù)得到的免組裝軸承實(shí)際運(yùn)動(dòng)效果，在免組裝圓錐滾子軸承2特定部位進(jìn)行畫(huà)線標(biāo)識(shí)，圓錐滾動(dòng)體在最外部畫(huà)上一條直線作為初始位置標(biāo)記，如圖6a所示，同時(shí)，在內(nèi)圈、保持架和外圈上端同一側(cè)畫(huà)上一條共線標(biāo)識(shí)，作為內(nèi)圈、保持架和外圈初始相對(duì)位置的標(biāo)記，如圖6a和圖6b所示。固定內(nèi)圈，使外圈相對(duì)內(nèi)圈順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖6c所示，當(dāng)外圈相對(duì)內(nèi)圈轉(zhuǎn)動(dòng)半圈后，其保持架和滾動(dòng)體位置變化情況如圖6c和圖6d所示，可以看出滾動(dòng)體、保持架、內(nèi)圈和外圈都發(fā)生了明顯的相對(duì)位置變動(dòng)，其中保持架相對(duì)內(nèi)圈轉(zhuǎn)過(guò)了1/4圈以上，各圓錐滾動(dòng)體轉(zhuǎn)過(guò)的角度不一樣，實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)有些滾動(dòng)體轉(zhuǎn)過(guò)了一圈，有些滾動(dòng)體不足一圈，有些滾動(dòng)體轉(zhuǎn)過(guò)的角度很小，主要原因是經(jīng)激光選區(qū)熔化技術(shù)得到的圓錐滾子軸承各元件表面粗糙度值較大，因受力不均，導(dǎo)致滾動(dòng)體之間轉(zhuǎn)過(guò)的角度差異較大。但是，這并不影響對(duì)于軸承運(yùn)動(dòng)功能至關(guān)重要的內(nèi)圈、保持架及外圈間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因此軸承內(nèi)部元件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)性能滿足軸承的運(yùn)動(dòng)功能需求。

盡管免組裝圓錐滾動(dòng)軸承各元件初始表面粗糙度不如裝配軸承元件，但免組裝軸承各元件的配合運(yùn)動(dòng)并不存在明顯抖動(dòng)，這是由于激光選區(qū)熔化工藝是一種具有較高成型精度增材制造工藝，其成型件的表面粗糙度可達(dá)到Ra為30 μm左右[10]，因而在采用合理的間隙設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，免組裝軸承元件的配合運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)較好。

此外，令免組裝圓錐滾動(dòng)軸承的各元件持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間，發(fā)現(xiàn)經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間配合研磨，免組裝軸承各元件的表面粗糙度值逐漸變小，元件的運(yùn)動(dòng)越來(lái)越平穩(wěn)。

5　結(jié)語(yǔ)

(1)通過(guò)研究工程上批量生產(chǎn)的圓錐滾子裝配軸承結(jié)構(gòu)，建立了免組裝圓錐滾子軸承幾何模型，并成功進(jìn)行激光選區(qū)熔化增材制造。

(2)將獲得的免組裝軸承與裝配軸承作對(duì)比發(fā)現(xiàn)采用激光選區(qū)熔化增材制造免組裝金屬滾動(dòng)軸承各元件配合運(yùn)動(dòng)較平穩(wěn)，并且隨配合時(shí)間的延長(zhǎng)，免組裝軸承各元件的表面粗糙度值逐漸變小，元件的運(yùn)動(dòng)越來(lái)越平穩(wěn)。

(3)對(duì)免組裝軸承運(yùn)動(dòng)性能展開(kāi)了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明除因激光選區(qū)熔化工藝限制導(dǎo)致成型元件表面粗糙度值較大影響到元件受力不均外，軸承內(nèi)部元件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)性能滿足軸承的運(yùn)動(dòng)功能需求。

[1]劉洋,楊永強(qiáng),王迪,等. 激光選區(qū)熔化成型免組裝機(jī)構(gòu)的間隙特征研究[J]. 中國(guó)激光，2014(11):1103007-1-1103007-8.

[2]楊延波.數(shù)字化裝配及快速成型技術(shù)的應(yīng)用與實(shí)踐[J]. 現(xiàn)代制造工程, 2014(2):77-87.

[3]Mavroidis C，Delaurentis KJ，Won J，et al.Fabrication of nonassembly mechanisms and robotic systems using rapid prototyping[J].Journal of Mechanical Design, 2000, 123(4):516-524.

[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]張升. 醫(yī)用合金粉末激光選區(qū)熔化成形工藝與性能研究[D].武漢：華中科技大學(xué),2014:90-100.

[6]吳偉輝,楊永強(qiáng),毛桂生. 316L選區(qū)激光熔化增材制造熔池搭接堆積形貌分析[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2014(4):46-49.

[7]顧冬冬,沈以赴.基于激光選區(qū)熔化的金屬零件快速成形現(xiàn)狀與技術(shù)展望[J].航空制造技術(shù),2012(8):32-37.

[8]Su Xubin,Yang Yongqiang, Xiao Dongming, et al.. Processability investigatation of non-assembly mechanisms for powder bed fusion process [J]. International Journal of Advanced Manufacturin, 2013, 64(5-8):1193-1200.

[9]王迪,劉睿誠(chéng),楊永強(qiáng). 激光選區(qū)熔化成型免組裝機(jī)構(gòu)間隙設(shè)計(jì)及工藝優(yōu)化[J]. 中國(guó)激光，2014(2): 0203004-1-0203004-7.

[10]吳偉輝,楊永強(qiáng),毛星，等.激光選區(qū)熔化增材制造零件側(cè)壁成型精度分析[J].光學(xué)精密工程,2015,23(10z):164-171.

(編輯孫德茂)

如果您想發(fā)表對(duì)本文的看法，請(qǐng)將文章編號(hào)填入讀者意見(jiàn)調(diào)查表中的相應(yīng)位置。

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，碩士，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、計(jì)算結(jié)構(gòu)力學(xué)。

2016-04-12)

160834

* 廣東省高等學(xué)校優(yōu)秀青年教師培養(yǎng)計(jì)劃資助項(xiàng)目(Yq2013149) ; 廣東高校優(yōu)秀青年創(chuàng)新人才培養(yǎng)計(jì)劃項(xiàng)目(2013LYM_0083); 廣東省重大科技專項(xiàng)項(xiàng)目(2012A090300011)