■ 文用 吳梓趙/中國航發(fā)動研所

前滑套是直升機(jī)傳動系統(tǒng)尾減速器上的重要零件，前滑套的自潤滑能減少異常磨損，有效提升直升機(jī)傳動系統(tǒng)的壽命和可靠性。

金屬基自潤滑材料主要包括直接應(yīng)用于材料表層的軟金屬、作為潤滑劑的金屬化合物，以及以金屬為主體的金屬基自潤滑材料。這些材料大多通過粉末冶金工藝，在其自身孔隙中預(yù)浸了潤滑劑，預(yù)浸入的潤滑劑在工作時可以防止材料在局部過載時發(fā)生膠合。由于金屬基自潤滑材料不僅具有基體金屬良好的力學(xué)性能，而且具有固體潤滑劑的優(yōu)良特性，在工程領(lǐng)域的典型應(yīng)用包括干摩擦軸承、軸瓦、滑塊、活塞、齒輪、密封圈和軸承保持架等，是未來研究的一個重要方向。

自潤滑材料制備前滑套

前滑套是直升機(jī)傳動系統(tǒng)尾減速器上的重要零件，由石墨青銅粉末冶金材料制成，屬于金屬基自潤滑材料的一種，其裝配結(jié)構(gòu)如圖1所示。前滑套以過盈的方式安裝在槳距操縱軸上，與尾槳操縱軸一起在尾減速器輸出齒輪內(nèi)部滑動，承擔(dān)一定的支承力，起滑動軸承的作用。尾減速器采用飛濺潤滑，由于結(jié)構(gòu)限制，飛濺的滑油不能到達(dá)滑套工作區(qū)域，前滑套工作的潤滑條件惡劣。因此前滑套要求耐磨并具有一定強(qiáng)度，同時需要采用具有自潤滑性能的材料。設(shè)計時，前滑套采用粉末冶金石墨青銅材料，是一種常用的金屬基自潤滑材料，材料內(nèi)部有一定的微觀孔隙，通過一定的工藝方法在零件中預(yù)浸入潤滑油。前滑套工作過程中，自身孔隙中預(yù)浸入的滑油從前滑套表面滲出，在前滑套和尾減速器輸出齒輪的接觸面間形成一層油膜，可對前滑套提供一定的潤滑，從而減小摩擦降低磨損。

在尾減速器研制過程中，前滑套出現(xiàn)了外表面異常磨損問題，損傷區(qū)域如圖2所示。經(jīng)分析與排查，發(fā)現(xiàn)造成該問題的主要原因是前滑套含油率低，自潤滑性能不足，導(dǎo)致前滑套在使用中工作表面油膜被破壞。與較硬的齒輪軸內(nèi)孔摩擦?xí)r，前滑套的表面材料發(fā)生黏附、脫落，形成異常磨損區(qū)域。如不能提出有效解決措施，該問題將進(jìn)一步惡化，會影響型號的研制進(jìn)展。筆者通過研究毛坯制備和加工工藝對前滑套自潤滑性能參數(shù)含油率的影響，提出提高前滑套含油率的解決措施，改進(jìn)尾減速器前滑套的自潤滑性能，解決型號研制的技術(shù)瓶頸，為粉末冶金自潤滑材料零件在其他型號或場合的應(yīng)用提供參考。

圖1 尾減速器槳距操縱軸組件結(jié)構(gòu)

圖2 尾減速器前滑套損傷區(qū)域示例

影響因素及改進(jìn)方案

前滑套毛坯材料為石墨青銅粉末冶金（按MIL-B-5687DⅠ型Ⅰ級），其基本制備工藝包括壓制、燒結(jié)、整形、檢驗、浸油、包裝、物理性能檢驗。出現(xiàn)異常磨損的前滑套的加工工藝基本流程為毛坯、浸油、數(shù)控車（內(nèi)孔、外圓，外圓粗加工）、組合（熱鑲嵌法組合，在保溫爐內(nèi)將前滑套加溫至150℃±5℃，保溫30min，將槳距操縱軸放入液氮中冷卻至-180℃以下，保持3min以上）、機(jī)械加工（在操縱軸組件上將前滑套外圓加工至最終尺寸）。

毛坯制備工藝分析

對前滑套毛坯制備工藝流程進(jìn)行復(fù)查和分析，采用的是典型的粉末冶金材料毛坯制備流程，壓制和燒結(jié)工序中涉及的壓力、溫度、位移速度及設(shè)備等制備參數(shù)無明顯錯誤，但流程中的整形工序會降低前滑套毛坯孔隙率。

整形又稱為精整，是把粉末冶金燒結(jié)體放入磨具內(nèi)壓縮，從而得到指定的尺寸、形狀。燒結(jié)后的粉末冶金零件（毛坯）尺寸和形狀發(fā)生了變化，為了矯正尺寸和變形，可將燒結(jié)體進(jìn)行整形。整形過的粉末冶金毛坯形狀更加規(guī)則，尺寸公差得到更好的控制，表面粗糙度降低，但由于產(chǎn)生了塑性變形，燒結(jié)體內(nèi)部在壓制、燒結(jié)過程中形成的孔隙將受到壓縮或堵塞，毛坯連通孔隙率降低，進(jìn)而影響前滑套含油率。因尾減速器前滑套尺寸、公差精度高，需對前滑套毛坯精加工，對毛坯進(jìn)行的整形反而影響毛坯性能。因此該制備流程中的整形工序不合理，不能應(yīng)用于前滑套毛坯制備。

前滑套毛坯的壓制采用模壓成形工藝，將金屬粉末混合料裝入鋼制壓模（管狀陰模）中，通過模沖對粉末加壓，泄壓后壓胚從陰模脫出，完成壓制過程。壓制的目的是形成要求的形狀并賦予精確的幾何尺寸便于加工，達(dá)到毛坯所要求的密度和孔隙度，并形成一定強(qiáng)度便于搬運，轉(zhuǎn)入后續(xù)工序。壓縮過程中，由于粉末受到模沖施加的軸向力作用，表現(xiàn)出一定類似流體的行為，粉末體軸向移動時也會與管狀的陰模內(nèi)壁擠壓產(chǎn)生摩擦，靠近陰模內(nèi)壁的粉末流動速度必然低于遠(yuǎn)離陰模內(nèi)壁的粉末。壓制過程中不同部位粉末移動速度的差別將導(dǎo)致毛坯內(nèi)部的密度不均勻，進(jìn)一步影響零件的孔隙率。經(jīng)研究和分析，提出解決的方法為調(diào)整毛坯規(guī)格，毛坯形狀從管料改為棒料，并將毛坯長度由44mm縮短至25.5mm。

加工工藝

為研究改進(jìn)加工工藝對含油率的影響，開展了相關(guān)工藝試驗。通過組合加工工藝試驗，發(fā)現(xiàn)在組合前加熱時（加熱溫度為90℃）前滑套表面有油珠冒出，如圖3所示。原因是組合加工時不能使用冷卻液進(jìn)行冷卻，前滑套溫度驟升，滑油會從基體中冒出，在離心力的作用下形成肉眼可見的油霧，說明組合及組合加工過程中預(yù)浸入的滑油會有損失。

為避免組合前加熱及組合加工過程中前滑套中的含油率損失，考慮對前滑套的組合加工方案進(jìn)行改進(jìn)。常溫下前滑套和操縱軸之間有接近0.1mm的過盈量，操縱軸的冷卻溫度為-180℃，幾乎達(dá)到了工藝能力的極限。經(jīng)試驗證明，熱鑲嵌工序中前滑套的加熱溫度只需達(dá)到90℃即可順利完成組合。因此將組合要求改為將前滑套在熱油中加熱至90℃，組合后迅速將前滑套及操縱軸浸入滑油中進(jìn)行冷卻，完全冷卻后對組件進(jìn)行真空浸油，盡量降低前滑套組合過程中滑油損失。這樣前滑套即使組合時有油滲出，組合后放入室溫滑油中孔隙收縮將吸回一定滑油，減少滑油損失。

同時，為避免組合加工時滑油從前滑套中甩出，擬將組合后的機(jī)械加工工序取消。由于前滑套材料偏軟，通過熱鑲嵌的方式（過盈配合）組合到操縱軸上后，其外圓尺寸必然比組合前大。為保證組合后外圓尺寸符合槳距操縱軸組件的圖樣要求，通過工藝試驗對前滑套與操縱軸之間的過盈量與組合前后前滑套外圓增大量之間的關(guān)系進(jìn)行對比，得到試驗數(shù)據(jù)如表1所示。由表1中數(shù)據(jù)可知，過盈量與前滑套外圓增大量基本相等。因此，為使組合后尺寸能符合圖樣要求，對前滑套組合前圖樣的內(nèi)外徑尺寸進(jìn)行調(diào)整，使其與操縱軸的過盈量等于圖樣要求的組合后外徑尺寸與組合前外徑尺寸的差值。

圖3 組合前加熱時滑油冒出

試驗驗證

為驗證上述毛坯改進(jìn)措施提高零件含油率的效果，將改進(jìn)前和改進(jìn)后的未浸油毛坯用相同的機(jī)械加工工藝流程加工成前滑套成品，再采用真空浸油工藝進(jìn)行浸油，進(jìn)行含油率對比。由試驗結(jié)果可知，采用改進(jìn)后毛坯加工的10件滑套含油率均在10%以上，僅3件低于15%，而采用改進(jìn)前毛坯加工的7件前滑套僅有2件含油率高于10%，說明改進(jìn)效果十分明顯。

將一件裝有改進(jìn)前的前滑套的操縱軸組件與一件裝有改進(jìn)后的前滑套的操縱軸組件分別安裝在兩個相同的試驗平臺上，試驗平臺結(jié)構(gòu)如圖4所示，進(jìn)行前滑套的自潤滑性能試驗。在不加入潤滑油的情況下連續(xù)進(jìn)行了約530萬次軸向往復(fù)循環(huán)，試驗結(jié)束后經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)改進(jìn)前的操縱軸上堆積有較多紅色粉末，改進(jìn)后的操縱軸上僅有少量粉末，該紅色粉末應(yīng)是干摩擦造成前滑套表面材料掉落，如圖5所示，說明改進(jìn)后的前滑套自潤滑性能比改進(jìn)前有明顯提高。

將裝有改進(jìn)后前滑套的操縱軸組件裝配于尾減速器開展相關(guān)試驗，在完成了約550h的地面試驗驗證和約190h的試飛驗證后，檢查前滑套未發(fā)現(xiàn)異常磨損。因此以上驗證結(jié)果說明，改進(jìn)后前滑套的自潤滑性能明顯提高。

圖4 前滑套自潤滑性能試驗

圖5 改進(jìn)前后前滑套表面材料掉落情況

表1 過盈量與外徑增大量試驗數(shù)據(jù)

結(jié)束語

為提高前滑套自潤滑性能，本文研究了毛坯制備、加工工藝對含油率的影響，提出了如下改進(jìn)方案：取消毛坯制備程序中的整形工序；將毛坯由管料改為棒料并縮短毛坯長度；降低前滑套熱鑲嵌時的加熱溫度，在油中加熱冷卻；取消組合后的機(jī)械加工工序。改進(jìn)后前滑套自潤滑性能有較大提高，但零件浸油后含油合格率仍不能達(dá)到100%，后續(xù)須研究機(jī)械加工參數(shù)，例如，切屑轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量、刀具參數(shù)等對自潤滑滑套孔隙率的影響，進(jìn)一步提高滑套含油合格率。