张亭亭，吉智军

(1．洛阳轴研科技股份有限公司，河南 洛阳 471039；2．河南省高性能轴承技术重点实验室，河南 洛阳 471039；3．滚动轴承产业技术创新战略联盟，河南 洛阳 471039)

1 概述

超越离合器是重要的机械传动部件之一，其具有承载能力强、结构紧凑、可靠性高等特点，广泛应用于航空、航天、航海等工程领域，其功能是通过控制传动系统中主动件和从动件的接合与脱开，为动力传输控制提供关键保障。最具代表性的斜撑式离合器中，离合器轴承是极为重要的组成部件，主要由斜撑块、保持架、弹簧等零件组成，其中斜撑块是离合器轴承的关键件，其性能直接影响离合器轴承的性能[1]。

斜撑块在应用上需同时满足强度和耐磨性要求，材料硬度一般在60 HRC以上，工作表面粗糙度Ra为0.2～0.4 μm[2-3]，图1所示为常见结构。斜撑块外形尺寸小，截面形状复杂，且精度要求较高，特别是在航空应用领域，对斜撑块工作状态的可靠性要求更高，除尺寸精度、截面形状、表面粗糙度、尺寸分组精度等，对材料和热处理特性也提出了很高的要求。

图1 斜撑块结构简图Fig.1 Structure diagram of sprag

根据离合器轴承应用场合的不同，斜撑块材料的选用也具有较强的针对性。一般条件下常选用中碳钢或轴承钢；高温和高速条件下，常选用耐高温钢或高速钢。选材差异及最终热处理特性的不同将直接影响离合器轴承的整体性能。

现分析斜撑块传统加工工艺，探索新的工艺方案并进行试验验证。

2 传统工艺分析

斜撑块为异形结构，一般的机械加工方法难以实现成形，较为成熟的方法是拉拔成形。

应用于技术条件要求不高时，斜撑块材料一般选用中碳钢，加工工艺路线为：下料→退火→拔制→切断→渗碳→淬、回火→表面处理→检测→成品。该工艺方法的特点是易于成形，便于加工，但渗碳层质量不易控制，对斜撑块工作性能存在一定影响。

可靠性要求更高的产品，斜撑块材料多选用轴承钢，加工工艺路线为：下料→退火→磷化→皂化→拔制→校直→切断→淬、回火→表面处理→检测→成品。利用去应力退火消除成形过程产生的组织硬化，尽管去应力退火是在保护气氛下进行，但由于热处理设备、加工环境等因素的限制，难以从根本上防止材料表面氧化及表面脱碳层的产生，脱碳层随着淬火温度和时间的调整而不同，尽管厚度很薄，但对斜撑块的耐用度及离合器轴承的工作寿命仍产生十分不利的影响。

高温和高速条件下，斜撑块常选用耐高温钢或高速钢，因材料机械加工性能不好，塑性差，退火表面脱碳情况比轴承钢更为严重，因此不适用于多次塑性变形工艺[3]。

3 新工艺方案的设计与验证

根据离合器轴承斜撑块材料特性的不同，拟选取不同的工艺方案进行研究，以解决传统工艺存在的问题。

3.1 拔制成形+磨加工工艺

轴承钢斜撑块批量生产过程中，拔制工艺是一种生产效率相对较高的加工方式，能够保证尺寸精度和斜撑块的成形特性，但为了避免拔制过程中所衍生的其他问题，如斜撑块工作表面质量差、易产生脱碳层等缺陷，对工艺流程进行改进，即拔制工艺过程中，对斜撑块的工作表面留下适当的精加工余量，为后序成形磨削加工做准备[4]。

根据离合器工作使用特性，斜撑块的关键技术要求是基于内外滚道的接触受载，即斜撑块的内圆弧工作面精度的控制。斜撑块两圆弧工作面精度主要通过高精度数控光学曲面磨床保证，该磨床加工精度高，工作稳定可靠，在保证斜撑块磨削表面质量的同时，尺寸精度也能得以改善，而且通过不同的程序控制，可以根据不同需求加工不同的曲率，如双圆弧、三圆弧、阿基米德曲线等。由于该设备是通用磨削加工设备，对于加工形状各异的斜撑块，只有设计出有针对性的满足使用要求的工装夹具，才能满足产品加工要求，更好地发挥设备性能。因此，轴承钢斜撑块拔制成形+磨加工工艺的关键是：1)拔制模具的设计与制造；2) 成形磨削工装夹具设计、制造与调整；3)成形磨削程序的控制与设备参数的选择及优化。

3.1.1 工艺路线

基本工艺流程为：下料→退火→磷化→皂化→拔制(以上环节循环次数根据工件形状和材料不同而定)→校直→切断→淬、回火→成形磨削→成品分选。

3.1.2 工艺验证

根据新工艺方案的难点，对应采取方法进行解决：

1)拔制成形模具设计的关键是每次变形率和形状的控制，制造的重点是模具型腔粗糙度的控制。

2)成形磨削工装夹具应能准确定位工件，易于夹持后对两圆弧进行磨削。

3)磨削工艺中，砂轮台往复速度v和砂轮转速n是关键参数。工艺参数优化(图2)发现，当砂轮台往复速度高时，磨削效率更高，但产品表面质量差；当砂轮转速过高时，砂轮刃口部分较易损坏，需经常性修整砂轮，导致生产效率降低，生产成本提高。综合考虑加工质量、效率、成本等因素，确定最佳磨削参数为n=14 000 r/min，v1=5 m/s。

图2 磨削参数对斜撑块表面粗糙度的影响Fig.2 Effect of grinding parameters on surface roughness of sprag

通过制备拔制模具、成形磨削工装，采用优化的磨削参数进行了100件斜撑块试件的加工，随机抽取5组(10件/组，取平均值)进行检验。结果(表1)表明，斜撑块高度、形状、表面粗糙度、直线度等4项主要技术指标达到产品技术要求，工艺方案合理、可行，满足了斜撑块加工要求。

表1 拔制成形+磨加工工艺检验结果Tab.1 Test results of drawing forming + grinding process

3.2 线切割成形

斜撑块材料选用高速钢、耐热钢时，由于材料塑性较差，拟采用高精度慢走丝线切割机进行一次成形加工，该工艺方案的特征为工序少，加工精度高，缺点为成本相对较高，因此，适用于小批量新产品研制或产品试制[5]。

高精度慢走丝线切割机具有良好的程序可控性及可调性，对于异形截面形状工件的加工有较大优势，其加工尺寸、形状精度高，表面质量好，但由于线切割的工作原理会造成斜撑块外切割表面产生厚度0.002 mm左右的电腐蚀层，为不影响产品质量，需在后工序环节通过表面处理等手段予以去除。

线切割采用AC Brass 900 0.25 mm电极丝。为满足表面粗糙度要求，需要对斜撑块成形面进行7～8次的切割加工。根据设备的切割原理，1～7次的切割电参数相同，第7次与第8次切割加工时的电参数见表2。在进行第7次切割时，工件的表面粗糙度Ra达到0.22 μm，已经满足产品工艺要求(Ra=0.32 μm)，而第8次切割需要4 min左右，考虑到加工效率和成本，在进行斜撑块成形切割时，选用7次线切割方式。

表2 线切割电参数Tab.2 Wire cutting electrical parameters

选定线切割参数，优化线切割次数后，对100件斜撑块试件进行加工，随机抽取5组(10件/组，取平均值)进行检验。结果(表3)表明，斜撑块高度、形状、表面粗糙度、直线度等4项主要技术指标达到产品技术要求，工艺方案合理、可行，满足了斜撑块加工要求。

表3 线切割工艺验证结果Tab.3 Wire cutting process validation results

4 结束语

对不同工艺方案的试验验证结果表明，拔制成形+磨加工工艺和线切割一次成形工艺均可适用于今后高精度斜撑块的加工，针对不同材质或性能需求的离合器轴承斜撑块，具体可根据产品加工数量、加工精度及其他相关技术要求综合考量，从而选取合理的加工工艺方案。