預(yù)防輕系列圓錐滾子軸承套圈熱處理變形的措施

楊文生，趙玉明

（哈爾濱軸承集團(tuán)公司 通用軸承公司，黑龍江 哈爾濱 150036）

1 前言

軸承套圈熱處理的變形量直接關(guān)系著后續(xù)加工的質(zhì)量，以致影響軸承成品的質(zhì)量。淬火變形這一難題制約了提高磨削質(zhì)量和生產(chǎn)效率，導(dǎo)致了磨削材料的消耗及廢品率的增高。如何能更好地控制軸承套圈熱處理淬火后的變形量，是需要解決的問題之一。

2 磨削加工中存在的問題

淬火后軸承套圈的變形，使套圈外徑、內(nèi)徑尺寸和形狀上產(chǎn)生變化，較大的變形，嚴(yán)重影響磨削加工的質(zhì)量和效率，尤其是圓錐滾子軸承，兩端壁厚不對稱，使得基面部位外徑尺寸略微漲大，而非基面部位向里收縮變小，內(nèi)圈的內(nèi)徑和外圈的外徑產(chǎn)生較大的錐度，內(nèi)滾道、外滾道角度值改變，造成磨削留量增大或欠缺，幾何精度因缺少磨量難以保證，形成廢品。淬火后套圈的質(zhì)量對軸承產(chǎn)品質(zhì)量有很大的影響。

3 影響套圈熱處理變形的因素

軸承套圈在熱處理淬火時(shí)，由于零件各個(gè)部位的冷卻不均勻，不可避免地出現(xiàn)熱應(yīng)力和組織應(yīng)力而導(dǎo)致零件套圈的變形。

3.1 熱應(yīng)力

在冷卻時(shí)，熱應(yīng)力是因熱脹冷縮引起的工件內(nèi)部一部分金屬對另一部分金屬的作用力。圖1中以一個(gè)圓柱體工件為例，說明熱應(yīng)力引起的變形。圓柱體在冷卻時(shí)，由于冷卻不均勻，表面冷得快先收縮，心部冷得慢，阻礙表面收縮，這樣表面先冷卻的部分受到來自心部的一種拉應(yīng)力，而心部受到表面部分的一種壓應(yīng)力，如圖1 b，拉應(yīng)力與壓應(yīng)力總稱為熱應(yīng)力。如果熱應(yīng)力值超過了該鋼材的屈服極限（σs）時(shí)，工件將發(fā)生變形。在冷卻中心部溫度高，結(jié)果圓柱體高度縮短，直徑變粗。又由于圓柱體中間較兩端溫度高，塑性好，結(jié)果被壓得更粗，形成腰鼓狀變形，如圖1 c。從這里可以看出，形狀簡單的工件，當(dāng)其高度大于直徑時(shí)，在熱應(yīng)力作用下，其變形的趨勢是高度縮短，直徑變粗，而中間直徑變得更粗。

圖1 圓柱體工件熱應(yīng)力引起的變形示意圖

3.2 組織應(yīng)力

組織應(yīng)力引起的變形與熱應(yīng)力變形相反，仍以圓柱體工件為例，如圖2a，圓柱體在冷卻中，表面先冷，當(dāng)冷至MH點(diǎn)時(shí)奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體，因體積膨脹引起壓應(yīng)力。這時(shí)心部處于奧氏體階段，因其比容小，力圖阻止表面膨脹，因而產(chǎn)生了拉應(yīng)力。如圖2b。由組織轉(zhuǎn)變引起的內(nèi)應(yīng)力稱組織應(yīng)力。當(dāng)組織應(yīng)力超過鋼材的屈服極限（σs）時(shí)，工件將發(fā)生變形。心部處于奧氏體狀態(tài)溫度高，塑性好，容易變形，它在拉應(yīng)力作用下被拉長了，圓柱體中間較兩端塑性更好，結(jié)果被拉得變細(xì)了。在組織應(yīng)力作用下，圓柱體高度增加，直徑變細(xì)，中間更細(xì)，如圖2c所示。

從這里可以看出，對于形狀簡單的工件，其高度大于直徑時(shí)，在組織應(yīng)力作用下其變形的趨勢是高度增加，直徑變細(xì)，中間變得更細(xì)。

圖2 圓柱體工件組織應(yīng)力引起的變形示意圖

3.3 其它淬火變形因素

（1）刀具進(jìn)給量過大而產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。

（2）卡緊工件的卡力過大，使工件在車加工時(shí)產(chǎn)生較大的橢圓度，淬火后橢圓度更大。車加工件幾何精度過大（橢圓度、棱圓度、錐度等）會增加淬火后工件的變形量。

（3）工件車加工后的尺寸散差過大，各套圈尺寸大小不一，加上淬火后變形，在磨加工時(shí)因缺少磨量而成廢品，或因磨量過大，導(dǎo)致生產(chǎn)效率降低、浪費(fèi)輔材和能源。

4 變形的方式及規(guī)律

淬火變形一般分為兩類，一類是體積上的變化，另一類是形狀上的變化，軸承套圈在淬火過程中變形形式較為復(fù)雜，但其原因主要是由幾種基本變形疊加而成。

4.1 尺寸的改變

一般情況下軸承套圈淬火時(shí)，由于馬氏體的轉(zhuǎn)變所引起的尺寸變化，表現(xiàn)為套圈直徑和寬度尺寸變化。圖3為有代表性的軸承套圈在連續(xù)淬火爐中淬火后外徑尺寸漲縮規(guī)律，軸承套圈外徑尺寸越大，膨脹量越大。其值可用公式（1）求出。

式中：d——外徑尺寸變化量或膨脹量（mm），

K——比例常數(shù) ，

D——外徑尺寸（mm），

m——修正值（mm）。

圖3 軸承套圈淬火后外徑尺寸漲縮規(guī)律

從圖3 中的數(shù)據(jù)可知，K=0.002 ， m=0.06，因此d=0.0 0 2 D-0.0 6 ，D的適用范圍：60≤D≤200mm。

一般情況下，比例常數(shù)K隨著淬火后的各種條件反應(yīng)出不同的值，例如：淬火時(shí)在Mo點(diǎn)以下冷卻速度快時(shí)的K值比冷卻速度慢時(shí)的K值要大，另外由于油溫、奧氏體化溫度、冷卻介質(zhì)種類、試件形狀等不同，K值也不同。為減少膨脹量分散性，淬火時(shí)的操作條件必須能使K值一定。

4.2 形狀的改變

形狀的變形主要包括橢圓度、棱圓度、錐度和平面彎曲度（翹曲）等。

軸承套圈的原材料和退火組織不均勻，也使得組織轉(zhuǎn)變應(yīng)力不均勻，不均勻的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力共同作用的結(jié)果，就使得軸承套圈淬火時(shí)產(chǎn)生橢圓。

錐度是軸承套圈二端平均尺寸的差，兩端壁厚不對稱的軸承套圈，淬火時(shí)錐度相對會變大一些，嚴(yán)重時(shí)會造成廢品。

實(shí)際生產(chǎn)中，為掌握圓錐軸承輕系列產(chǎn)品的變形量，做了試驗(yàn)抽檢記錄，見表1。

表1 32024X/02內(nèi)徑抽檢結(jié)果

從表1 中不難看出，由于套圈基面與非基面壁厚厚度不同，使得淬火后基面一端收縮，非基面一端更加收縮，因而產(chǎn)生錐度。越是輕系列、幅高越大的產(chǎn)品變形越強(qiáng)烈。

對于超輕、特輕、超輕窄、特窄類及薄壁的軸承套圈，淬火時(shí)易發(fā)生翹曲。

5 淬火后變形對磨加工質(zhì)量的影響

軸承套圈熱處理淬火變形直接影響磨加工的磨削質(zhì)量，變形量值超過工藝要求磨量時(shí)，便形成廢品，即使沒有超過工藝所給的留量，也會對磨加工產(chǎn)品質(zhì)量造成很大影響。

變形所產(chǎn)生的磨削留量過大，會增加磨加工工作量，使磨削時(shí)間延長，磨削變質(zhì)層增厚，同時(shí)使磨削變質(zhì)層不均勻，磨量大的地方磨削變質(zhì)層厚，磨量小的地方，磨削變質(zhì)層薄。滾動(dòng)軸承的主要失效形式是疲勞和磨損，而它們又總是發(fā)生在表層和次面層，因此，表面變質(zhì)層的存在，必將使?jié)L動(dòng)軸承的工作表面質(zhì)量下降，影響其壽命。留量的加大，增加磨削加工的負(fù)擔(dān)，造成人為物力的浪費(fèi)，能源的消耗，降低磨加工的效率。

6 預(yù)防及糾正措施

為了減少熱處理變形，除了注意鍛件的退火組織均勻性，注意淬火時(shí)工件的擺放，入油方式等，還必須提高車加工的質(zhì)量，以便緩解和克服軸承套圈熱處理淬火后的變形量。

提高車加工的產(chǎn)品質(zhì)量應(yīng)采取以下幾種措施。

（1）合理使用液壓機(jī)床的車削壓力和夾緊壓力，合理使用切削速度及走刀量。

一般情況下，機(jī)床系統(tǒng)壓力控制在2.5×10-5kg/m2，夾緊油缸壓力在1×10-5kg/m2，切削速度要控制在1.33～1.50m/s。系統(tǒng)壓力過大，進(jìn)給量過快會產(chǎn)生較大的擠壓力，會使軸承套圈在熱處理時(shí)釋放車加工的殘余應(yīng)力，造成工件變形量的增加。

（2）控制好車加工過程中的幾何形狀精度，夾具安裝找正要精確，橢圓度、壁厚差、錐度等幾何形狀精度要在技術(shù)條件要求范圍內(nèi)盡量好一些。

（3）車加工的產(chǎn)品尺寸要控制在尺寸公差的中間值。尺寸散差要小。鍛件的留量，退火的硬度，刀具切削刃的磨損都會造成車加工工件尺寸散差增大。尺寸散差過大，會使磨削加工尺寸偏差很難控制，影響磨加工的產(chǎn)品質(zhì)量。

（4）根據(jù)軸承套圈淬火變形的規(guī)律，在車加工時(shí)應(yīng)預(yù)留出錐度變形的空間。一般情況下，截面非對稱軸承套圈的變化規(guī)律是：遠(yuǎn)離基面的直徑尺寸會有不同程度地發(fā)生收縮，內(nèi)外圈皆是如此，而且系列代號越輕、幅面越寬的產(chǎn)品變形越大。因此在車加工精車時(shí)，考慮淬火后變形的問題可參考表1的抽檢結(jié)果數(shù)值。以圓錐滾子軸承內(nèi)圈（見圖4）為例：精車內(nèi)滾道的實(shí)際錐角β1，要比成品設(shè)計(jì)角度β略小Δβ，β1=β-Δβ。精車內(nèi)徑時(shí)，要人為地加工出非基面端內(nèi)徑尺寸比基面端的內(nèi)徑尺寸略大的錐度，兩端面內(nèi)徑尺寸的差值為Δd，d1=d+Δd。因Δβ在實(shí)際測量中，量表的讀值顯示的是距離，所以Δβ≈Δd/2。Δd應(yīng)根據(jù)套圈直徑尺寸的大小、系列代號的寬窄、輕重等不同條件選取。對于50m m≤d≤80 m m，80m m≤D≤250m m的圓錐軸承圈，Δd值可取在0.07～0.3m m之間。通常情況下，取值的規(guī)律是直徑越大，系列越輕、越寬的套圈，Δd取值越大。余下一定程度的變形量，可以在磨加工過程中消除。此方法以應(yīng)用多年，有效地減少了車工變形對磨工的影響。

圖4 熱處理淬火后非基面收縮變形的軸承套圈

7 結(jié)束語

提高車加工產(chǎn)品的質(zhì)量，采取一些控制和減少軸承套圈熱處理后變形量的手段和措施，會減少磨工廢品，增加產(chǎn)量，節(jié)約原材料和能源，降低成本，增加效益，提升軸承產(chǎn)品的質(zhì)量，為公司的生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益做出貢獻(xiàn)。