冷輾壓軸承環(huán)殘余應(yīng)力與淬回火變形的相關(guān)性探析①

俞 蓓, 羅賢國(guó), 張海濤, 王宏琴, 趙 磊, 段賢勇, 李小城

(1.安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院,安徽 蕪湖 241002；2.安徽金越軸承有限公司,安徽 六安 237299)

0 引 言

軸承在機(jī)械行業(yè)使用廣泛，這類(lèi)零件由其自身的功能決定了它是一個(gè)量大面廣的標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)械類(lèi)產(chǎn)品。軸承的生產(chǎn)中，除微小型軸承采用冷鐓和冷擠壓工藝外，其主要加工過(guò)程一般為：熱鍛造-球化退火-機(jī)械加工-熱處理-精密加工-組裝。近年來(lái)，隨著輾壓工藝的運(yùn)用，軸承主要加工過(guò)程一般為：熱鍛造-球化退火-半精車(chē)?yán)漭殙好?冷輾壓-熱處理-精加工端面、外圓溝槽-組裝。軸承環(huán)冷輾壓新技術(shù)的使用，使得原材料節(jié)約10%-15%，工作效率提升十幾倍，工件的機(jī)械性能優(yōu)化致使其壽命增長(zhǎng)3-5倍。因此，冷輾壓毛坯生產(chǎn)是我國(guó)軸承行業(yè)發(fā)展的新方向。然而，冷輾壓生產(chǎn)軸承環(huán)毛坯工藝在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)軸承環(huán)淬回火變形明顯增大，橢圓度會(huì)超出技術(shù)要求，在最終磨加工時(shí)無(wú)法消除[1]。那么，分析影響軸承環(huán)淬火變形的原因就十分必要了。

1 冷輾壓軸承環(huán)淬回火變形分析

淬回火變形是軸承熱處理過(guò)程中不可避免的缺陷之一[1]。影響淬回火變形的因素主要包括軸承環(huán)的原始組織、應(yīng)力狀態(tài)、零件結(jié)構(gòu)形狀、淬火介質(zhì)及工藝等[2]。當(dāng)冷輾壓軸承環(huán)輾擴(kuò)工藝條件一定時(shí)，其殘余應(yīng)力隨著冷輾壓變形量的增加而增大[3]。雖然后期淬火加熱能夠消除一部分殘余應(yīng)力，但殘余應(yīng)力、熱應(yīng)力、組織應(yīng)力的交互作用，是否會(huì)增大淬火變形，以致造成軸承環(huán)橢圓度及平面度等缺陷的出現(xiàn)呢？

冷輾壓軸承環(huán)淬回火變形是熱處理工藝不合理造成，還是冷輾壓軸承環(huán)殘余應(yīng)力過(guò)大造成需要通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行探究。首先對(duì)軸承環(huán)的淬火回火工藝參數(shù)、熱處理介質(zhì)等進(jìn)行調(diào)整，并未發(fā)現(xiàn)冷輾壓軸承的淬回火變形有明顯變化。由此繼續(xù)通過(guò)試驗(yàn)來(lái)探究殘余應(yīng)力對(duì)其淬回火變形的影響如何。

2 試驗(yàn)方案及內(nèi)容

2.1 試驗(yàn)方案

假定冷輾壓軸承環(huán)的熱處理等其他條件不變，采用消除殘余應(yīng)力的6311/01冷輾壓軸承環(huán)(50只)和未消除殘余應(yīng)力6311/01冷輾壓軸承環(huán)(50只)進(jìn)行淬火對(duì)比實(shí)驗(yàn)，分別記錄這兩種情況下6311/01冷輾壓軸承環(huán)的殘余應(yīng)力值及淬回火變形量，6311/01冷輾軸承環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。通過(guò)minitab軟件將上述結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，運(yùn)用散布圖分析殘余應(yīng)力和淬回火變形的相關(guān)性。

圖1 6311/01冷輾軸承環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)材料：原材料Gr15圓鋼、PR-L68淬火液。

試驗(yàn)設(shè)備：R150型氣氛保護(hù)馬氏體淬回火網(wǎng)帶爐。

淬回火工藝：加熱溫度為 790 ～ 810 ℃， 保溫溫度 為820 ～ 840℃，回火保溫160～ 170 ℃[1]，見(jiàn)圖2示意圖。

2.3 試驗(yàn)內(nèi)容

試驗(yàn)前準(zhǔn)備工作：將試驗(yàn)材料每只端面上激光打標(biāo)不同編號(hào)(用1～100數(shù)字表示)，第一組為Gr15圓鋼去應(yīng)力退火后冷輾壓6311/01軸承環(huán)50只(編號(hào)1～50)；第二組為Gr15圓鋼未去應(yīng)力冷輾壓6311/01軸承環(huán)50只(編號(hào)51～100)。

采用鉆孔法測(cè)出兩組冷輾壓6311/01軸承環(huán)對(duì)應(yīng)的殘余應(yīng)力，并將其結(jié)果記錄在表1及表2中，對(duì)應(yīng)記錄區(qū)分清楚。

試驗(yàn)中過(guò)程要求：將100只試驗(yàn)用冷輾壓6311/01軸承環(huán)進(jìn)行隨機(jī)混合，嚴(yán)格按照熱處理操作規(guī)范，對(duì)其實(shí)施淬回火。

試驗(yàn)后檢測(cè)要求：檢測(cè)人員在不知道原始狀態(tài)情況下對(duì)試驗(yàn)件殘余應(yīng)力及淬回火變形量進(jìn)行盲測(cè)，將其相應(yīng)結(jié)果記錄在表1及表2 中。

表1 冷輾壓6311/01軸承去應(yīng)力退火處理試驗(yàn)結(jié)果

表2 冷輾壓6311/01軸承未去應(yīng)力退火處理試驗(yàn)結(jié)果

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)minitab軟件將表1和表2 測(cè)得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，將其數(shù)值轉(zhuǎn)化成兩組試驗(yàn)的相關(guān)性散布圖，見(jiàn)圖3及圖4。

圖2 冷輾軸承壓環(huán)熱處理加熱冷卻規(guī)范示意圖

圖3 第一組冷輾壓6311/01軸承環(huán)殘余應(yīng)力及淬回火變形相關(guān)性散布圖

圖4 第二組冷輾壓6311/01軸承環(huán)殘余應(yīng)力及淬回火變形相關(guān)性散布圖

圖3顯示的第一組冷輾壓6311/01軸承環(huán)，其殘余應(yīng)力及淬回火變形的關(guān)系為：

y= 0.002x+ 0.0968 ,R2= 0.0227

對(duì)第一組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析：

經(jīng)相關(guān)系數(shù)計(jì)算公式

r=

計(jì)算出第一組r1=0.1507，在顯著水平α=0.05下查相關(guān)系數(shù)檢查表[4]得r1α=0.273,r1

圖4顯示的第二組冷輾壓6311/01軸承環(huán)，其殘余應(yīng)力及淬回火變形的關(guān)系為：

y= 0.0008x+ 0.0048 ,R2= 0.9788

同理，對(duì)第二組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，計(jì)算出第二組r2=0.9893，在顯著水平α=0.05下查相關(guān)系數(shù)檢查表得r2α=0.273,r2>r2α，表明第二組試驗(yàn)條件下殘余應(yīng)力與淬回火變形呈正相關(guān)性，且為強(qiáng)正相關(guān)性。

4 結(jié) 論

通過(guò)上述試驗(yàn)結(jié)果分析，可得出如下結(jié)論：在冷輾壓軸承環(huán)其他工藝條件不變的條件下，其殘余應(yīng)力對(duì)后續(xù)淬回火變形的影響很大，呈強(qiáng)正相關(guān)性。所以，軸承環(huán)采用冷輾壓方式加工時(shí)需要注意淬回火之前必須嚴(yán)格控制其殘余應(yīng)力大小，以此減小對(duì)軸承環(huán)淬回火變形量的影響[5]。

同時(shí)，由于采用鉆孔法測(cè)試軸承環(huán)的殘余應(yīng)力，那么在原始輾壓環(huán)上留下的小孔或許會(huì)對(duì)熱處理過(guò)程的應(yīng)力交互作用產(chǎn)生影響，雖然同等條件下不影響其相關(guān)性分析結(jié)果，但是否可以采用無(wú)損測(cè)試殘余應(yīng)力的方式繼續(xù)驗(yàn)證，值得思考。

隨著機(jī)械行業(yè)的發(fā)展，軸承作為基礎(chǔ)零部件，需求量大，勢(shì)必加速冷輾壓工藝的應(yīng)用及推廣。對(duì)冷輾壓工藝進(jìn)行研究，分析其工藝參數(shù)對(duì)冷輾壓殘余應(yīng)力的影響，尋找降低冷輾壓軸承環(huán)殘余應(yīng)力的經(jīng)濟(jì)性工藝方法是當(dāng)下亟需解決的問(wèn)題。