大尺寸三排圓柱滾子轉(zhuǎn)盤軸承滾道分面感應(yīng)淬火工藝

霍曉磊，史亞妮，李崇崇，朱占旗

(洛陽LYC軸承有限公司，河南 洛陽 471039)

三排圓柱滾子轉(zhuǎn)盤軸承被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)重型設(shè)備中，其使用工況的特殊性決定了作為關(guān)鍵工序的滾道表面感應(yīng)淬火工序必須達(dá)到很高的技術(shù)要求，尤其是港口大型船用裝載平臺、隧道用主軸承、塔吊機(jī)用軸承、海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)平臺等軸承的成品滾道淬火硬度要求57～62 HRC，硬化層深度≥7 mm。目前產(chǎn)品滾道硬度55～60 HRC，硬化層深度≤6 mm，且硬度或硬化層深度不均勻，在滾道倒角或油溝處會出現(xiàn)淬火裂紋等。為了解決上述問題，需要對淬火工藝進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化。

1 產(chǎn)品要求

1.1 結(jié)構(gòu)及要求

三排圓柱滾子轉(zhuǎn)盤軸承要求與滾子接觸的部位需進(jìn)行淬火，包括滾道和滾子引導(dǎo)面，通常采取表面感應(yīng)淬火的方式獲得所需的硬度和硬化層深度。軸承裝配后，滾子與滾道的接觸面寬度H和滾道的實(shí)際寬度L大致滿足

H+2h≈L，

(1)

式中：h為保持架壁厚。

圖1及(1)式表明，滾道載荷區(qū)尺寸和滾子的長度幾乎相等，保持架壁厚處所對應(yīng)的區(qū)域?yàn)橥?內(nèi))徑倒角區(qū)域和油溝區(qū)域，這2處按照產(chǎn)品技術(shù)要求允許不淬火處理[1]。

圖1 滾子接觸示意圖

1.2 材料選擇

轉(zhuǎn)盤軸承材料選用42CrMo鋼，其具有高強(qiáng)度和韌性，淬透性好，無明顯的回火脆性，調(diào)質(zhì)處理后有較高的疲勞極限和抗多次沖擊能力，低溫沖擊韌性良好，滾道表面淬火后組織均勻。42CrMo鋼化學(xué)成分見表1。

表1 42CrMo鋼化學(xué)成分

2 淬火功率的計(jì)算

設(shè)計(jì)的三排圓柱滾子轉(zhuǎn)盤軸承尺寸及淬火面標(biāo)識如圖2所示，淬火總長度A+B+C+D+E≈300～500 mm。

圖2 套圈滾道淬火面標(biāo)識

按照淬火機(jī)床的輸出功率

P總=P0ΔS，

(2)

ΔS=L1L2，

(3)

式中：P總為滾道加熱所需要的理論總功率，kW；P0為加熱比功率，依經(jīng)驗(yàn)值取為0.9 kW/cm2；ΔS為滾道加熱受熱等效面積，cm2；L1為滾道淬火面寬度，cm；L2為感應(yīng)器加熱周向?qū)挾?，cm。

P滾道=ηP總，

(4)

式中：P滾道為滾道淬火時(shí)施加到淬火面上的實(shí)際加熱功率；η為淬火機(jī)床的功率因數(shù)，由于變壓器效率降低及感應(yīng)器匯流排的熱損耗，η取0.75。由(2)～(4)式計(jì)算得到P滾道=100～170 kW。

目前使用的淬火機(jī)床額定輸出功率最高為150 kW，按照圖2所示淬火，對于小尺寸滾道的常規(guī)淬火還可以滿足，對于大尺寸滾道淬火或者對硬度和硬化層深度有特殊要求的產(chǎn)品則無法滿足，需要重新設(shè)計(jì)淬火加工方案及感應(yīng)器結(jié)構(gòu)。

3 淬火感應(yīng)器的設(shè)計(jì)

三排圓柱滾子轉(zhuǎn)盤軸承滾道淬火感應(yīng)器加熱方形銅管通常采用16 mm×12 mm規(guī)格，厚度2 mm的紫銅管，感應(yīng)器形狀依據(jù)淬火滾道形狀做成仿形，淬火時(shí)需要調(diào)整好感應(yīng)器與滾道的耦合間隙，以保證淬火溫度，通常為2～4 mm[2]。

3.1 改進(jìn)前淬火感應(yīng)器

改進(jìn)前滾道感應(yīng)器與工件的裝卡方式如圖3所示，淬火方式為所有滾道一體淬火，在加熱銅管上裝卡厚度為0.30 mm的“П”形硅鋼片導(dǎo)磁體，并在主加熱銅管上鉆直徑1.8 mm的噴水孔，水孔角度以不返水為宜(圖4)。此類型感應(yīng)器主要用于滾道硬度、硬化層深度要求不高的產(chǎn)品淬火，通常淬火硬度要求為55～60 HRC，硬化層深度≤6 mm。

圖3 改進(jìn)前淬火感應(yīng)器裝卡圖

圖4 改進(jìn)前導(dǎo)磁體、噴水孔示意圖

缺點(diǎn)：淬火速度較慢，效率低；噴水預(yù)冷距離約為5 mm，速度快，瞬時(shí)冷卻壓力大，產(chǎn)品容易因倒角、油溝處存在的尖角效應(yīng)和應(yīng)力集中而產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致報(bào)廢；通過對淬火面硬化層深度檢測發(fā)現(xiàn)，多條滾道同時(shí)淬火硬化層深度分布不均勻，倒角、油溝處因多條滾道雙重加熱而出現(xiàn)硬化層深度二次疊加(圖5)現(xiàn)象。

圖5 套圈硬化層深度分布

圖5中標(biāo)記的a，b，c，d處為非滾動接觸區(qū)，無需淬火,因加熱疊加被感應(yīng)淬火，拉應(yīng)力較大，由于應(yīng)力集中而出現(xiàn)淬火裂紋。在淬火速度為100～120 mm/min下，a，b，c，d標(biāo)記點(diǎn)的硬化層深度分別為7.0，10.0，9.5，7.0 mm，硬度均為55～60 HRC；標(biāo)記點(diǎn)之間的滾道載荷區(qū)硬化層深度≤6 mm。

3.2 改進(jìn)后淬火感應(yīng)器

改進(jìn)后采用滾道分面淬火的方式，依據(jù)結(jié)構(gòu)及硬度、硬化層深度要求，依次按照B，A+E，C+D的順序進(jìn)行分面淬火，改進(jìn)后感應(yīng)器如圖6所示。

圖6 改進(jìn)后的感應(yīng)器

一方面，將單排導(dǎo)磁體改為雙排導(dǎo)磁體，厚度不變，分別裝卡在主、輔加熱銅管上，增加了導(dǎo)磁體的驅(qū)流效果，減少了磁力線的逸散，單位面積的加熱效率增加了約1倍，從而起到了提升滾道表面硬化層深度的目的。另一方面，將感應(yīng)器的直噴單排水孔冷卻改為獨(dú)立水盒多排水孔冷卻(圖7)，噴水孔直徑增大為2 mm，噴水盒和感應(yīng)加熱銅管之間的預(yù)冷距離l依據(jù)淬火速度而定，通常選擇為25～40 mm。優(yōu)化后的感應(yīng)器增加了冷卻水量，延長了冷卻時(shí)間，減少了局部冷卻速度，防止了因淬火溫度高出現(xiàn)滾道心部溫度傳熱導(dǎo)致的自回火現(xiàn)象，滾道檢測發(fā)現(xiàn)，硬度比直噴單排水孔冷卻提高2～4 HRC[3]。

圖7 改進(jìn)后導(dǎo)磁體、噴水孔示意圖

分面淬火(圖6)時(shí)感應(yīng)器設(shè)計(jì)的銅管加熱長度和噴水孔長度比滾道寬度窄15～25 mm，這使得如圖8所示倒角、油溝(a′，b′，c′，d′區(qū)域)處溫度沒有達(dá)到淬火溫度，避免了相鄰滾道淬火時(shí)的二次淬火重疊問題；另外，在已淬完滾道處設(shè)置輔助冷卻水管(圖6b、圖6c)，減小了淬火熱影響區(qū)，防止了因相鄰滾道存在感應(yīng)淬火干涉而影響已淬滾道的硬度和硬化層深度。

圖8 硬化層深度分布圖

由圖8中滾道硬化層深度分布可知，倒角、油溝處應(yīng)力集中小，不會出現(xiàn)裂紋；滾道載荷區(qū)硬度、硬化層深度均勻。在淬火速度為130～150 mm/min下，a′，b′，c′，d′標(biāo)記點(diǎn)的硬化層深度沒有增加，硬度沒有改變，標(biāo)記點(diǎn)之間的滾道載荷區(qū)A，B，C，D，E硬化層深度為7～10 mm，滿足了設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)束語

對三排圓柱滾子轉(zhuǎn)盤軸承滾道淬火感應(yīng)器結(jié)構(gòu)和淬火方法進(jìn)行改進(jìn)，經(jīng)過多次工藝試驗(yàn)可得:

1)增加一排導(dǎo)磁體，相當(dāng)于增加一倍加熱效率，在淬火功率少許增加的條件下可有效提高硬化層深度。

2)淬火冷卻由單排冷卻改為多排冷卻，增加了水孔數(shù)量和直徑，冷卻水量相應(yīng)增加；增加了預(yù)冷距離，防止冷卻速度過快，既提高了滾道淬火硬度，又可防止淬火裂紋的產(chǎn)生。

3)分面滾道單獨(dú)淬火感應(yīng)器制作簡單，可以依據(jù)需要便捷調(diào)整噴水區(qū)域，靈活選擇淬硬區(qū)域，淬火調(diào)整時(shí)觀察淬火溫度及耦合間隙更清晰，操作簡單。

4)單條滾道淬火熱效率高，機(jī)床的功率損耗小，可以防止機(jī)床長時(shí)間高功率運(yùn)行出現(xiàn)電源系統(tǒng)負(fù)載大、過流、過壓等問題，避免機(jī)床出現(xiàn)中停問題，確保了淬火順利進(jìn)行。