42CrMo鋼不同淬硬層深度對(duì)軸承許用接觸應(yīng)力的影響

楊哲，陳小超，鄭海燕，曾超凡，王艷山

(1.洛陽(yáng)LYC軸承有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039；2.航空精密軸承國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽(yáng) 471039 )

滾動(dòng)軸承滾動(dòng)面在較大載荷下會(huì)產(chǎn)生永久變形，變形量隨載荷的增大而增大。永久變形量為滾動(dòng)體直徑的1×10-4倍時(shí)，用其當(dāng)量靜載荷作為軸承的額定靜載荷[1]。特大型轉(zhuǎn)盤軸承轉(zhuǎn)速低，主要承受靜載荷，與平板-滾子接觸類似，因此通常進(jìn)行平板壓力試驗(yàn)，用回歸法計(jì)算永久變形量與最大接觸應(yīng)力之間的關(guān)系，然后計(jì)算軸承許用接觸應(yīng)力[2-6]。近年來(lái)，隨著客戶要求的提高，實(shí)際生產(chǎn)中表面硬度57 HRC以下的滾道面已無(wú)法滿足需求，目前要求滾道面硬度為57～60 HRC，但在相關(guān)資料中缺乏不同淬硬層深度的許用接觸應(yīng)力的研究。因此，現(xiàn)對(duì)表面硬度為58～60 HRC的φ50 mm×50 mm的GCr15SiMn鋼制滾子，在表面硬度為57～60 HRC,淬硬層深度為3～6 mm的42CrMo平板上進(jìn)行壓力試驗(yàn)，研究淬硬層深度對(duì)軸承許用接觸應(yīng)力的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 試樣

選取42CrMo鋼，經(jīng)過(guò)預(yù)處理后，通過(guò)不同工藝的中頻表面感應(yīng)淬火得到表面硬度為57～60 HRC，淬硬層深度分別為3，4，5，6 mm的平板。將平板切割成80 mm×50 mm×35 mm的試樣，按照淬硬層深度分為4組，每組9個(gè)試樣，每組另外準(zhǔn)備2個(gè)備用試樣。

1.2 試驗(yàn)方法

通過(guò)WE-600型液壓萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)(圖1)用φ50 mm×50 mm的滾子分別對(duì)試樣施加250，300，350，400，450，500，550，600，650 kN的徑向載荷Q，保持3 s，由于加載時(shí)有沖高，計(jì)算過(guò)程按實(shí)際載荷(表1)計(jì)算。用CL-1A輪廓儀檢測(cè)壓痕深度。

1—上壓頭；2—平板試樣；3—滾子；4—模具；5—下支承臺(tái)

2 結(jié)果與分析

2.1 壓痕深度

不同徑向載荷下試樣的壓痕深度δq見(jiàn)表1。

表1 不同載荷下試樣的壓痕深度

2.2 許用接觸應(yīng)力的計(jì)算

根據(jù)Hertz理論[1-6]，最大應(yīng)力σmax與載荷Q的關(guān)系為

(1)

式中：l為滾子長(zhǎng)度，mm；Dw為滾子直徑，mm。

根據(jù)(1)式計(jì)算試樣的最大應(yīng)力，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同載荷下試樣的最大應(yīng)力

永久變形量δq/Dw與最大應(yīng)力之間的關(guān)系為

(2)

式中：K為常數(shù);b為指數(shù)。

(2)式為經(jīng)驗(yàn)公式，對(duì)其兩邊取對(duì)數(shù)可得

lg(δq/Dw)=b(lgσmax)+lgK。

(3)

根據(jù)表1和表2計(jì)算不同載荷下試樣的lg(δq/Dw)和lgσmax。用Origin軟件對(duì)表中第1組的對(duì)數(shù)計(jì)算結(jié)果lg(δq/Dw)和lgσmax進(jìn)行線性回歸，可得擬合曲線如圖2a所示，線性擬合方程為

lg(δq/Dw)=5.179 lgσmax-21.882，

(4)

相關(guān)系數(shù)r=0.954>0.9，所以lgσmax與lg(δq/Dw)正相關(guān)。

由(4)式可得

δq/Dw=10-21.882σ5.179，

(5)

σ=(1021.882δq/Dw)1/5.179。

(6)

根據(jù)許用接觸應(yīng)力的定義[1]，永久變形量δq/Dw=1×10-4時(shí)，由(6)式求出的σmax即為許用接觸應(yīng)力，即σ1=2 836.548 MPa。

同理可得第2～4組的擬合曲線圖(圖2b～圖2d)及相應(yīng)的許用接觸應(yīng)力σ2，σ3，σ4。

圖2 線性擬合曲線

2.3 結(jié)果分析

不同淬硬層深度試樣上滾子的許用接觸應(yīng)力見(jiàn)表3。由表可知：許用接觸應(yīng)力隨著淬硬層深度的增加而增大。這主要是因?yàn)榇阌矊釉缴?，沿垂直于接觸表面的抗剪能力越強(qiáng)，而42CrMo鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)預(yù)處理、感應(yīng)淬火后的心部硬度為220～260 HB，在心部支承強(qiáng)度相同的條件下，淬硬層越深，變形的難度越大。當(dāng)淬硬層深度達(dá)到5 mm后，平板上的許用接觸應(yīng)力為3 817.120 MPa；淬硬層深度為6 mm時(shí)，平板的許用接觸應(yīng)力為3 844.669 MPa，兩者基本相近，說(shuō)明淬硬層深度超過(guò)5 mm后，平板的許用接觸應(yīng)力增幅減小。這是因?yàn)闈L子尺寸、硬度相同時(shí)，當(dāng)平板的淬硬層深度達(dá)到5 mm后，其硬度成為影響許用接觸應(yīng)力的重要因素，硬度不足導(dǎo)致表面淬硬層無(wú)法承受較大載荷而被壓潰，因此淬硬層深度繼續(xù)增加對(duì)許用接觸應(yīng)力的增加效果不明顯。

表3 不同深度硬化層上滾子的許用接觸應(yīng)力

3 結(jié)論

壓痕深度與滾子直徑之比的對(duì)數(shù)與最大應(yīng)力的對(duì)數(shù)存在線性關(guān)系。當(dāng)平板表面硬度為57～60 HRC，淬硬層深度為3～6 mm時(shí)，隨著淬硬層深度的增加，許用接觸應(yīng)力增大；當(dāng)淬硬層深度達(dá)到5 mm后，許用接觸應(yīng)力增量逐漸減小，為得到較高的許用應(yīng)力，當(dāng)平板表面硬度為57～60 HRC，淬硬層深度應(yīng)大于5～6 mm。