预防轻系列圆锥滚子轴承套圈热处理变形的措施

2013-10-11杨文生赵玉明

哈尔滨轴承 2013年2期

关键词：锥度套圈热应力

杨文生，赵玉明

（哈尔滨轴承集团公司通用轴承公司，黑龙江哈尔滨 150036）

1 前言

轴承套圈热处理的变形量直接关系着后续加工的质量，以致影响轴承成品的质量。淬火变形这一难题制约了提高磨削质量和生产效率，导致了磨削材料的消耗及废品率的增高。如何能更好地控制轴承套圈热处理淬火后的变形量，是需要解决的问题之一。

2 磨削加工中存在的问题

淬火后轴承套圈的变形，使套圈外径、内径尺寸和形状上产生变化，较大的变形，严重影响磨削加工的质量和效率，尤其是圆锥滚子轴承，两端壁厚不对称，使得基面部位外径尺寸略微涨大，而非基面部位向里收缩变小，内圈的内径和外圈的外径产生较大的锥度，内滚道、外滚道角度值改变，造成磨削留量增大或欠缺，几何精度因缺少磨量难以保证，形成废品。淬火后套圈的质量对轴承产品质量有很大的影响。

3 影响套圈热处理变形的因素

轴承套圈在热处理淬火时，由于零件各个部位的冷却不均匀，不可避免地出现热应力和组织应力而导致零件套圈的变形。

3.1 热应力

在冷却时，热应力是因热胀冷缩引起的工件内部一部分金属对另一部分金属的作用力。图1中以一个圆柱体工件为例，说明热应力引起的变形。圆柱体在冷却时，由于冷却不均匀，表面冷得快先收缩，心部冷得慢，阻碍表面收缩，这样表面先冷却的部分受到来自心部的一种拉应力，而心部受到表面部分的一种压应力，如图1 b，拉应力与压应力总称为热应力。如果热应力值超过了该钢材的屈服极限（σs）时，工件将发生变形。在冷却中心部温度高，结果圆柱体高度缩短，直径变粗。又由于圆柱体中间较两端温度高，塑性好，结果被压得更粗，形成腰鼓状变形，如图1 c。从这里可以看出，形状简单的工件，当其高度大于直径时，在热应力作用下，其变形的趋势是高度缩短，直径变粗，而中间直径变得更粗。

图1 圆柱体工件热应力引起的变形示意图

3.2 组织应力

组织应力引起的变形与热应力变形相反，仍以圆柱体工件为例，如图2a，圆柱体在冷却中，表面先冷，当冷至MH点时奥氏体转变成马氏体，因体积膨胀引起压应力。这时心部处于奥氏体阶段，因其比容小，力图阻止表面膨胀，因而产生了拉应力。如图2b。由组织转变引起的内应力称组织应力。当组织应力超过钢材的屈服极限（σs）时，工件将发生变形。心部处于奥氏体状态温度高，塑性好，容易变形，它在拉应力作用下被拉长了，圆柱体中间较两端塑性更好，结果被拉得变细了。在组织应力作用下，圆柱体高度增加，直径变细，中间更细，如图2c所示。

从这里可以看出，对于形状简单的工件，其高度大于直径时，在组织应力作用下其变形的趋势是高度增加，直径变细，中间变得更细。

图2 圆柱体工件组织应力引起的变形示意图

3.3 其它淬火变形因素

（1）刀具进给量过大而产生的残余应力。

（2）卡紧工件的卡力过大，使工件在车加工时产生较大的椭圆度，淬火后椭圆度更大。车加工件几何精度过大（椭圆度、棱圆度、锥度等）会增加淬火后工件的变形量。

（3）工件车加工后的尺寸散差过大，各套圈尺寸大小不一，加上淬火后变形，在磨加工时因缺少磨量而成废品，或因磨量过大，导致生产效率降低、浪费辅材和能源。

4 变形的方式及规律

淬火变形一般分为两类，一类是体积上的变化，另一类是形状上的变化，轴承套圈在淬火过程中变形形式较为复杂，但其原因主要是由几种基本变形叠加而成。

4.1 尺寸的改变

一般情况下轴承套圈淬火时，由于马氏体的转变所引起的尺寸变化，表现为套圈直径和宽度尺寸变化。图3为有代表性的轴承套圈在连续淬火炉中淬火后外径尺寸涨缩规律，轴承套圈外径尺寸越大，膨胀量越大。其值可用公式（1）求出。

式中：d——外径尺寸变化量或膨胀量（mm），

K——比例常数，

D——外径尺寸（mm），

m——修正值（mm）。

图3 轴承套圈淬火后外径尺寸涨缩规律

从图3 中的数据可知，K=0.002 ， m=0.06，因此d=0.0 0 2 D-0.0 6 ，D的适用范围：60≤D≤200mm。

一般情况下，比例常数K随着淬火后的各种条件反应出不同的值，例如：淬火时在Mo点以下冷却速度快时的K值比冷却速度慢时的K值要大，另外由于油温、奥氏体化温度、冷却介质种类、试件形状等不同，K值也不同。为减少膨胀量分散性，淬火时的操作条件必须能使K值一定。

4.2 形状的改变

形状的变形主要包括椭圆度、棱圆度、锥度和平面弯曲度（翘曲）等。

轴承套圈的原材料和退火组织不均匀，也使得组织转变应力不均匀，不均匀的热应力和组织应力共同作用的结果，就使得轴承套圈淬火时产生椭圆。

锥度是轴承套圈二端平均尺寸的差，两端壁厚不对称的轴承套圈，淬火时锥度相对会变大一些，严重时会造成废品。

实际生产中，为掌握圆锥轴承轻系列产品的变形量，做了试验抽检记录，见表1。

表1 32024X/02内径抽检结果

从表1 中不难看出，由于套圈基面与非基面壁厚厚度不同，使得淬火后基面一端收缩，非基面一端更加收缩，因而产生锥度。越是轻系列、幅高越大的产品变形越强烈。

对于超轻、特轻、超轻窄、特窄类及薄壁的轴承套圈，淬火时易发生翘曲。

5 淬火后变形对磨加工质量的影响

轴承套圈热处理淬火变形直接影响磨加工的磨削质量，变形量值超过工艺要求磨量时，便形成废品，即使没有超过工艺所给的留量，也会对磨加工产品质量造成很大影响。

变形所产生的磨削留量过大，会增加磨加工工作量，使磨削时间延长，磨削变质层增厚，同时使磨削变质层不均匀，磨量大的地方磨削变质层厚，磨量小的地方，磨削变质层薄。滚动轴承的主要失效形式是疲劳和磨损，而它们又总是发生在表层和次面层，因此，表面变质层的存在，必将使滚动轴承的工作表面质量下降，影响其寿命。留量的加大，增加磨削加工的负担，造成人为物力的浪费，能源的消耗，降低磨加工的效率。

6 预防及纠正措施

为了减少热处理变形，除了注意锻件的退火组织均匀性，注意淬火时工件的摆放，入油方式等，还必须提高车加工的质量，以便缓解和克服轴承套圈热处理淬火后的变形量。

提高车加工的产品质量应采取以下几种措施。

（1）合理使用液压机床的车削压力和夹紧压力，合理使用切削速度及走刀量。

一般情况下，机床系统压力控制在2.5×10-5kg/m2，夹紧油缸压力在1×10-5kg/m2，切削速度要控制在1.33～1.50m/s。系统压力过大，进给量过快会产生较大的挤压力，会使轴承套圈在热处理时释放车加工的残余应力，造成工件变形量的增加。

（2）控制好车加工过程中的几何形状精度，夹具安装找正要精确，椭圆度、壁厚差、锥度等几何形状精度要在技术条件要求范围内尽量好一些。

（3）车加工的产品尺寸要控制在尺寸公差的中间值。尺寸散差要小。锻件的留量，退火的硬度，刀具切削刃的磨损都会造成车加工工件尺寸散差增大。尺寸散差过大，会使磨削加工尺寸偏差很难控制，影响磨加工的产品质量。

（4）根据轴承套圈淬火变形的规律，在车加工时应预留出锥度变形的空间。一般情况下，截面非对称轴承套圈的变化规律是：远离基面的直径尺寸会有不同程度地发生收缩，内外圈皆是如此，而且系列代号越轻、幅面越宽的产品变形越大。因此在车加工精车时，考虑淬火后变形的问题可参考表1的抽检结果数值。以圆锥滚子轴承内圈（见图4）为例：精车内滚道的实际锥角β1，要比成品设计角度β略小Δβ，β1=β-Δβ。精车内径时，要人为地加工出非基面端内径尺寸比基面端的内径尺寸略大的锥度，两端面内径尺寸的差值为Δd，d1=d+Δd。因Δβ在实际测量中，量表的读值显示的是距离，所以Δβ≈Δd/2。Δd应根据套圈直径尺寸的大小、系列代号的宽窄、轻重等不同条件选取。对于50m m≤d≤80 m m，80m m≤D≤250m m的圆锥轴承圈，Δd值可取在0.07～0.3m m之间。通常情况下，取值的规律是直径越大，系列越轻、越宽的套圈，Δd取值越大。余下一定程度的变形量，可以在磨加工过程中消除。此方法以应用多年，有效地减少了车工变形对磨工的影响。