许正根

(洛阳轴承研究所有限公司，河南 洛阳 471039)

轧辊用四列圆锥滚子轴承的使用工况比较恶劣，要求轴承具有高转速、高精度、高载荷容量、高可靠性、耐磨损、长寿命、良好的冲击韧性及密封等特性。四列圆锥滚子轴承的设计、质量控制与通常的单、双列圆锥滚子轴承有很大不同，考虑的因素较多，其设计、加工难度及复杂程度均较高。在此，根据多年的设计、工艺及技术服务经验，阐述四列圆锥滚子轴承的设计及质量控制要点，以供相关技术人员参考。

1 设计要点

1.1 材料的确定

套圈和滚子的材料主要根据工况确定，需要考虑轧机类型、轧辊转速、轧制材料、轧制力和冲击载荷、以及润滑方式等因素，这些工况都会对轴承材料的选择有所影响。对于冲击载荷大的场合，应选择渗碳钢；对于冲击载荷较小的场合，可选择全淬钢。一般情况下，套圈和滚子材料均应采用渗碳钢。对于冲击载荷相对较大的场合，可采用外圈材料为全淬钢，内圈材料为渗碳钢的组合方式。套圈的热处理方式可选择马氏体淬火或者下贝氏体淬火。

冲压保持架的材料一般选用08AL低碳钢板或性能更加优越的材料，表面最好采用磷化处理。支柱焊接保持架的材料，一般选用可焊性好的20钢，支柱采用40钢，表面进行高频淬火，深度控制在1 mm左右。

内、外隔圈材料采用40或45钢。对内隔圈要进行调质处理，淬火后硬度需控制在45 HRC以上。

1.2 主参数的确定

四列圆锥滚子轴承的主参数有：内径d、外径D、公称宽度T、内圈宽度B、外圈滚道角度α、滚子的半锥角Φ、滚子的大端直径Dw、滚子的长度Lw、外圈滚道的小端直径De、滚子的个数Z。其中，d，D，T，B均是已知的，α的值可以通过查样本及有关标准确定，样本所列为e值，则α=arctan(e/1.5)，单位为弧度。α值与标准中规定的角度值或之前设计过的类似产品的角度值相比较并向它们靠近，这样能节约一些工装和量具。

四列圆锥滚子轴承的设计要比单、双列圆锥滚子轴承考虑的因素更多一些，细节的设计尤为重要。在四列圆锥滚子轴承设计中要考虑套圈的最薄弱处和渗碳层深度的最佳匹配，4个保持架之间间隙的合理控制，内、外挡圈材料和结构的设计等因素。对于GB/T 300—2008中规定的四列圆锥滚子轴承外形尺寸方案，设计时需考虑与单、双列圆锥滚子轴承主参数能否通用的问题。

四列圆锥滚子轴承的优化设计，实际上是对De，Dw，Lw，Z和Φ的优化。在设计过程中，一定注意套圈壁厚、滚子长度、滚子个数和额定动载荷的关系，不能顾此失彼。

1.3 辅助结构参数的确定

轴承内部的辅助结构参数对轴承的使用寿命也有一定的影响，需合理确定。

(1)滚子与内圈小挡边的间隙及滚子高度相互差的控制。通用轴承的滚子与挡边之间的间隙一般都在0.5 mm以上，小挡边不进行磨削；而轧辊轴承要求滚子与内圈小挡边之的轴向间隙应小于0.2 mm，其小挡边和滚子非基准端面都应予以磨削。滚子的高度相互差应得到控制，这样能缩小滚子与内圈小挡边间的间隙，从而削弱轴承装配时滚子自锁的作用，使得轴承工作时受力更加均匀。

(2)内圈油槽及内、外圈壁厚差的设计。对于相对转速较高的场合，内圈的内径面要设计螺旋油槽，内圈端面设计径向油槽，这样能有效防止内孔、端面和轧辊之间因蠕动而引起的烧粘现象。过大、过深的油沟会对轴承的使用寿命造成严重影响;过小、过浅的油沟对轴承的加工将造成影响。因此，应尽量将油沟的尺寸控制到最小，以增加滚道有效尺寸，延长轴承使用寿命。另外，内、外圈壁厚差要合理确定，一般情况下内圈的有效壁厚比外圈大，根据尺寸及截面大小，内、外圈的壁厚差可在0.5～5 mm之间调整。内、外圈滚道应带有凸度，这有可能会受到目前国内加工设备的制约。

(3)应采用凸度滚子，素线为对数曲线的滚子较宜。滚子的精度等级不能低于Ⅱ级。

(4)保持架的设计。采用钢板冲压保持架的四列圆锥滚子轴承，其滚子组与保持架的径向游动量要严格按照JB/T 10337—2002标准进行控制。当轴承转速提高时，若保持架过于松动，必然加大滚子歪斜的趋势，且自身所受的冲击载荷也较大，会影响轴承性能和寿命。 冲压保持架的梁宽不宜太窄，梁宽要控制为1.5～1.8倍的保持架板厚，并计算好滚子的数量，防止因保持架梁宽过窄而造成轴承早期失效。 对于采用支柱焊接结构保持架的四列圆锥滚子轴承，滚子的内孔与支柱之间的间隙要合理控制。间隙过大或过小都将影响轴承的使用寿命。 对于支柱焊接的保持架，传统设计支柱螺纹部分带有退刀槽，会降低支柱的强度，而实践证明，没有退刀槽并不影响螺纹的加工；因此，建议取消退刀槽。 对采用冲压及支柱焊接的保持架，要注意保持架之间的间隙，以免发生干涉，间隙推荐值见表1。

表1 双、四列圆锥滚子轴承保持架间隙推荐值 mm

(5)轴承游隙的确定。过大的游隙将造成轴承有效载荷区的滚子数减少，轴承的疲劳寿命降低；过小的游隙将造成轴承运转过程中发热，最终使轴承卡死。圆柱孔的四列圆锥滚子轴承和轧辊的配合是间隙配合，游隙应选择2组或基本组，也有特殊情况选择3组大游隙。

(6) 渗碳层深度的确定。渗碳层深度应根据零件端面尺寸与使用条件确定，必要时，要对其进行理论计算(计算出接触应力及最大剪切应力所达到的部位，乘以安全系数，给出尺寸范围)。 对采用渗碳钢的轴承，内圈小挡边的厚度不宜太薄。当确定了套圈的有效硬化层深度后，要计算小挡边的厚度是否合适，会不会被渗透。

(7)密封材料的选择。SKF早期的四列圆锥滚子轴承密封材料选择氟橡胶，近些年正对丁腈橡胶进行试验分析。为保证使用可靠性，建议最好采用氟橡胶密封材料。密封唇和密封接触部位的过盈量影响密封效果，有资料显示，过盈量应在2.5～3.6 mm之间选取。与密封唇接触部位的表面粗糙度Ra应控制在0.3～0.4 mm，表面粗糙度过大或过小都将会影响密封效果。

2 工艺控制

轴承质量的优劣，不仅取决于结构设计是否合理，而且很大程度上取决于工艺水平的高低。

2.1 锻造控制

轴承零件毛坯锻造时，应十分注意金属纤维的流向，避免金属纤维在工作表面出现断开。研究表明，疲劳剥落有可能发生在工作表面上金属纤维断开的地方。在接触应力反复作用下，该处容易产生微裂纹，进而发展为疲劳剥落。轴承套圈绝大部分以经过轧制的钢材为原料。经过轧制的钢材已经有了足够的锻造比，且形成了沿钢材轴向分布的纤维组织。把钢材制成套圈时应注意纤维的流向，当纤维组织的流向与工作表面平行时，纤维不会在工作表面断开，轴承寿命较长。对锻造过程中的一些其他缺陷(如氧化、脱碳、过热、白点、过烧及开裂等)也要严格控制，对有致命缺陷的锻件，必须报废。

2.2 热处理控制

在热处理控制上，特别要注意渗碳零件的质量，这是影响轧辊轴承寿命的关键因素。渗碳钢轴承套圈渗碳过程中要严格控制渗碳层的碳浓度、碳梯度和深度，做好随炉试样的检测。

渗碳层中的碳浓度必须适宜。过高的表面碳浓度不仅会形成粗大块状或网状碳化物，使脆性增大，显著降低轴承疲劳寿命，而且淬火后会使渗碳层出现大量的残余奥氏体，降低硬度。过低的表面碳浓度会使淬火后工件表面硬度不足，耐磨性、耐疲劳性降低，零件工作时会很快因产生塑性变形而磨损。轴承零件渗碳后表面碳量一般认为在0.8%～1.05%(质量分数)为宜，这样能保证表面获得较高的淬火硬度和良好的组织。

碳含量沿着渗层变化的梯度应该是平缓的，这样产生的组织应力较小，渗碳层与心部的结合较为牢固；反之，组织过度有突变，易引起渗碳层的剥落。

渗碳层深度应根据产品图纸所标注尺寸加上工艺留量来确定，渗碳层深度应大于最大剪应力处距表面的距离。渗碳层过浅或过深都会使轴承出现早期失效，特别是渗碳层过深造成的影响更大。因此，应采取多种方法和仪器对渗碳过程进行检测。

应对冲压钢板保持架进行碳氮共渗或氮化等表面强化处理，以免由于保持架的失效使轴承出现早期失效。

2.3 精度及寿命控制

冷加工的质量控制要重点避免磨削裂纹和磨削烧伤的产生。内圈挡边磨削后要进行100%的无损探伤检验，因为这个部位最容易产生磨削裂纹及磨削烧伤。应严格控制轴承各零件的几何精度及合套后轴承的各项几何精度(如装配高等)。几何尺寸精度的检验比较直观，宏观上容易控制。滚道表面质量对于轴承在工作时形成润滑油膜非常重要，因此滚道的表面粗糙度要严格控制。轴承内径、外径、游隙和滚道的尺寸与形位偏差要尽量控制好离散度，以保证轴承寿命的稳定性。

保持架、套圈及滚子上的尖角锐边与毛刺都会使油膜破坏，并易损伤接触表面，必须予以消除。保持架要进行光饰处理。滚子的倒角要光滑、匀称，两端的凹穴要对称，空心滚子的内孔要进行绞制，保证内孔光洁、无毛刺。滚子要按II级或I级滚子的指标控制。

四列圆锥滚子轴承的尺寸精度及旋转精度应保证公差等级在P5以上，这对于延长轴承寿命，保证所轧钢材质量，都起到很好的作用。

在配置轴承的游隙时，四列游隙的相互差要控制在一定范围内。这在轴承的有关标准中没有规定，但根据使用经验，很有必要进行控制。根据轴承尺寸大小建议控制在0.02～0.05 mm。

由于四列圆锥滚子轴承多为大型、特大型轴承，在生产组织上，内圈大挡边的磨削要等滚子加工完毕后进行。目的是用滚子的球基面检查挡边的磨削质量，用着色检查法看挡边和滚子球基面的接触情况，以保证接触区域在挡边的中间部位。

为了延长轴承的使用寿命，轴承的外径处应标记4条均匀分布的压力线。轴承在使用一段时间后，应把外圈载荷区转动一个位置，防止一个位置重复受力，从而有效延长轴承使用寿命。

3 结束语

从设计的角度来看，我国四列圆锥滚子轴承的设计水平与国外的差距越来越小，几乎接近一致，工作重点应放在与加工制造相关的各个方面，应从原材料做起，每个工序都要认真研究，相关仪器、装备应得到保障，从而提高轴承的制造精度。