42CrMo鋼點接觸下許用應(yīng)力的試驗研究

陳龍，左傳偉，閆佳飛，邱明，夏新濤

(1.河南科技大學(xué) 機電工程學(xué)院，河南 洛陽 471003；2.五洲新春集團有限公司，浙江 新昌 312500)

1 概述

轉(zhuǎn)盤軸承的套圈材料一般選用符合GB/T 699—1999規(guī)定的50Mn鋼或符合GB/ T 3077—1999規(guī)定的42CrMo鋼，套圈滾道表面淬火，硬度要求為55～62 HRC；滾動體采用GCr15鋼或者GCr15SiMn鋼制造，材料應(yīng)符合GB/T 18254—2002的規(guī)定。對于一些工況條件較為苛刻的轉(zhuǎn)盤軸承，如風(fēng)力發(fā)電機偏航與變槳軸承、盾構(gòu)機主軸軸承等，一般采用42CrMo鋼作為轉(zhuǎn)盤軸承的套圈材料，42CrMo鋼材料成分及不同標(biāo)準(zhǔn)對比見表1。風(fēng)力發(fā)電機偏航、變槳軸承一般采用兩點、四點或八點接觸的單、雙排球結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)盤軸承[1]，鋼球應(yīng)符合GB/T 308—2002的規(guī)定。

轉(zhuǎn)盤軸承內(nèi)部的載荷分布狀態(tài)決定了固定圈與活動圈之間的相對位移、軸承的剛性以及受載最大鋼球位置與最大載荷值，因而轉(zhuǎn)盤軸承的載荷分布一直受到極大關(guān)注[2]。在準(zhǔn)確計算轉(zhuǎn)盤軸承的載荷分布后，必須明確GCr15鋼球與42CrMo鋼制套圈之間接觸應(yīng)力的許用水平，方能計算該軸承的承載能力、壽命以及可靠性問題[3-4]。文獻(xiàn)[5]認(rèn)為轉(zhuǎn)盤軸承接觸應(yīng)力的許用水平應(yīng)該是承受最大載荷的滾動體與滾道接觸中心處產(chǎn)生總永久變形量為滾動體直徑的1×10-4倍時的接觸應(yīng)力；文獻(xiàn)[6]則認(rèn)為此值應(yīng)為3×10-4，并給出淬硬層深度大于0.1倍鋼球直徑、硬度不低于55 HRC的42CrMo鋼制轉(zhuǎn)盤軸承套圈的點接觸許用接觸應(yīng)力為3 850 MPa的經(jīng)驗值，但并未給出此經(jīng)驗值的來源和依據(jù)。文獻(xiàn)[7]利用直線型滾子和平板對壓試驗研究了滾子與42CrMo鋼線接觸的許用應(yīng)力。

表1 不同標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的42CrMo材料牌號與化學(xué)成分對比

由于風(fēng)力發(fā)電機用轉(zhuǎn)盤軸承(尤其是變槳軸承[8])工況的特殊性以及較為嚴(yán)格的可靠性要求[9-11]，現(xiàn)參考42CrMo鋼制轉(zhuǎn)盤軸承熱處理技術(shù)條件[12-15]制備不同硬度與淬硬層深度的42CrMo試樣，并將其與GCr15鋼球?qū)海@得不同的壓痕深度，利用回歸分析方法得到壓痕深度與接觸應(yīng)力的關(guān)系，并最終確定點接觸狀態(tài)下42CrMo鋼的許用應(yīng)力。

2 試驗方案

選取42CrMo鋼制備試樣，經(jīng)機加工后對試樣表面進(jìn)行不同的中、高頻表面淬火，獲取不同表面硬度和淬硬層深度的試樣，利用洛氏硬度計測量不同工藝條件下的表面硬度，利用顯微硬度計測試顯微硬度并獲取淬硬層深度。將試樣分成多組硬度與淬硬層深度范圍，采用不同尺寸的滾動體進(jìn)行壓縮試驗，壓縮后用輪廓儀獲取壓痕深度。其技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 硬度與淬硬層深度對于壓痕深度影響試驗技術(shù)路線

2.1 試樣制備

風(fēng)力發(fā)電機偏航、變槳軸承鋼球與溝道的實際接觸形式為兩點或四點接觸[3]，鋼球與外圈溝道接觸時，為一段曲率較大的圓弧和鋼球球面的點接觸(圖2a)，鋼球球面和溝道曲率圓的圓心在一個方向；鋼球與內(nèi)圈溝道接觸時，則相反，如圖2b所示。接觸理論計算以及工程實踐均表明，由于曲率方向性問題，內(nèi)圈和鋼球的接觸應(yīng)力大于外圈與鋼球的接觸應(yīng)力，同時考慮試樣制備的方便性，選取3根42CrMo棒料作為試樣，直徑為18 mm，長度為100 mm。

圖2 接觸形式

2.2 試驗方法

2.2.1 表面淬火試驗

采用HKHP-22S數(shù)控臥式雙工位淬火機床對試樣表面淬火，該設(shè)備可同時對兩件相同的軸類零件一起進(jìn)行連續(xù)、整體淬火，淬火硬度以及淬硬層深度可通過調(diào)整試樣運動速度以及不同的功率系數(shù)獲得。熱處理過程中在不同的功率系數(shù)下以不同速度運行，獲取12段不同硬度與不同淬硬層深度的試樣，每段試樣的長度約為25 mm。試驗中3根試樣淬火時選擇的功率系數(shù)分別為930，850，930，各試樣的4段速度見表2。第3根試樣和第1根試樣有兩段的速度區(qū)間及功率系數(shù)相同，目的是為了對比不同試樣在相同工藝條件下的淬火效果。

表2 試樣淬火時4段的運行速度 mm/min

采用HR-150A洛氏硬度計測量表面硬度，按照不同的工藝條件，獲取的試樣數(shù)為12段。表面洛氏硬度檢測過程中執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為JB/T 7361—2007《滾動軸承 零件硬度試驗方法》。

采用MH-6顯微硬度計檢測顯微硬度與淬硬層深度。顯微硬度檢測的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 4340.1—1999《金屬維氏硬度試驗 第1部分 試驗方法》，淬硬層深度檢測的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 9451—2005《鋼件薄表面總硬化層深度或有效硬化層深度的測定》。將12段試樣磨光、拋光、浸蝕以顯示欲評定的組織。拋光過程中為避免機械拋光引起的加工硬化，采用電解拋光制備試樣；依據(jù)國標(biāo)確定壓入載荷；為避免壓痕的彈性回復(fù)問題，依據(jù)顯微硬度值的比較標(biāo)準(zhǔn)最終確定顯微硬度值。試樣經(jīng)處理后直徑變?yōu)?7.7 mm。

2.2.2 壓痕試驗

采用DDL-100電子萬能試驗機進(jìn)行試樣的壓痕試驗，如圖3所示。由于試驗用的試樣以及鋼球的硬度較高，為防止損害試驗機并便于裝夾自制了輔助工裝，如圖3c所示。依據(jù)風(fēng)力發(fā)電機用偏航、變槳軸承大量使用的鋼球與溝道的曲率比，綜合棒料試樣的直徑尺寸，選取對壓鋼球的直徑為18.526，19.05和19.884 mm。壓制過程中所選用載荷分別為10，20，30，40，50 kN。

圖3 DDL-100電子萬能試驗機

3 試驗數(shù)據(jù)

3.1 表面淬火試驗結(jié)果

洛氏硬度的測定值見表3。淬硬層維氏硬度集中于550～650 HV。規(guī)定試樣1在速度1下的試樣編號為1-1，依次類推。試樣1-1選用功率系數(shù)高、速度慢，發(fā)生試樣被淬透的現(xiàn)象，如圖4a所示；試樣1-2淬硬層深度為5.50 mm，深度較深，觀察其維氏硬度曲線圖發(fā)現(xiàn)隨著深度加深硬度下降顯著；試樣1-3淬硬層深度為4.10 mm，淬硬層深度中等，淬硬層硬度變化較小，但維氏硬度曲線圖顯示從表層硬度即開始下降；試樣1-4淬硬層深度為3.20 mm，深度較淺，淬硬層硬度變化較小。試樣2-1(圖4b)與試樣1-1速度一致，功率系數(shù)降低，因而材料未淬透，淬硬層深度仍然較深，為6.75 mm，淬硬層硬度變化較小；試樣2-2淬硬層深度為4.05 mm，深度較深，淬硬層內(nèi)硬度顯著下降；試樣2-3淬硬層深度為3.05 mm，淬硬層深度中等，淬硬層硬度變化較小；試樣2-4淬硬層深度為2.45 mm，深度較淺，淬硬層硬度變化較小，淬硬層硬度有上升趨勢。試樣3-1(圖4c)淬硬層深度為4.10 mm，淬硬層硬度變化較小；試樣3-2淬硬層深度為3.30 mm，深度較淺，淬硬層硬度變化較小；試樣3-3淬硬層深度為3.05 mm，淬硬層深度中等，淬硬層硬度變化較小；試樣3-4淬硬層深度為2.45 mm，深度較淺，淬硬層硬度變化較小，淬硬層硬度有上升趨勢。試樣1-3與3-1，1-4與3-2工藝參數(shù)相同，所獲得的淬硬層深度也很接近，顯微硬度的變化趨勢一致，較好地說明了工藝過程控制的穩(wěn)定性。

表3 表面硬度與淬硬層深度

圖4 不同淬硬層深度、不同硬度時的壓痕深度數(shù)據(jù)

3.2壓痕試驗結(jié)果

圖5為試樣上的壓痕，隨著表面硬度、壓力以及加載鋼球直徑的變化，壓痕深度均有變化，壓痕試驗完成后采用輪廓儀獲取壓痕的深度值。

圖5 壓痕照片

圖6為不同淬硬層深度、不同硬度時的壓痕深度數(shù)據(jù)。其中圖6a為不同壓力下不同表面硬度與壓痕深度關(guān)系；圖6b為不同壓力下不同淬硬層深度與壓痕深度關(guān)系。圖中5組曲線分別為施加10，20，30，40，50 kN載荷時的壓痕深度。每一相同硬度以及淬硬層深度對應(yīng)的3個點分別為直徑18.526，19.05和19.884 mm鋼球壓入時的壓痕深度值。

圖6 不同淬硬層深度、不同硬度時的壓痕深度數(shù)據(jù)

4 試驗數(shù)據(jù)的分析與處理

根據(jù)圖6可以得到以下定性分析：

(1)數(shù)據(jù)曲線組明顯分段的原因是壓痕深度隨壓力變化而變化，壓力增加，壓痕深度增加；

(2)硬度接近的試樣，在保證基本淬硬層深度的前提下，淬硬層深度越深，壓痕深度有加深的趨勢；

(3)淬硬層深度接近的試樣，硬度越大，則許用應(yīng)力也越大。由于試樣的硬度集中于51～60 HRC，因而此結(jié)論使用范圍僅適用于參與試驗的試樣實際硬度狀態(tài)，不應(yīng)擴展到更寬的硬度范圍；

(4)對于硬度和淬硬層深度相同的試樣，對壓鋼球的直徑越大，則壓痕深度越淺，這與Hertz接觸理論具有較好的一致性。

根據(jù)Hertz接觸理論計算鋼球與圓柱體的最大接觸應(yīng)力[16]，計算公式為

(1)

(1)式中各符號的意義見文獻(xiàn)[16]，此處不再贅述。以關(guān)聯(lián)壓痕深度(永久變形量)與對壓鋼球直徑的比值來定義鋼球壓入的許用應(yīng)力，即

(2)

式中：δq/Dw為永久變形量與鋼球直徑的比；m為最大接觸應(yīng)力的指數(shù)；K為常數(shù)。

為簡化計算，(2)式兩端取對數(shù)

lg(δq/Dw)=mlgσmax+lgK。

(3)

參照文獻(xiàn)[6]的推薦值，規(guī)定鋼球與溝道接觸中心產(chǎn)生永久變形量與鋼球直徑比值為0.000 3時所承受的接觸應(yīng)力為許用接觸應(yīng)力。由于對壓鋼球直徑越大，壓痕越淺，以下以18.526 mm鋼球(最小直徑)與試樣1-1對壓的數(shù)據(jù)為例展開分析，計算結(jié)果見表4。

表4 壓痕結(jié)果數(shù)據(jù)處理

(4)

為了由樣本數(shù)據(jù)得到回歸參數(shù)β0,β1的估計值，使用普通最小二乘估計(OLSE)求解，得

(5)

由于試樣總量較少，因而不能得到樣本的精確分布形式，討論相關(guān)性如下。引入Pearson相關(guān)系數(shù)

(6)

將以上數(shù)據(jù)代入(6)式，求得相關(guān)系數(shù)r=0.972。

將各系數(shù)值代入(4)式，回歸直線方程為

y=-17.422 5+3.915 1x。

(7)

將(7)式變?yōu)?3)式的標(biāo)準(zhǔn)型

δq/Dw=3.78σmax3.915 1×10-18。

(8)

當(dāng)δq/Dw=0.000 3時，由(8)式得該組試樣的許用接觸應(yīng)力σH= 3 607.5 MPa，此計算值略低于文獻(xiàn)[6]推薦的3 850 MPa，但較為接近，影響的因素包含表面硬度、接觸時的曲率比等。

5 結(jié)束語

針對偏航、變槳軸承的結(jié)構(gòu)形式、材料、熱處理工藝條件開展了試驗研究，判斷了GCr15鋼球與表面淬硬的42CrMo鋼對壓時點接觸下的許用應(yīng)力，為偏航、變槳軸承的壽命計算與可靠性分析提供了數(shù)據(jù)支撐。

試驗中存在的不足有以下幾個方面。

(1)樣本容量不足。由于試驗成本的問題，制備的試樣總數(shù)為12件，試驗設(shè)計中盡可能考慮各種狀態(tài)，但樣本量小對于分析的可靠性有所欠缺，回歸分析雖然獲得較高的Pearson系數(shù)，但無法排除假相關(guān)的可能性。

(2)熱處理試驗后未能對組織狀態(tài)進(jìn)行金相分析，難以說明組織狀態(tài)對于許用應(yīng)力的影響。

(3)壓痕試驗中試驗機與輔助工裝的剛性不良，對于試驗結(jié)果可能產(chǎn)生一定影響，這一部分的影響因素未計入分析。

(4)由于試驗條件的限制，采用對壓的42CrMo鋼的試樣結(jié)構(gòu)形式為棒料，與實際狀況有所差異。