預防輕系列圓錐滾子軸承套圈熱處理變形的措施

楊文生，趙玉明

（哈爾濱軸承集團公司 通用軸承公司，黑龍江 哈爾濱 150036）

1 前言

軸承套圈熱處理的變形量直接關系著后續加工的質量，以致影響軸承成品的質量。淬火變形這一難題制約了提高磨削質量和生產效率，導致了磨削材料的消耗及廢品率的增高。如何能更好地控制軸承套圈熱處理淬火后的變形量，是需要解決的問題之一。

2 磨削加工中存在的問題

淬火后軸承套圈的變形，使套圈外徑、內徑尺寸和形狀上產生變化，較大的變形，嚴重影響磨削加工的質量和效率，尤其是圓錐滾子軸承，兩端壁厚不對稱，使得基面部位外徑尺寸略微漲大，而非基面部位向里收縮變小，內圈的內徑和外圈的外徑產生較大的錐度，內滾道、外滾道角度值改變，造成磨削留量增大或欠缺，幾何精度因缺少磨量難以保證，形成廢品。淬火后套圈的質量對軸承產品質量有很大的影響。

3 影響套圈熱處理變形的因素

軸承套圈在熱處理淬火時，由于零件各個部位的冷卻不均勻，不可避免地出現熱應力和組織應力而導致零件套圈的變形。

3.1 熱應力

在冷卻時，熱應力是因熱脹冷縮引起的工件內部一部分金屬對另一部分金屬的作用力。圖1中以一個圓柱體工件為例，說明熱應力引起的變形。圓柱體在冷卻時，由于冷卻不均勻，表面冷得快先收縮，心部冷得慢，阻礙表面收縮，這樣表面先冷卻的部分受到來自心部的一種拉應力，而心部受到表面部分的一種壓應力，如圖1 b，拉應力與壓應力總稱為熱應力。如果熱應力值超過了該鋼材的屈服極限（σs）時，工件將發生變形。在冷卻中心部溫度高，結果圓柱體高度縮短，直徑變粗。又由于圓柱體中間較兩端溫度高，塑性好，結果被壓得更粗，形成腰鼓狀變形，如圖1 c。從這里可以看出，形狀簡單的工件，當其高度大于直徑時，在熱應力作用下，其變形的趨勢是高度縮短，直徑變粗，而中間直徑變得更粗。

圖1 圓柱體工件熱應力引起的變形示意圖

3.2 組織應力

組織應力引起的變形與熱應力變形相反，仍以圓柱體工件為例，如圖2a，圓柱體在冷卻中，表面先冷，當冷至MH點時奧氏體轉變成馬氏體，因體積膨脹引起壓應力。這時心部處于奧氏體階段，因其比容小，力圖阻止表面膨脹，因而產生了拉應力。如圖2b。由組織轉變引起的內應力稱組織應力。當組織應力超過鋼材的屈服極限（σs）時，工件將發生變形。心部處于奧氏體狀態溫度高，塑性好，容易變形，它在拉應力作用下被拉長了，圓柱體中間較兩端塑性更好，結果被拉得變細了。在組織應力作用下，圓柱體高度增加，直徑變細，中間更細，如圖2c所示。

從這里可以看出，對于形狀簡單的工件，其高度大于直徑時，在組織應力作用下其變形的趨勢是高度增加，直徑變細，中間變得更細。

圖2 圓柱體工件組織應力引起的變形示意圖

3.3 其它淬火變形因素

（1）刀具進給量過大而產生的殘余應力。

（2）卡緊工件的卡力過大，使工件在車加工時產生較大的橢圓度，淬火后橢圓度更大。車加工件幾何精度過大（橢圓度、棱圓度、錐度等）會增加淬火后工件的變形量。

（3）工件車加工后的尺寸散差過大，各套圈尺寸大小不一，加上淬火后變形，在磨加工時因缺少磨量而成廢品，或因磨量過大，導致生產效率降低、浪費輔材和能源。

4 變形的方式及規律

淬火變形一般分為兩類，一類是體積上的變化，另一類是形狀上的變化，軸承套圈在淬火過程中變形形式較為復雜，但其原因主要是由幾種基本變形疊加而成。

4.1 尺寸的改變

一般情況下軸承套圈淬火時，由于馬氏體的轉變所引起的尺寸變化，表現為套圈直徑和寬度尺寸變化。圖3為有代表性的軸承套圈在連續淬火爐中淬火后外徑尺寸漲縮規律，軸承套圈外徑尺寸越大，膨脹量越大。其值可用公式（1）求出。

式中：d——外徑尺寸變化量或膨脹量（mm），

K——比例常數 ，

D——外徑尺寸（mm），

m——修正值（mm）。

圖3 軸承套圈淬火后外徑尺寸漲縮規律

從圖3 中的數據可知，K=0.002 ， m=0.06，因此d=0.0 0 2 D-0.0 6 ，D的適用范圍：60≤D≤200mm。

一般情況下，比例常數K隨著淬火后的各種條件反應出不同的值，例如：淬火時在Mo點以下冷卻速度快時的K值比冷卻速度慢時的K值要大，另外由于油溫、奧氏體化溫度、冷卻介質種類、試件形狀等不同，K值也不同。為減少膨脹量分散性，淬火時的操作條件必須能使K值一定。

4.2 形狀的改變

形狀的變形主要包括橢圓度、棱圓度、錐度和平面彎曲度（翹曲）等。

軸承套圈的原材料和退火組織不均勻，也使得組織轉變應力不均勻，不均勻的熱應力和組織應力共同作用的結果，就使得軸承套圈淬火時產生橢圓。

錐度是軸承套圈二端平均尺寸的差，兩端壁厚不對稱的軸承套圈，淬火時錐度相對會變大一些，嚴重時會造成廢品。

實際生產中，為掌握圓錐軸承輕系列產品的變形量，做了試驗抽檢記錄，見表1。

表1 32024X/02內徑抽檢結果

從表1 中不難看出，由于套圈基面與非基面壁厚厚度不同，使得淬火后基面一端收縮，非基面一端更加收縮，因而產生錐度。越是輕系列、幅高越大的產品變形越強烈。

對于超輕、特輕、超輕窄、特窄類及薄壁的軸承套圈，淬火時易發生翹曲。

5 淬火后變形對磨加工質量的影響

軸承套圈熱處理淬火變形直接影響磨加工的磨削質量，變形量值超過工藝要求磨量時，便形成廢品，即使沒有超過工藝所給的留量，也會對磨加工產品質量造成很大影響。

變形所產生的磨削留量過大，會增加磨加工工作量，使磨削時間延長，磨削變質層增厚，同時使磨削變質層不均勻，磨量大的地方磨削變質層厚，磨量小的地方，磨削變質層薄。滾動軸承的主要失效形式是疲勞和磨損，而它們又總是發生在表層和次面層，因此，表面變質層的存在，必將使滾動軸承的工作表面質量下降，影響其壽命。留量的加大，增加磨削加工的負擔，造成人為物力的浪費，能源的消耗，降低磨加工的效率。

6 預防及糾正措施

為了減少熱處理變形，除了注意鍛件的退火組織均勻性，注意淬火時工件的擺放，入油方式等，還必須提高車加工的質量，以便緩解和克服軸承套圈熱處理淬火后的變形量。

提高車加工的產品質量應采取以下幾種措施。

（1）合理使用液壓機床的車削壓力和夾緊壓力，合理使用切削速度及走刀量。

一般情況下，機床系統壓力控制在2.5×10-5kg/m2，夾緊油缸壓力在1×10-5kg/m2，切削速度要控制在1.33～1.50m/s。系統壓力過大，進給量過快會產生較大的擠壓力，會使軸承套圈在熱處理時釋放車加工的殘余應力，造成工件變形量的增加。

（2）控制好車加工過程中的幾何形狀精度，夾具安裝找正要精確，橢圓度、壁厚差、錐度等幾何形狀精度要在技術條件要求范圍內盡量好一些。

（3）車加工的產品尺寸要控制在尺寸公差的中間值。尺寸散差要小。鍛件的留量，退火的硬度，刀具切削刃的磨損都會造成車加工工件尺寸散差增大。尺寸散差過大，會使磨削加工尺寸偏差很難控制，影響磨加工的產品質量。

（4）根據軸承套圈淬火變形的規律，在車加工時應預留出錐度變形的空間。一般情況下，截面非對稱軸承套圈的變化規律是：遠離基面的直徑尺寸會有不同程度地發生收縮，內外圈皆是如此，而且系列代號越輕、幅面越寬的產品變形越大。因此在車加工精車時，考慮淬火后變形的問題可參考表1的抽檢結果數值。以圓錐滾子軸承內圈（見圖4）為例：精車內滾道的實際錐角β1，要比成品設計角度β略小Δβ，β1=β-Δβ。精車內徑時，要人為地加工出非基面端內徑尺寸比基面端的內徑尺寸略大的錐度，兩端面內徑尺寸的差值為Δd，d1=d+Δd。因Δβ在實際測量中，量表的讀值顯示的是距離，所以Δβ≈Δd/2。Δd應根據套圈直徑尺寸的大小、系列代號的寬窄、輕重等不同條件選取。對于50m m≤d≤80 m m，80m m≤D≤250m m的圓錐軸承圈，Δd值可取在0.07～0.3m m之間。通常情況下，取值的規律是直徑越大，系列越輕、越寬的套圈，Δd取值越大。余下一定程度的變形量，可以在磨加工過程中消除。此方法以應用多年，有效地減少了車工變形對磨工的影響。

圖4 熱處理淬火后非基面收縮變形的軸承套圈

7 結束語

提高車加工產品的質量，采取一些控制和減少軸承套圈熱處理后變形量的手段和措施，會減少磨工廢品，增加產量，節約原材料和能源，降低成本，增加效益，提升軸承產品的質量，為公司的生產和經濟效益做出貢獻。