軸承套圈熱處理錐度變形的分析及控制

劉國麗，何玉瑋，呂洪偉

（哈爾濱軸承集團公司 熱處理分廠，黑龍江 哈爾濱 150036）

1 前言

眾所周知，軸承套圈在熱處理過程中會產生多種變形，主要有橢圓變形、錐度變形和翹曲變形等，這些變形最終將導致軸承套圈在磨削過程中精度下降、成本增加，甚至成為廢品。其中，錐度變形是影響產品質量的重要因素之一。6210外圈（見圖1）由于熱處理后軸承套圈的密封槽不再加工，因此錐度變形會造成密封槽尺寸散差大，嚴重時引起密封蓋不嚴，使用過程中會出現漏脂、掉蓋等問題。為此，對軸承套圈的錐度變形問題進行了分析和探討。

圖1 6210外圈尺寸

2 軸承套圈熱處理錐度變形機理及原因分析

軸承套圈在入油冷卻過程中會經歷蒸汽膜階段、沸騰階段和對流階段。由于套圈向周圍介質通過輻射和對流傳遞熱量，使套圈周圍產生蒸汽膜，隨著熱量繼續傳遞，包裹蒸汽膜的汽-液界面發生沸騰，沸騰產生的蒸汽進入蒸汽膜中，使膜內的蒸汽壓足以抵擋外部液體的壓力，因而蒸汽膜得以維持；工件表面的溫度越高，蒸汽膜越厚，也越穩定[1]。在蒸汽膜內，挨近表面的蒸汽受到一個向上的浮力，會向上流動，所以上部的蒸汽溫度高于下部，如圖2a。在試樣表面溫度相同的條件下，蒸汽膜內的氣體溫度越高，試樣表面通過熱傳導和對流的方式向外側蒸汽散失的熱量就越少，從而使軸承上下部分產生溫差[2]。隨著工件的溫度降低，產生的蒸汽逐漸減少，直到蒸汽膜變薄破裂，套圈下端先進入沸騰階段,如圖2b。因為氣體熱傳導散熱效果最差，所以蒸汽膜階段冷卻速度慢，且沸騰階段散熱形式多樣，所以蒸汽膜階段到沸騰階段的過渡階段，是冷卻速度由慢到快的突變期，從而使上下端面溫度差進一步拉大。下端進入對流階段后，發生馬氏體轉變，由于馬氏體比容較大，引起體積脹大，而上端未發生馬氏體轉變，塑性較好，從而使上端發生塑性變形;當上部分溫度達到Ms點以下時發生馬氏體轉變，上部脹大，但下部分由于轉變早，表面硬化，變形不能完全恢復，從而產生錐度變形，如圖2c。

圖2 軸承錐度產生原理示意圖

3 錐度變形的控制

對于網帶爐，淬火油槽中的小網帶具有上下竄動與轉速可控的功能。小網帶適當的上下竄動有利于蒸汽膜的破裂，縮短蒸汽膜階段的時間，使錐度變形減小［3］。轉速可控就意味著套圈翻轉時間可控，對于不同的套圈選擇合適的轉速使其在合適的時間發生180°翻轉，使上下端面溫差縮小，套圈上下部分馬氏體轉變開始、結束時刻相近，從而將其錐度變形控制到最小。

為了選擇較合適的小網帶線速度，用6210外套圈做了三種不同線速度的試驗，為了避免沖撞引起變形，選用小網帶竄動頻率為90次/min；為了避免攪拌流速對變形造成影響，且6210外套圈壁厚較薄裝爐量不大，故設定攪拌頻率為零；為了避免套圈在提升機上疊壓、堆積引起變形的同時影響翻轉，選定提升機線速度稍大于小網帶的線速度，為0.06m/s，試驗數據和結果如圖3。

圖3 不同翻轉時間下錐度對比

網帶爐油槽結構示意圖見圖4。對比三組套圈翻轉時間的錐度變形值后發現，小網帶設定的翻轉時間18s對比于其它翻轉時間，對6210外套的錐度變形控制相對較好，即，6210外套在落到小網帶上開始計時，18s后翻轉使6210外套在提升網帶上上下（即A、B）端面發生馬氏體轉變的時間較接近，從而使該套圈錐度變形較小。同時發現總有錐度變形值較大的數據出現，結合錐度變形數據與油槽結構示意圖分析后發現，由于套圈外徑較小，熱處理錐度變形大的套圈在翻轉處S位置發生360°翻轉或者未發生翻轉，沒有起到減小上下端面的溫度差的作用，從而導致在提升機上上下部分蒸氣膜破裂時刻不相近，使套圈產生較大的錐度變形。同時，套圈自后爐門落下，不排除在小網帶上落點不確定的情況，使部分套圈翻轉時間較短或較長，從而使上下端面存在較大的溫度差，導致錐度變形的產生。

圖4 網帶爐油槽結構示意圖

4 結論

（1）網帶爐小網帶確實有較好地控制錐度變形的作用，但是套圈尺寸多樣，考慮其結構設計不能適應各種尺寸的套圈翻轉180°的需要，所以要經過進一步的試驗并與其它設備進行比較，選擇合適的套圈尺寸范圍。

（2）對于不同壁厚的套圈，如果錐度變形要求較高，可以依據套圈錐度變形產生原理改變小網帶的線速度，但是要保證提升機的線速度大于等于小網帶的線速度，從而避免套圈堆積干擾錐度變形的控制。

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