大尺寸三排圓柱滾子轉盤軸承滾道分面感應淬火工藝

霍曉磊，史亞妮，李崇崇，朱占旗

(洛陽LYC軸承有限公司，河南 洛陽 471039)

三排圓柱滾子轉盤軸承被廣泛應用于工業生產重型設備中，其使用工況的特殊性決定了作為關鍵工序的滾道表面感應淬火工序必須達到很高的技術要求，尤其是港口大型船用裝載平臺、隧道用主軸承、塔吊機用軸承、海上風力發電機平臺等軸承的成品滾道淬火硬度要求57～62 HRC，硬化層深度≥7 mm。目前產品滾道硬度55～60 HRC，硬化層深度≤6 mm，且硬度或硬化層深度不均勻，在滾道倒角或油溝處會出現淬火裂紋等。為了解決上述問題，需要對淬火工藝進行改進優化。

1 產品要求

1.1 結構及要求

三排圓柱滾子轉盤軸承要求與滾子接觸的部位需進行淬火，包括滾道和滾子引導面，通常采取表面感應淬火的方式獲得所需的硬度和硬化層深度。軸承裝配后，滾子與滾道的接觸面寬度H和滾道的實際寬度L大致滿足

H+2h≈L，

(1)

式中：h為保持架壁厚。

圖1及(1)式表明，滾道載荷區尺寸和滾子的長度幾乎相等，保持架壁厚處所對應的區域為外(內)徑倒角區域和油溝區域，這2處按照產品技術要求允許不淬火處理[1]。

圖1 滾子接觸示意圖

1.2 材料選擇

轉盤軸承材料選用42CrMo鋼，其具有高強度和韌性，淬透性好，無明顯的回火脆性，調質處理后有較高的疲勞極限和抗多次沖擊能力，低溫沖擊韌性良好，滾道表面淬火后組織均勻。42CrMo鋼化學成分見表1。

表1 42CrMo鋼化學成分

2 淬火功率的計算

設計的三排圓柱滾子轉盤軸承尺寸及淬火面標識如圖2所示，淬火總長度A+B+C+D+E≈300～500 mm。

圖2 套圈滾道淬火面標識

按照淬火機床的輸出功率

P總=P0ΔS，

(2)

ΔS=L1L2，

(3)

式中：P總為滾道加熱所需要的理論總功率，kW；P0為加熱比功率，依經驗值取為0.9 kW/cm2；ΔS為滾道加熱受熱等效面積，cm2；L1為滾道淬火面寬度，cm；L2為感應器加熱周向寬度，cm。

P滾道=ηP總，

(4)

式中：P滾道為滾道淬火時施加到淬火面上的實際加熱功率；η為淬火機床的功率因數，由于變壓器效率降低及感應器匯流排的熱損耗，η取0.75。由(2)～(4)式計算得到P滾道=100～170 kW。

目前使用的淬火機床額定輸出功率最高為150 kW，按照圖2所示淬火，對于小尺寸滾道的常規淬火還可以滿足，對于大尺寸滾道淬火或者對硬度和硬化層深度有特殊要求的產品則無法滿足，需要重新設計淬火加工方案及感應器結構。

3 淬火感應器的設計

三排圓柱滾子轉盤軸承滾道淬火感應器加熱方形銅管通常采用16 mm×12 mm規格，厚度2 mm的紫銅管，感應器形狀依據淬火滾道形狀做成仿形，淬火時需要調整好感應器與滾道的耦合間隙，以保證淬火溫度，通常為2～4 mm[2]。

3.1 改進前淬火感應器

改進前滾道感應器與工件的裝卡方式如圖3所示，淬火方式為所有滾道一體淬火，在加熱銅管上裝卡厚度為0.30 mm的“П”形硅鋼片導磁體，并在主加熱銅管上鉆直徑1.8 mm的噴水孔，水孔角度以不返水為宜(圖4)。此類型感應器主要用于滾道硬度、硬化層深度要求不高的產品淬火，通常淬火硬度要求為55～60 HRC，硬化層深度≤6 mm。

圖3 改進前淬火感應器裝卡圖

圖4 改進前導磁體、噴水孔示意圖

缺點：淬火速度較慢，效率低；噴水預冷距離約為5 mm，速度快，瞬時冷卻壓力大，產品容易因倒角、油溝處存在的尖角效應和應力集中而產生裂紋，導致報廢；通過對淬火面硬化層深度檢測發現，多條滾道同時淬火硬化層深度分布不均勻，倒角、油溝處因多條滾道雙重加熱而出現硬化層深度二次疊加(圖5)現象。

圖5 套圈硬化層深度分布

圖5中標記的a，b，c，d處為非滾動接觸區，無需淬火,因加熱疊加被感應淬火，拉應力較大，由于應力集中而出現淬火裂紋。在淬火速度為100～120 mm/min下，a，b，c，d標記點的硬化層深度分別為7.0，10.0，9.5，7.0 mm，硬度均為55～60 HRC；標記點之間的滾道載荷區硬化層深度≤6 mm。

3.2 改進后淬火感應器

改進后采用滾道分面淬火的方式，依據結構及硬度、硬化層深度要求，依次按照B，A+E，C+D的順序進行分面淬火，改進后感應器如圖6所示。

圖6 改進后的感應器

一方面，將單排導磁體改為雙排導磁體，厚度不變，分別裝卡在主、輔加熱銅管上，增加了導磁體的驅流效果，減少了磁力線的逸散，單位面積的加熱效率增加了約1倍，從而起到了提升滾道表面硬化層深度的目的。另一方面，將感應器的直噴單排水孔冷卻改為獨立水盒多排水孔冷卻(圖7)，噴水孔直徑增大為2 mm，噴水盒和感應加熱銅管之間的預冷距離l依據淬火速度而定，通常選擇為25～40 mm。優化后的感應器增加了冷卻水量，延長了冷卻時間，減少了局部冷卻速度，防止了因淬火溫度高出現滾道心部溫度傳熱導致的自回火現象，滾道檢測發現，硬度比直噴單排水孔冷卻提高2～4 HRC[3]。

圖7 改進后導磁體、噴水孔示意圖

分面淬火(圖6)時感應器設計的銅管加熱長度和噴水孔長度比滾道寬度窄15～25 mm，這使得如圖8所示倒角、油溝(a′，b′，c′，d′區域)處溫度沒有達到淬火溫度，避免了相鄰滾道淬火時的二次淬火重疊問題；另外，在已淬完滾道處設置輔助冷卻水管(圖6b、圖6c)，減小了淬火熱影響區，防止了因相鄰滾道存在感應淬火干涉而影響已淬滾道的硬度和硬化層深度。

圖8 硬化層深度分布圖

由圖8中滾道硬化層深度分布可知，倒角、油溝處應力集中小，不會出現裂紋；滾道載荷區硬度、硬化層深度均勻。在淬火速度為130～150 mm/min下，a′，b′，c′，d′標記點的硬化層深度沒有增加，硬度沒有改變，標記點之間的滾道載荷區A，B，C，D，E硬化層深度為7～10 mm，滿足了設計要求。

4 結束語

對三排圓柱滾子轉盤軸承滾道淬火感應器結構和淬火方法進行改進，經過多次工藝試驗可得:

1)增加一排導磁體，相當于增加一倍加熱效率，在淬火功率少許增加的條件下可有效提高硬化層深度。

2)淬火冷卻由單排冷卻改為多排冷卻，增加了水孔數量和直徑，冷卻水量相應增加；增加了預冷距離，防止冷卻速度過快，既提高了滾道淬火硬度，又可防止淬火裂紋的產生。

3)分面滾道單獨淬火感應器制作簡單，可以依據需要便捷調整噴水區域，靈活選擇淬硬區域，淬火調整時觀察淬火溫度及耦合間隙更清晰，操作簡單。

4)單條滾道淬火熱效率高，機床的功率損耗小，可以防止機床長時間高功率運行出現電源系統負載大、過流、過壓等問題，避免機床出現中停問題，確保了淬火順利進行。