再結(jié)晶退火在風(fēng)機(jī)主軸軸承保持架中的應(yīng)用

文／趙培振，鄭世育，鄭廣會(huì)，袁錫銘·山東金帝精密機(jī)械科技股份有限公司

通過分析風(fēng)機(jī)主軸軸承保持架在沖壓加工過程中材料內(nèi)部晶體變形特點(diǎn)，探索恢復(fù)材料晶體組織初始形態(tài)的退火方式。研究沖壓保持架加工后的形變，引入再結(jié)晶退火工序，減小了保持架的殘余應(yīng)力，改善保持架的時(shí)效變形，從而達(dá)到使風(fēng)機(jī)主軸軸承保持架的沖壓加工尺寸穩(wěn)定和壽命延長(zhǎng)的目的。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)主軸軸承用保持架

隨著全球降碳腳步的加快，風(fēng)電行業(yè)迎來了良好的發(fā)展契機(jī)。2020 年舉辦的風(fēng)能大會(huì)上簽署的《風(fēng)能北京宣言》中提出了“十四五”期間保證年均新增裝機(jī)5000 萬千瓦以上的發(fā)展目標(biāo)?？焖侔l(fā)展的風(fēng)能行業(yè)對(duì)風(fēng)機(jī)用軸承保持架有著長(zhǎng)期穩(wěn)定的需求，隨著國(guó)內(nèi)相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展和調(diào)整，風(fēng)電機(jī)組正向著更大容量機(jī)型發(fā)展。對(duì)于大容量風(fēng)電機(jī)組，雙支撐單列圓錐滾子軸承與單支撐雙列圓錐滾子軸承已經(jīng)成為直驅(qū)、混合和雙饋型風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)鏈的主要軸承選型類型。風(fēng)電機(jī)組主軸軸承類型與功率對(duì)比見圖1。

圖1 風(fēng)電機(jī)組主軸軸承類型與功率對(duì)比

當(dāng)前應(yīng)用于風(fēng)電機(jī)組主軸軸承的保持架，多為鋼鍛件機(jī)加工制成，由于成本高昂，不符合風(fēng)電平價(jià)化的發(fā)展趨勢(shì)。而沖壓工藝加工的特大型圓錐軸承用筐形保持架，由于熱軋中厚鋼板的各向異性較大，以及拉深過程的加工硬化等因素，保持架內(nèi)部存在較嚴(yán)重的殘余應(yīng)力。隨著應(yīng)力釋放，保持架的尺寸精度也會(huì)發(fā)生變化，給軸承的高壽命、可靠性等要求帶來了較大的挑戰(zhàn)。

晶體及變形分析

拉深過程中的變形分析

用于風(fēng)機(jī)主軸軸承的保持架直徑多在1 米以上，沖壓加工工藝只能采用熱軋鋼板生產(chǎn)。兼顧原材料的沖壓加工性能及保持架的強(qiáng)度，驗(yàn)證過程中所使用材料為SAE 1010，該材料為寶鋼依據(jù)國(guó)際汽車工程師協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)SAE J403 生產(chǎn)，相當(dāng)于國(guó)標(biāo)10#鋼。SAE 1010 板材的化學(xué)成分及力學(xué)性能見表1，保持架材料厚度為9.5mm，大端外徑為1.2 米。

表1 化學(xué)成分及力學(xué)性能

在拉深過程中，板材各部位的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)不一致。在保持架側(cè)壁，材料在徑向拉應(yīng)力及切向壓應(yīng)力的作用下會(huì)產(chǎn)生徑向伸長(zhǎng)和切向壓縮變形；在小端圓角部位，材料承受拉應(yīng)力，并且受到凸模的壓力和彎曲作用，在拉、壓應(yīng)力作用下，這部分的材料變薄較大；由于產(chǎn)生了較大的塑性變形，引起了冷作硬化，由上向下越接近底部的硬化越小、硬度越低，這也是危險(xiǎn)裂紋靠近底部的原因。

沖窗孔后的晶體狀態(tài)

沖裁是利用模具壓力使材料產(chǎn)生分離的過程，因此必然從彈性變形、塑性變形開始，以斷裂終止。在塑性變形階段，凸模和凹模刃口兩側(cè)的材料產(chǎn)生塑性剪切，同時(shí)兩側(cè)鐵素體組織產(chǎn)生拉伸變長(zhǎng)和彎曲變形，尤其在窗孔4 個(gè)R 角區(qū)域，鐵素體被拉長(zhǎng)(圖2)，因此窗孔R(shí) 角處為應(yīng)力集中及保持架失效的常見部位。

圖2 沖裁后窗孔R(shí) 角處鐵素體狀態(tài)

保持架成品切斷后宏觀變形狀態(tài)

由于拉深過程中的冷作硬化及沖裁過程中晶體組織局部拉伸變形，保持架內(nèi)部產(chǎn)生了較嚴(yán)重的殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力將影響保持架的疲勞強(qiáng)度、抗應(yīng)力作用能力和形狀尺寸穩(wěn)定性。將保持架沿軸向切斷，可見保持架由于應(yīng)力釋放產(chǎn)生嚴(yán)重的扭曲變形(圖3)。分別測(cè)量斷口兩側(cè)軸向和徑向偏差(表2)，從變形形式上看，內(nèi)部應(yīng)力使保持架有徑向脹大和軸向變形的趨勢(shì)，這也是造成沖壓加工保持架圓度及平面度不良的主要原因。

圖3 切斷后保持架變形狀態(tài)

表2 切斷后軸向、徑向偏差

保持架成品抗拉強(qiáng)度分析

保持架經(jīng)過拉深、沖孔及壓坡等工序之后，會(huì)產(chǎn)生較大的冷作硬化現(xiàn)象。為此就保持架各部位的抗拉強(qiáng)度進(jìn)行了拉拔試驗(yàn)，拉拔部位如圖4 所示。

圖4 拉拔試驗(yàn)位置

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)(表3)上看，保持架經(jīng)過沖壓加工后的抗拉強(qiáng)度明顯增加，位置2 抗拉強(qiáng)度明顯高于位置1；保持架內(nèi)部不均勻的抗拉強(qiáng)度也會(huì)導(dǎo)致保持架內(nèi)應(yīng)力分布不均勻，從而產(chǎn)生形變。

表3 保持架拉拔試驗(yàn)數(shù)據(jù)

再結(jié)晶退火的應(yīng)用

再結(jié)晶退火工序及參數(shù)

在沖壓加工過程中，每進(jìn)行一次沖壓都會(huì)產(chǎn)生變形，為了能保證再結(jié)晶退火后不需要再有沖壓工序，將再結(jié)晶退火工序設(shè)定在壓坡工序后。再結(jié)晶退火的目的為恢復(fù)材料晶體組織原始形態(tài)，減少保持架成品的殘余應(yīng)力，因此把再結(jié)晶退火的參數(shù)設(shè)定為加熱溫度635℃，保溫30 分鐘，隨爐冷卻至230℃，出爐空冷至室溫；為了減少退火過程中保持架表面產(chǎn)生過多氧化皮，進(jìn)行了保護(hù)氣體退火；為了進(jìn)一步提高保持架的表面質(zhì)量，消除殘余應(yīng)力，最終還采用了表面拋丸處理，不銹鋼丸顆粒大小為0.2mm。

再結(jié)晶退火后晶體狀態(tài)

經(jīng)過再結(jié)晶退火后，保持架內(nèi)部晶體基本恢復(fù)至原材料原始晶體狀態(tài)(圖5)，無明顯粗大或被拉長(zhǎng)的晶體，達(dá)到了原設(shè)定目標(biāo)。

圖5 再結(jié)晶退火后晶體狀態(tài)

切斷后變形狀態(tài)

將再結(jié)晶退火后的保持架沿軸向切斷，觀察切斷之后保持架的變形狀態(tài)。切斷之后保持架徑向與軸向都無明顯錯(cuò)位現(xiàn)象，斷口處開口寬度與鋸條的寬度基本等同，無脹大現(xiàn)象(圖6)。分別測(cè)量斷口兩側(cè)軸向和徑向偏差，無明顯差異，偏差值見表4。

圖6 切斷后無明顯錯(cuò)位

表4 退火切斷后軸向、徑向偏差

從切斷后的變形量數(shù)據(jù)上看，保持架再結(jié)晶退火后變形較小，已基本消除了內(nèi)部殘余應(yīng)力。保證保持架長(zhǎng)期使用過程中，不會(huì)因殘余應(yīng)力釋放影響尺寸的穩(wěn)定性，達(dá)到了采用鍛件機(jī)加工保持架的同等效果。

退火后抗拉強(qiáng)度

對(duì)退火后的保持架做拉拔試驗(yàn)，測(cè)試位置和退火前一致，拉拔試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表5。保持架經(jīng)退火后，減輕了加工硬化問題，通過細(xì)化晶粒使得保持架各部位抗拉強(qiáng)度較為均勻，減輕了保持架應(yīng)力集中現(xiàn)象。

表5 退火后拉拔試驗(yàn)數(shù)據(jù)

結(jié)束語(yǔ)

風(fēng)機(jī)主軸軸承用大型圓錐軸承筐形保持架的直徑多在一米以上，在沖壓加工過程中會(huì)產(chǎn)生較嚴(yán)重的殘余應(yīng)力，通過再結(jié)晶退火可有效減少殘余應(yīng)力。相較于不進(jìn)行再結(jié)晶退火的保持架，切斷之后再結(jié)晶退火的保持架軸向偏差減小了約79%，徑向偏差縮小了約94%；保持架內(nèi)部晶體組織無明顯粗大、拉長(zhǎng)等現(xiàn)象，已基本恢復(fù)至材料原始狀態(tài)。再結(jié)晶退火在風(fēng)機(jī)主軸軸承用保持架中的成功應(yīng)用，使得沖壓加工保持架可替代傳統(tǒng)鍛件車制加工的保持架，且大幅度降低了保持架的生產(chǎn)成本，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)也可以為風(fēng)電平價(jià)化助一臂之力。