随着科学技术的发展, 轴承的工作环境越来越复杂, 对轴承的性能提出了更高的要求。轴承套圈淬火导致的变形问题一直得不到很好的解决, 既严重影响轴承质量, 又大大增加了整变形的工作量。为了确保淬火套圈尺寸, 必须加大留磨量。虽然一定程度上提高了淬火套圈的合格率, 但增加了磨削工作量, 也增加了材料的损耗。

影响套圈变形的因素较多, 套圈在淬火过程中受到热胀冷缩应力、车削应力释放、套圈自重、冷却介质流动冲击、组织转变应力等因素的影响, 套圈不可避免地会产生变形^[1-3]。根据套圈外观形貌, 变形可分为:胀缩变形、椭圆变形、翘曲变形及锥度变形。其中不同变形之间存在对应关系, 控制其中一种变形, 有可能带来另一种变形。此外, 薄壁套圈的刚度比较差, 因此在冷却过程中极易发生变形^[4-6]。

本文通过不同淬火方式对薄壁轴承套圈产生的椭圆变形和翘曲变形的影响进行分析, 找出规律, 以期为实际生产提供理论依据。

采取3种淬火方式对71868/01薄壁轴承套圈进行淬火试验, 该套圈淬火后要求椭圆变形及翘曲变形量均控制在≤0.7 mm, 变形量＞0.7 mm即为不合格, 统计变形测量结果, 分析变形原因。

盐浴淬火试验加热设备为箱式可控气氛盐淬多用炉。热处理工艺为:830 ℃保温30 min→170 ℃熔融盐淬火15 min→风冷至室温→清洗。摆放方式为平铺, 摞放1层, 装炉量72件。

分级淬火试验加热设备为箱式可控气氛油淬多用炉^[7-9]。热处理工艺为:830 ℃保温30 min→80 ℃分级淬火油淬火15 min→直接整变形。摆放方式为平铺, 摞放1层, 装炉量72件。

旋转式淬火机油淬火试验加热设备为箱式高温炉。热处理工艺为:830 ℃保温30 min→旋转式淬火机油淬火(每2件淬火1 min)→直接整变形。摆放方式为平铺, 摞放1层, 装炉量72件。

表 1为薄壁轴承套圈盐浴淬火后的变形情况数据统计。从表 1中可以看出, 椭圆变形不合格套圈数量23件, 翘曲变形不合格套圈数量45件。其中, 椭圆变形和翘曲变形同时不合格套圈数量14件, 淬火变形1次合格套圈数量18件, 合格率仅为25%。根据测量结果发现, 套圈翘曲变形不合格的数量远多于椭圆变形不合格的数量。这是因为盐液流动性较好, 从而套圈淬火均匀性较好, 使得套圈椭圆变形程度减小。但由于套圈的高度/直径比小, 加热过程中受到其自重引起的下垂和应力引起的变形影响较大^[10-11]; 且冷却过程中盐液产生的浮力较大, 淬火时高温状态下的套圈较软, 套圈水平方向入盐淬火时, 端面受到盐液的冲击力较大。上述各种因素综合作用下产生较多的翘曲变形。

表 1(Table 1)

表 1 薄壁轴承套圈盐浴淬火后的变形情况 Tab. 1 Deformation after salt-bath quenching of thin-walled bearing rings 变形量/mm 椭圆变形数量 翘曲变形数量 ≤0.7 49 27 ＞0.7~1.2 18 23 ≥1.2~1.7 5 19 ≥1.7 — 3

表 1 薄壁轴承套圈盐浴淬火后的变形情况 Tab. 1 Deformation after salt-bath quenching of thin-walled bearing rings

薄壁轴承套圈的椭圆变形和翘曲变形同时不合格的情况有两种:一种是由于翘曲变形引起的套圈外部轮廓发生变化从而引起椭圆变形, 这类变形相对容易整变形, 利用压平法修整翘曲变形时, 椭圆变形也会得到修整; 另一种是经压平法修整翘曲变形后的套圈还存在不合格的椭圆变形, 这类变形极难修整, 修整椭圆变形往往会带来翘曲变形的反弹, 反之亦然。经后续整变形后, 合格数量为66件, 另有6件因无法整变形而报废。

图 1为薄壁轴承套圈经分级淬火油淬火后统计的变形情况。椭圆变形不合格套圈数量39件, 翘曲变形不合格套圈数量34件。其中, 椭圆变形和翘曲变形同时不合格套圈数量17件, 变形1次合格套圈数量16件, 合格率仅为22.2%。根据测量结果显示, 相比盐浴淬火, 分级淬火油淬火的套圈翘曲变形不合格数量有所减少, 但椭圆变形不合格数量增多。这是因为, 分级淬火油淬火时有1个蒸汽膜阶段, 且高温下淬火油的流动性较差, 造成冷却不均, 导致椭圆变形增大。在相同的加热条件下, 由于盐浴淬火的盐液和淬火油密度相差很大, 盐液浮力比淬火油的浮力大1倍还多, 套圈水平方向入油淬火时, 端面受到较小的冲击力, 导致翘曲变形量有所减少^[12-16]。同时, 分级淬火油淬火比盐浴淬火有明显的优势:淬火后可利用工件余热进行整变形, 大大降低了整变形的难度。经后续整变形后, 合格套圈数量为69件, 另有3件无法整变形而报废。

图 1

图 1 薄壁轴承套圈经分级淬火油淬火后变形情况 Fig. 1 Deformation after quenching by stepped quenching oil of thin-walled bearing rings

表 2为薄壁轴承套圈经旋转式淬火机油淬火后的变形情况。从表 2中可以看出, 椭圆变形不合格套圈数量11件, 翘曲变形不合格套圈数量18件。其中, 椭圆变形和翘曲变形同时不合格套圈数量11件, 变形1次合格套圈数量54件, 合格率达75%。

表 2(Table 2)

表 2 薄壁轴承套圈旋转式淬火机淬火后变形情况 Tab. 2 Deformation after quenching by rotating quenching machine of thin-walled bearing rings 变形量/mm 椭圆变形数量 翘曲变形数量 ≤0.7 61 54 ＞0.7~1.2 10 12 ≥1.2~1.7 1 6 ≥1.7 — —

表 2 薄壁轴承套圈旋转式淬火机淬火后变形情况 Tab. 2 Deformation after quenching by rotating quenching machine of thin-walled bearing rings

经过对比分析可以发现, 与盐浴淬火和分级淬火油淬火相比, 采用旋转淬火机油淬火的套圈椭圆变形和翘曲变形均得到较好的控制。这是因为, 旋转淬火机油淬火时, 套圈垂直方向入油, 端面不会受到来自淬火油的冲击力, 从而减少了一部分翘曲变形^[17-18]; 另外套圈入油后一直处于旋转状态, 加速了蒸汽膜的破裂; 同时, 旋转淬火机带动套圈转动, 变相加快了淬火油的流动性, 使得冷却均匀性大大提高。变形不合格的套圈淬火后利用工件余热, 采用压平法修整翘曲变形后, 变形合格套圈数量72件, 合格率达到100%。因此, 该组试验中椭圆变形不合格的11件套圈均为翘曲变形引起的, 极大程度上减少了整变形的工作量, 提高了套圈的合格率。

(1) 盐液相对分级淬火油而言, 在淬火时没有蒸汽膜阶段, 且具有较好的流动性, 淬火均匀性得到改善, 大大减少了椭圆变形的产生。在相同的加热条件下, 盐浴淬火过程中, 盐液浮力对套圈端面产生较大的冲击力, 导致套圈翘曲变形数量增加。

(2) 旋转式淬火机油淬火时, 套圈垂直入油淬火, 不会受到来自端面的冲击力, 从而有效地减少了部分翘曲变形。由于套圈入油后一直处于旋转状态, 加速了蒸汽膜的破裂。同时, 旋转淬火机带动套圈转动, 变相加快了淬火油的流动性, 使得冷却均匀性大幅度提高, 显著减少了椭圆变形, 大大降低了整变形的工作量。