軸承套圈熱處理錐度變形的分析及控制

劉國(guó)麗，何玉瑋，呂洪偉

（哈爾濱軸承集團(tuán)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(huì)產(chǎn)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(dǎo)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(chǎn)品質(zhì)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(huì)造成密封槽尺寸散差大，嚴(yán)重時(shí)引起密封蓋不嚴(yán)，使用過程中會(huì)出現(xiàn)漏脂、掉蓋等問題。為此，對(duì)軸承套圈的錐度變形問題進(jìn)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(jī)理及原因分析

軸承套圈在入油冷卻過程中會(huì)經(jīng)歷蒸汽膜階段、沸騰階段和對(duì)流階段。由于套圈向周圍介質(zhì)通過輻射和對(duì)流傳遞熱量，使套圈周圍產(chǎn)生蒸汽膜，隨著熱量繼續(xù)傳遞，包裹蒸汽膜的汽-液界面發(fā)生沸騰，沸騰產(chǎn)生的蒸汽進(jìn)入蒸汽膜中，使膜內(nèi)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(wěn)定[1]。在蒸汽膜內(nèi)，挨近表面的蒸汽受到一個(gè)向上的浮力，會(huì)向上流動(dòng)，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(nèi)的氣體溫度越高，試樣表面通過熱傳導(dǎo)和對(duì)流的方式向外側(cè)蒸汽散失的熱量就越少，從而使軸承上下部分產(chǎn)生溫差[2]。隨著工件的溫度降低，產(chǎn)生的蒸汽逐漸減少，直到蒸汽膜變薄破裂，套圈下端先進(jìn)入沸騰階段,如圖2b。因?yàn)闅怏w熱傳導(dǎo)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(jìn)一步拉大。下端進(jìn)入對(duì)流階段后，發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，由于馬氏體比容較大，引起體積脹大，而上端未發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，塑性較好，從而使上端發(fā)生塑性變形;當(dāng)上部分溫度達(dá)到Ms點(diǎn)以下時(shí)發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，上部脹大，但下部分由于轉(zhuǎn)變?cè)?，表面硬化，變形不能完全恢?fù)，從而產(chǎn)生錐度變形，如圖2c。

圖2 軸承錐度產(chǎn)生原理示意圖

3 錐度變形的控制

對(duì)于網(wǎng)帶爐，淬火油槽中的小網(wǎng)帶具有上下竄動(dòng)與轉(zhuǎn)速可控的功能。小網(wǎng)帶適當(dāng)?shù)纳舷赂Z動(dòng)有利于蒸汽膜的破裂，縮短蒸汽膜階段的時(shí)間，使錐度變形減?。?］。轉(zhuǎn)速可控就意味著套圈翻轉(zhuǎn)時(shí)間可控，對(duì)于不同的套圈選擇合適的轉(zhuǎn)速使其在合適的時(shí)間發(fā)生180°翻轉(zhuǎn)，使上下端面溫差縮小，套圈上下部分馬氏體轉(zhuǎn)變開始、結(jié)束時(shí)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(wǎng)帶線速度，用6210外套圈做了三種不同線速度的試驗(yàn)，為了避免沖撞引起變形，選用小網(wǎng)帶竄動(dòng)頻率為90次/min；為了避免攪拌流速對(duì)變形造成影響，且6210外套圈壁厚較薄裝爐量不大，故設(shè)定攪拌頻率為零；為了避免套圈在提升機(jī)上疊壓、堆積引起變形的同時(shí)影響翻轉(zhuǎn)，選定提升機(jī)線速度稍大于小網(wǎng)帶的線速度，為0.06m/s，試驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果如圖3。

圖3 不同翻轉(zhuǎn)時(shí)間下錐度對(duì)比

網(wǎng)帶爐油槽結(jié)構(gòu)示意圖見圖4。對(duì)比三組套圈翻轉(zhuǎn)時(shí)間的錐度變形值后發(fā)現(xiàn)，小網(wǎng)帶設(shè)定的翻轉(zhuǎn)時(shí)間18s對(duì)比于其它翻轉(zhuǎn)時(shí)間，對(duì)6210外套的錐度變形控制相對(duì)較好，即，6210外套在落到小網(wǎng)帶上開始計(jì)時(shí)，18s后翻轉(zhuǎn)使6210外套在提升網(wǎng)帶上上下（即A、B）端面發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變的時(shí)間較接近，從而使該套圈錐度變形較小。同時(shí)發(fā)現(xiàn)總有錐度變形值較大的數(shù)據(jù)出現(xiàn)，結(jié)合錐度變形數(shù)據(jù)與油槽結(jié)構(gòu)示意圖分析后發(fā)現(xiàn)，由于套圈外徑較小，熱處理錐度變形大的套圈在翻轉(zhuǎn)處S位置發(fā)生360°翻轉(zhuǎn)或者未發(fā)生翻轉(zhuǎn)，沒有起到減小上下端面的溫度差的作用，從而導(dǎo)致在提升機(jī)上上下部分蒸氣膜破裂時(shí)刻不相近，使套圈產(chǎn)生較大的錐度變形。同時(shí)，套圈自后爐門落下，不排除在小網(wǎng)帶上落點(diǎn)不確定的情況，使部分套圈翻轉(zhuǎn)時(shí)間較短或較長(zhǎng)，從而使上下端面存在較大的溫度差，導(dǎo)致錐度變形的產(chǎn)生。

圖4 網(wǎng)帶爐油槽結(jié)構(gòu)示意圖

4 結(jié)論

（1）網(wǎng)帶爐小網(wǎng)帶確實(shí)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不能適應(yīng)各種尺寸的套圈翻轉(zhuǎn)180°的需要，所以要經(jīng)過進(jìn)一步的試驗(yàn)并與其它設(shè)備進(jìn)行比較，選擇合適的套圈尺寸范圍。

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

[1] 張克儉.冷卻介質(zhì)與淬火變形[J].機(jī)械工人，2007.

[2] 張克儉.蒸氣膜內(nèi)氣體的流動(dòng)規(guī)律[J].熱處理技術(shù)與裝備,2008, 29(4):5-9.

[3] 張克儉.油淬工件淬火畸變特點(diǎn)的成因[J].熱處理技術(shù)與裝備, 2010.

[4] 張克儉.淬火介質(zhì)的冷卻特性曲線究竟說明了什么{J}.熱處理技術(shù)與裝備，2007，28(2):25 －28.

[5] 張克儉,王水,郝學(xué)志.液體介質(zhì)中淬火冷卻的四階段理論[J].熱處理技術(shù)與裝備，2006,27(6):14-25.

[6] 張克儉，王水，郝學(xué)志.淬火冷卻中工件的正放與斜放[J].熱處理技術(shù)與裝備，2009，30(1): 25-30，43.

[7] 李廣志.圓錐套圈熱處理的錐度形變分析[J].軸承,1993 (12):16-19.