淬火方式對(duì)薄壁軸承套圈變形的影響

馮紀(jì)偉 王智勇 王秉楠 李錚

摘要：

對(duì)型號(hào)為71868/01的薄壁軸承套圈分別進(jìn)行鹽浴淬火、分級(jí)淬火油淬火和旋轉(zhuǎn)式淬火機(jī)油淬火。研究了不同淬火方式下薄壁軸承套圈的橢圓變形和翹曲變形規(guī)律，分析了不同淬火方式因淬火介質(zhì)和冷卻機(jī)制不同對(duì)套圈橢圓變形和翹曲變形的影響。結(jié)果表明：鹽浴淬火可以減少橢圓變形，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致薄壁軸承套圈翹曲變形的增加;分級(jí)淬火油淬火可以減少翹曲變形，但橢圓變形顯著增多。旋轉(zhuǎn)式淬火機(jī)油淬火提高了淬火的均勻性，可以有效減少套圈的橢圓變形和翹曲變形，減少整變形的難度和工作量，提高產(chǎn)品的合格率。

關(guān)鍵詞：

薄壁軸承套圈; 淬火方式; 橢圓變形; 翹曲變形

中圖分類(lèi)號(hào)： TH 133.33;TG 156.34 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Effect of Quenching Methods on Deformation of Thin-walled Bearing Rings

FENG Jiwei， WANG Zhiyong， WANG Bingnan， LI Zheng

（Luoyang Bearing Research Institue， Luoyang 471039， China）

Abstract：

The 71868/01-type thin-walled bearing rings were subjected to salt-bath quenching，quenching by stepped quenching oil and oil-quenching by rotation quenching machine，respectively.The elliptic deformation and warping deformation of thin-wall bearing rings under different quenching methods were investigated.The effect of quenching methods on the elliptical deformation and warping deformation was studied by analyzing the differences of quenching media and cooling mechanism.The results show that elliptic deformation of thin-walled bearing rings is reduced by salt bath quenching with an increase in warping deformation.Quenching by stepped quenching oil makes a reduction in warping deformation，however，elliptical deformation increases.The rotation quenching machine oil-quenching improves the uniformity of quenching，and effectively reduces both elliptic deformation and warping deformation.Furthermore，it reduces the difficulty and work load of deformation modification.The qualified rate of products is also improved.

Keywords：

thin-walled bearing rings; quenching method; elliptical deformation; warping deformation

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，軸承的工作環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)軸承的性能提出了更高的要求。軸承套圈淬火導(dǎo)致的變形問(wèn)題一直得不到很好的解決，既嚴(yán)重影響軸承質(zhì)量，又大大增加了整變形的工作量。為了確保淬火套圈尺寸，必須加大留磨量。雖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，也增加了材料的損耗。

影響套圈變形的因素較多，套圈在淬火過(guò)程中受到熱脹冷縮應(yīng)力、車(chē)削應(yīng)力釋放、套圈自重、冷卻介質(zhì)流動(dòng)沖擊、組織轉(zhuǎn)變應(yīng)力等因素的影響，套圈不可避免地會(huì)產(chǎn)生變形[1-3]。根據(jù)套圈外觀形貌，變形可分為：脹縮變形、橢圓變形、翹曲變形及錐度變形。其中不同變形之間存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，控制其中一種變形，有可能帶來(lái)另一種變形。此外，薄壁套圈的剛度比較差，因此在冷卻過(guò)程中極易發(fā)生變形[4-6]。

本文通過(guò)不同淬火方式對(duì)薄壁軸承套圈產(chǎn)生的橢圓變形和翹曲變形的影響進(jìn)行分析，找出規(guī)律，以期為實(shí)際生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)方法

采取3種淬火方式對(duì)71868/01薄壁軸承套圈進(jìn)行淬火試驗(yàn)，該套圈淬火后要求橢圓變形及翹曲變形量均控制在≤0.7 mm，變形量>0.7 mm即為不合格，統(tǒng)計(jì)變形測(cè)量結(jié)果，分析變形原因。

鹽浴淬火試驗(yàn)加熱設(shè)備為箱式可控氣氛鹽淬多用爐。熱處理工藝為：830 ℃保溫30 min170 ℃熔融鹽淬火15 min風(fēng)冷至室溫清洗。擺放方式為平鋪，摞放1層，裝爐量72件。

分級(jí)淬火試驗(yàn)加熱設(shè)備為箱式可控氣氛油淬多用爐[7-9]。熱處理工藝為：830 ℃保溫30 min80 ℃分級(jí)淬火油淬火15 min直接整變形。擺放方式為平鋪，摞放1層，裝爐量72件。

旋轉(zhuǎn)式淬火機(jī)油淬火試驗(yàn)加熱設(shè)備為箱式高溫爐。熱處理工藝為：830 ℃保溫30 min旋轉(zhuǎn)式淬火機(jī)油淬火（每2件淬火1 min）直接整變形。擺放方式為平鋪，摞放1層，裝爐量72件。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 鹽浴淬火

表1為薄壁軸承套圈鹽浴淬火后的變形情況數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。從表1中可以看出，橢圓變形不合格套圈數(shù)量23件，翹曲變形不合格套圈數(shù)量45件。其中，橢圓變形和翹曲變形同時(shí)不合格套圈數(shù)量14件，淬火變形1次合格套圈數(shù)量18件，合格率僅為25%。根據(jù)測(cè)量結(jié)果發(fā)現(xiàn)，套圈翹曲變形不合格的數(shù)量遠(yuǎn)多于橢圓變形不合格的數(shù)量。這是因?yàn)辂}液流動(dòng)性較好，從而套圈淬火均勻性較好，使得套圈橢圓變形

程度減小。但由于套圈的高度/直徑比小，加熱過(guò)程中受到其自重引起的下垂和應(yīng)力引起的變形影響較大[10-11];且冷卻過(guò)程中鹽液產(chǎn)生的浮力較大，淬火時(shí)高溫狀態(tài)下的套圈較軟，套圈水平方向入鹽淬火時(shí)，端面受到鹽液的沖擊力較大。上述各種因素綜合作用下產(chǎn)生較多的翹曲變形。

表1 薄壁軸承套圈鹽浴淬火后的變形情況

Tab.1 Deformation after salt-bath quenching of

thin-walled bearing rings

薄壁軸承套圈的橢圓變形和翹曲變形同時(shí)不合格的情況有兩種：一種是由于翹曲變形引起的套圈外部輪廓發(fā)生變化從而引起橢圓變形，這類(lèi)變形相對(duì)容易整變形，利用壓平法修整翹曲變形時(shí)，橢圓變形也會(huì)得到修整;另一種是經(jīng)壓平法修整翹曲變形后的套圈還存在不合格的橢圓變形，這類(lèi)變形極難修整，修整橢圓變形往往會(huì)帶來(lái)翹曲變形的反彈，反之亦然。經(jīng)后續(xù)整變形后，合格數(shù)量為66件，另有6件因無(wú)法整變形而報(bào)廢。

2.2 分級(jí)淬火油淬火

圖1為薄壁軸承套圈經(jīng)分級(jí)淬火油淬火后統(tǒng)計(jì)的變形情況。橢圓變形不合格套圈數(shù)量39件，翹曲變形不合格套圈數(shù)量34件。其中，橢圓變形和翹曲變形同時(shí)不合格套圈數(shù)量17件，變形1次合格套圈數(shù)量16件，合格率僅為22.2%。根據(jù)測(cè)量結(jié)果顯示，相比鹽浴淬火，分級(jí)淬火油淬火的套圈翹曲變形不合格數(shù)量有所減少，但橢圓變形不合格數(shù)量增多。這是因?yàn)椋旨?jí)淬火油淬火時(shí)有1個(gè)蒸汽膜階段，且高溫下淬火油的流動(dòng)性較差，造成冷卻不均，導(dǎo)致橢圓變形增大。在相同的加熱條件下，由于鹽浴淬火的鹽液和淬火油密度相差很大，鹽液浮力比淬火油的浮力大1倍還多，套圈水平方向入油淬火時(shí)，端面受到較小的沖擊力，導(dǎo)致翹曲變形量有所減少[12-16]。同時(shí)，分級(jí)淬火油淬火比鹽浴淬火有明顯的優(yōu)勢(shì)：淬火后可利用工件余熱進(jìn)行整變形，大大降低了整變形的難度。經(jīng)后續(xù)整變形后，合格套圈數(shù)量為69件，另有3件無(wú)法整變形而報(bào)廢。

圖1 薄壁軸承套圈經(jīng)分級(jí)淬火油淬火后變形情況

Fig.1 Deformation after quenching by stepped

quenching oil of thin-walled bearing rings

2.3 旋轉(zhuǎn)式淬火機(jī)油淬火

表2為薄壁軸承套圈經(jīng)旋轉(zhuǎn)式淬火機(jī)油淬火后的變形情況。從表2中可以看出，橢圓變形不合格套圈數(shù)量11件，翹曲變形不合格套圈數(shù)量18件。其中，橢圓變形和翹曲變形同時(shí)不合格套圈數(shù)量11件，變形1次合格套圈數(shù)量54件，合格率達(dá)75%。

表2 薄壁軸承套圈旋轉(zhuǎn)式淬火機(jī)淬火后變形情況

Tab.2 Deformation after quenching by rotating quenching machine of thin-walled bearing rings

經(jīng)過(guò)對(duì)比分析可以發(fā)現(xiàn)，與鹽浴淬火和分級(jí)淬火油淬火相比，采用旋轉(zhuǎn)淬火機(jī)油淬火的套圈橢圓變形和翹曲變形均得到較好的控制。這是因?yàn)?，旋轉(zhuǎn)淬火機(jī)油淬火時(shí)，套圈垂直方向入油，端面不會(huì)受到來(lái)自淬火油的沖擊力，從而減少了一部分翹曲變形[17-18];另外套圈入油后一直處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，加速了蒸汽膜的破裂;同時(shí)，旋轉(zhuǎn)淬火機(jī)帶動(dòng)套圈轉(zhuǎn)動(dòng)，變相加快了淬火油的流動(dòng)性，使得冷卻均勻性大大提高。變形不合格的套圈淬火后利用工件余熱，采用壓平法修整翹曲變形后，變形合格套圈數(shù)量72件，合格率達(dá)到100%。因此，該組試驗(yàn)中橢圓變形不合格的11件套圈均為翹曲變形引起的，極大程度上減少了整變形的工作量，提高了套圈的合格率。

3 結(jié) 論

（1） 鹽液相對(duì)分級(jí)淬火油而言，在淬火時(shí)沒(méi)有蒸汽膜階段，且具有較好的流動(dòng)性，淬火均勻性得到改善，大大減少了橢圓變形的產(chǎn)生。在相同的加熱條件下，鹽浴淬火過(guò)程中，鹽液浮力對(duì)套圈端面產(chǎn)生較大的沖擊力，導(dǎo)致套圈翹曲變形數(shù)量增加。

（2） 旋轉(zhuǎn)式淬火機(jī)油淬火時(shí)，套圈垂直入油淬火，不會(huì)受到來(lái)自端面的沖擊力，從而有效地減少了部分翹曲變形。由于套圈入油后一直處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，加速了蒸汽膜的破裂。同時(shí)，旋轉(zhuǎn)淬火機(jī)帶動(dòng)套圈轉(zhuǎn)動(dòng)，變相加快了淬火油的流動(dòng)性，使得冷卻均勻性大幅度提高，顯著減少了橢圓變形，大大降低了整變形的工作量。

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