轴承套圈热处理锥度变形的探讨_杨健.pdf

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1、轴承套圈热处理锥度变形的探讨 杨 健 (广东阳春轴承股份有限公司, 广东 阳春 529600) 摘要: 从轴承套圈热处理时产生的锥度变形实例中得出锥度变形造成的影响, 分析了锥度变形的成因, 并给出 了减少锥度变形的办法。 关键词: 滚动轴承; 套圈; 热处理; 变形; 分析 中图分类号:TH133. 33;TG156. 3 文献标识码: B 文章编号: 1000- 3762(2005)10- 0031- 03 轴承套圈在淬火回火热处理时会或多或少地 产生各种不规则的变形。比较常见的变形是: 胀 大或缩小、 椭圆和锥度。这几种变形往往同时出 现在同一零件上, 不过总有 1 至 2 种变形表现得

2、 较明显。由于变形, 导致套圈的尺寸精度下降, 并 可能在磨削加工时出现困难, 甚至产生废品。因 此应对产生各种变形的成因、 影响规律进行探索 并提出防止措施。由于热处理变形的成因复杂、 影响因素繁多, 所以本文只是针对轴承套圈热处 理产生的锥度变形进行探讨。 1 套圈热处理时产生锥度变形的实 例 3 个实例热处理所用设备是带吸热式保护气 氛的网带式托辊炉热处理生产线; 其工艺为: 淬火 温度 855 e , 加热时间 30 35 min; 淬火油是 1 号 等温分级淬火油, 油温 120 e ; 回火温度 180 e , 回火时间 1 h。 6309轴承外圈、 汽车轮毂轴承 311443 内

3、外圈 外形尺寸分别见图 1 3, 锥度变形分别见表 1 3。 图 1 6309 轴承外圈 收稿日期: 2005- 05- 16;修回日期: 2005- 06- 29 作者简介: 杨 健(1966- ), 男, 工程师。 表 1 6309外圈热处理前/ 后数据mm 序 号 端面端面 槽边直径沟位置槽边直径沟位置 直径 差( 锥 度) 沟位 置差 1 2 3 4 5 6 7 8 9 87. 3312. 5487. 3212. 540. 000. 00 87. 5212. 5387. 4212. 570. 100. 04 87. 3012. 5487. 3012. 530. 000. 00 87.

4、5212. 5187. 3912. 590. 130. 08 87. 3112. 5487. 3112. 540. 000. 00 87. 4212. 5887. 5212. 510. 100. 07 87. 3012. 5458. 3012. 520. 000. 02 87. 4012. 5758. 4912. 520. 090. 05 87. 3412. 5287. 3112. 540. 030. 02 87. 4412. 5787. 5212. 520. 080. 05 87. 2912. 5587. 3012. 520. 010. 03 87. 4012. 5887. 5012. 51

5、0. 100. 07 87. 3312. 5487. 3412. 550. 010. 01 87. 5312. 5187. 4212. 590. 110. 08 87. 3212. 5187. 3312. 550. 010. 04 87. 5312. 5087. 4112. 600. 120. 10 87. 3212. 5587. 3212. 550. 000. 00 87. 4012. 5887. 5012. 540. 100. 04 注: 表中数据是测量值的中值。 每一序号对应的上行是热处理前的, 下行是热处理后 的( 下同) 。 从表中可得出: ( 1) 各种套圈热处理后出现了 明显的锥

6、度变形, 由套圈两端直径胀大不一致造 成, 其中一端胀大于另一端。( 2) 沟位置出现变 化, 有向直径胀大较大的那侧端面移动的趋势, 原 因是锥度变形导致沟形状( 即沟曲率) 变化所致。 图 2 311443外圈 ISSN 1000- 3762 CN41- 1148/TH 轴承 Bearing 2005年第 10 期 2005, No. 10 31- 33 表 2 311443外圈热处理前/ 后数据mm 序 号 端面端面 外圆直径沟位置外圆直径沟位置 直径 差( 锥 度) 沟位 置差 1 2 3 4 5 6 7 8 9 72. 229. 8772. 229. 870. 000. 00 72.

7、 329. 8772. 189. 900. 140. 03 72. 229. 9272. 219. 910. 010. 01 72. 299. 9172. 169. 950. 130. 04 72. 209. 8872. 199. 900. 020. 02 72. 159. 9372. 289. 900. 130. 03 72. 209. 9872. 219. 960. 020. 02 72. 1510. 0372. 319. 960. 160. 07 72. 219. 8872. 209. 900. 020. 02 72. 319. 8772. 169. 930. 150. 06 72. 2

8、19. 9172. 209. 930. 020. 02 72. 309. 9172. 169. 970. 140. 06 72. 229. 9172. 229. 900. 000. 01 72. 289. 9372. 179. 960. 110. 03 72. 199. 9172. 189. 890. 020. 02 72. 269. 9172. 139. 950. 130. 04 72. 229. 9372. 219. 950. 010. 02 72. 179. 9772. 309. 940. 130. 03 图 3 311443 内圈 表 3 311443内圈热处理前/ 后数据mm 序 号

9、 端面( 厚端)端面( 薄端) 内孔直径沟位置内孔直径 直径 差( 锥 度) 沟位 置差 1 2 3 4 5 6 7 8 9 39. 6710. 2339. 640. 03 39. 7210. 1939. 580. 14 39. 6710. 2139. 640. 03 39. 7210. 1639. 570. 15 39. 6110. 1939. 650. 04 39. 6610. 1339. 550. 11 39. 6410. 2339. 640. 00 39. 6810. 1639. 520. 16 39. 6010. 2139. 640. 04 39. 6610. 1839. 580.

10、08 39. 6110. 2339. 630. 02 39. 6410. 1939. 520. 12 39. 6610. 2339. 650. 01 39. 7110. 1839. 550. 16 39. 6510. 2039. 650. 00 39. 7110. 1439. 560. 15 39. 6510. 2239. 660. 01 39. 7110. 1839. 570. 16 0.04 0.05 0.06 0.07 0.03 0.04 0.05 0.06 0.04 2 锥度变形对轴承套圈的影响 通过对上面 3 个例子的分析可知, 锥度变形 造成套圈的外径、 内孔、 密封槽、 沟道的形

11、状及位 置都产生了明显的变化。这些变化会直接影响到 套圈的磨削加工质量, 例如影响磨削后的尺寸精 度, 甚至有可能造成废品。另外由于套圈的密封 槽在热处理后不再进行加工, 因此密封槽的变形 引起轴承在安装密封件时产生或/ 松0或/ 紧0的现 象, 严重时会影响到轴承成品的扭矩、 温升、 防尘 及油脂密封等性能。 3 锥度变形的成因 为了探讨淬火加热过程对锥度变形的影响, 首先将淬火油状态( 包括油温、 油搅拌) 以及油池 中的油下出料机构输送网带的速度保持不变, 以 保证淬火冷却状态不变, 然后在淬火炉输送网带 上采取不同的摆放方式( 平放、 竖放、 无规则斜放) 和不同的摆放位置( 网带中间

12、、 两侧) , 以及采取高 低不同的加热温度, 还有长短不同的加热时间来 淬火同一型号的套圈, 结果表明上述因素对锥度 变形影响不大。因此认为, 轴承套圈的锥度变形 是在淬火冷却过程中产生的。 为了弄清淬火冷却过程对锥度变形的影响, 通过调整油温、 油搅拌速度、 油池中的油下出料机 构输送网带速度、 轴承套圈在油下出料机构输送 网带上的停放方式和停放位置进行反复试验。结 果表明, 轴承套圈在油下出料机构输送网带上的 停放方式对锥度变形影响最大。 当套圈在油下出料机构输送网带上处于/ 平 放0状态时( 图 4a) , 锥度变形最大, 形成上端大下 端小的锥度; 而处于/ 竖放0状态时( 图 4b

13、) , 锥度 变形较小, 甚至没有。 图 4 停放方式 表 4 是汽车轮毂轴承 311443 外圈淬火时停 放方式与锥度变形关系的数据。 #32# 5轴承62005. l . 10 表 4 停放方式对锥度变形的影响mm 停放方式 平放的上端 ( 竖放的左端) 平放的下端 ( 竖放的右端) 锥度 平放72. 3272. 180.14 平放72. 2972. 160.13 平放72. 2872. 150.13 平放72. 2872. 170.11 平放72. 3072. 170.13 竖放72. 2472. 250.01 竖放72. 2472. 260.02 竖放72. 2372. 220.01

14、竖放72. 2672. 230.03 竖放72. 2572. 240.01 另外轴承套圈形状对锥度变形也有影响。如 上面介绍的汽车轮毂轴承 311443 内圈, 两端壁厚 相差很大, 热处理后出现厚端胀大而薄端缩小的 锥度变形。圆锥滚子轴承套圈热处理后也会出现 类似的锥度变形1。 轴承套圈热处理后产生的锥度变形, 从本质上 讲是由于在淬火冷却过程中两端的冷却速度相差 太大, 导致两端冷收缩量不同和到达 Ms 点的时间 不同, 结果在两端产生了很大的热应力和组织应 力。当某一时刻热应力或组织应力在某一端达到 材料屈服强度时, 该端必然产生拉伸或压缩的塑性 变形, 其中热应力产生压缩塑性变形沿径向

15、缩小, 而组织应力则产生拉伸塑性变形沿径向胀大2。 另外, 由于马氏体转变的瞬间会诱发超塑性3, 若 恰好此刻的热收缩应力很大, 就极有可能产生沿径 向缩小的压缩塑性变形, 从而部分或全部地抵消了 马氏体转变所引起的体积膨胀, 甚至还会出现在马 氏体转变结束后表现为径向缩小。 例如 6309 轴承外圈和汽车轮毂轴承 311443 外圈, 当其在静止不动的淬火油中处于/ 平放0状 态下冷却时, 开始的一段时间内下端的冷却速度 比上端要快, 因此下端的径向冷却收缩比上端要 多, 从而形成上端受压下端受拉的切向热应力, 但 由于材料屈服强度较高, 所以在切向热应力的作 用下只能产生弹性变形。在下端冷

16、却到 400 e 以 图5 套圈在淬火油中/ 平放0 状态 时上下两端的冷却曲线 下时, 冷却速度急 剧减慢, 而上端的 冷却速度却逐渐增 大, 导致上端受压 下端受拉的切向热 应力逐渐减小。逐 渐地, 上端的冷却 速度比下端要快, 从而形成了下端受 压上端受拉的切向 热应力( 图 5) 。在下端冷却到 Ms 点以下产生马 氏体转变时, 上端的冷却速度还很大, 这时候下端 受压的切向热应力也很大, 由于马氏体转变的瞬 间诱发的超塑性使材料的屈服强度大大降低4, 结果在下端产生沿径向缩小的压缩塑性变形, 最 后形成上端大下端小的锥度。 4 减少产生锥度变形的方法 由于锥度变形是在淬火冷却过程中套

17、圈两端 的冷却速度相差太大所致, 因此只有使套圈两端 冷却速度接近, 才有可能减小锥度变形。 4. 1 在连续淬火装置的油槽中加上翻转机构 当轴承套圈在加热炉内到达奥氏体化后, 落 入淬火油槽中, 置于翻转 180b的传送带上以/ 平 放0状态进行移动。此后, 在经过导板送到下一个 出料传送带的过程中, 轴承套圈准确地翻转 180 b, 以另一种/ 平放0状态冷却, 这样使套圈两端的冷 却速度相同或者同时达到 Ms 点, 可以大大地减 少锥度变形5。 4. 2 轴承套圈在淬火油中作上下震荡冷却 引进的辊底炉热处理生产线, 是将加热至淬火 温度的轴承套圈放在一个速度、 行程和时间均可调 整的台架

18、上, 于热油中作上下震荡, 以改善套圈两 端冷却的均匀性, 最大限度地减少工件变形。 4. 3 改变淬火油循环搅拌方式 网带式托辊炉热处理生产线的淬火油槽, 一 般都安装有 2 台离心泵。1 台用于水平循环喷 流, 防止淬火炉落料口的淬火油局部过热而大量 蒸发, 另 1台则用于油循环冷却。实际上由 2 台 离心泵引起的油搅拌效果只集中在一定厚度的油 表层内, 轴承套圈淬火冷却所在的油槽底层的油 实际上是静止不动的。低变形淬火油槽, 是由 1 台上喷泵( 主泵) 与 2 台循环泵( 辅助泵) 组成, 上 喷泵的作用是使轴承套圈淬火冷却所在的油槽底 层的油均匀地向上流动, 从而改善套圈两端的冷 却速度均匀性, 达到减少变形的目的6。 参考文献: 1 李广志. 圆锥套圈热处理的锥度形变分析J. 轴承, 1993(12) : 16- 19. 2 夏立芳. 金属热处理工艺学 M . 哈尔滨: 哈尔滨工 业大学, 1986. 3 戚正风. 金属热处理原理M. 北京: 机械工业出版 社, 1987. 4 斯别克托尔 . 轴承钢的组织与性能M . 上海: 上 海科学技术文献出版社, 1983. 5 国外轴承热处理M. 洛阳: 洛阳轴承研究所, 1980. 6 陈留根. 工业加热文献 J . 工业加热, 1995(5) . ( 编辑: 赵金库) #33# 杨 健: 轴承套圈热处理锥度变形的探讨