大尺寸三排圆柱滚子转盘轴承滚道分面感应淬火工艺

霍晓磊，史亚妮，李崇崇，朱占旗

(洛阳LYC轴承有限公司，河南 洛阳 471039)

三排圆柱滚子转盘轴承被广泛应用于工业生产重型设备中，其使用工况的特殊性决定了作为关键工序的滚道表面感应淬火工序必须达到很高的技术要求，尤其是港口大型船用装载平台、隧道用主轴承、塔吊机用轴承、海上风力发电机平台等轴承的成品滚道淬火硬度要求57～62 HRC，硬化层深度≥7 mm。目前产品滚道硬度55～60 HRC，硬化层深度≤6 mm，且硬度或硬化层深度不均匀，在滚道倒角或油沟处会出现淬火裂纹等。为了解决上述问题，需要对淬火工艺进行改进优化。

1 产品要求

1.1 结构及要求

三排圆柱滚子转盘轴承要求与滚子接触的部位需进行淬火，包括滚道和滚子引导面，通常采取表面感应淬火的方式获得所需的硬度和硬化层深度。轴承装配后，滚子与滚道的接触面宽度H和滚道的实际宽度L大致满足

H+2h≈L，

(1)

式中：h为保持架壁厚。

图1及(1)式表明，滚道载荷区尺寸和滚子的长度几乎相等，保持架壁厚处所对应的区域为外(内)径倒角区域和油沟区域，这2处按照产品技术要求允许不淬火处理[1]。

图1 滚子接触示意图

1.2 材料选择

转盘轴承材料选用42CrMo钢，其具有高强度和韧性，淬透性好，无明显的回火脆性，调质处理后有较高的疲劳极限和抗多次冲击能力，低温冲击韧性良好，滚道表面淬火后组织均匀。42CrMo钢化学成分见表1。

表1 42CrMo钢化学成分

2 淬火功率的计算

设计的三排圆柱滚子转盘轴承尺寸及淬火面标识如图2所示，淬火总长度A+B+C+D+E≈300～500 mm。

图2 套圈滚道淬火面标识

按照淬火机床的输出功率

P总=P0ΔS，

(2)

ΔS=L1L2，

(3)

式中：P总为滚道加热所需要的理论总功率，kW；P0为加热比功率，依经验值取为0.9 kW/cm2；ΔS为滚道加热受热等效面积，cm2；L1为滚道淬火面宽度，cm；L2为感应器加热周向宽度，cm。

P滚道=ηP总，

(4)

式中：P滚道为滚道淬火时施加到淬火面上的实际加热功率；η为淬火机床的功率因数，由于变压器效率降低及感应器汇流排的热损耗，η取0.75。由(2)～(4)式计算得到P滚道=100～170 kW。

目前使用的淬火机床额定输出功率最高为150 kW，按照图2所示淬火，对于小尺寸滚道的常规淬火还可以满足，对于大尺寸滚道淬火或者对硬度和硬化层深度有特殊要求的产品则无法满足，需要重新设计淬火加工方案及感应器结构。

3 淬火感应器的设计

三排圆柱滚子转盘轴承滚道淬火感应器加热方形铜管通常采用16 mm×12 mm规格，厚度2 mm的紫铜管，感应器形状依据淬火滚道形状做成仿形，淬火时需要调整好感应器与滚道的耦合间隙，以保证淬火温度，通常为2～4 mm[2]。

3.1 改进前淬火感应器

改进前滚道感应器与工件的装卡方式如图3所示，淬火方式为所有滚道一体淬火，在加热铜管上装卡厚度为0.30 mm的“П”形硅钢片导磁体，并在主加热铜管上钻直径1.8 mm的喷水孔，水孔角度以不返水为宜(图4)。此类型感应器主要用于滚道硬度、硬化层深度要求不高的产品淬火，通常淬火硬度要求为55～60 HRC，硬化层深度≤6 mm。

图3 改进前淬火感应器装卡图

图4 改进前导磁体、喷水孔示意图

缺点：淬火速度较慢，效率低；喷水预冷距离约为5 mm，速度快，瞬时冷却压力大，产品容易因倒角、油沟处存在的尖角效应和应力集中而产生裂纹，导致报废；通过对淬火面硬化层深度检测发现，多条滚道同时淬火硬化层深度分布不均匀，倒角、油沟处因多条滚道双重加热而出现硬化层深度二次叠加(图5)现象。

图5 套圈硬化层深度分布

图5中标记的a，b，c，d处为非滚动接触区，无需淬火,因加热叠加被感应淬火，拉应力较大，由于应力集中而出现淬火裂纹。在淬火速度为100～120 mm/min下，a，b，c，d标记点的硬化层深度分别为7.0，10.0，9.5，7.0 mm，硬度均为55～60 HRC；标记点之间的滚道载荷区硬化层深度≤6 mm。

3.2 改进后淬火感应器

改进后采用滚道分面淬火的方式，依据结构及硬度、硬化层深度要求，依次按照B，A+E，C+D的顺序进行分面淬火，改进后感应器如图6所示。

图6 改进后的感应器

一方面，将单排导磁体改为双排导磁体，厚度不变，分别装卡在主、辅加热铜管上，增加了导磁体的驱流效果，减少了磁力线的逸散，单位面积的加热效率增加了约1倍，从而起到了提升滚道表面硬化层深度的目的。另一方面，将感应器的直喷单排水孔冷却改为独立水盒多排水孔冷却(图7)，喷水孔直径增大为2 mm，喷水盒和感应加热铜管之间的预冷距离l依据淬火速度而定，通常选择为25～40 mm。优化后的感应器增加了冷却水量，延长了冷却时间，减少了局部冷却速度，防止了因淬火温度高出现滚道心部温度传热导致的自回火现象，滚道检测发现，硬度比直喷单排水孔冷却提高2～4 HRC[3]。

图7 改进后导磁体、喷水孔示意图

分面淬火(图6)时感应器设计的铜管加热长度和喷水孔长度比滚道宽度窄15～25 mm，这使得如图8所示倒角、油沟(a′，b′，c′，d′区域)处温度没有达到淬火温度，避免了相邻滚道淬火时的二次淬火重叠问题；另外，在已淬完滚道处设置辅助冷却水管(图6b、图6c)，减小了淬火热影响区，防止了因相邻滚道存在感应淬火干涉而影响已淬滚道的硬度和硬化层深度。

图8 硬化层深度分布图

由图8中滚道硬化层深度分布可知，倒角、油沟处应力集中小，不会出现裂纹；滚道载荷区硬度、硬化层深度均匀。在淬火速度为130～150 mm/min下，a′，b′，c′，d′标记点的硬化层深度没有增加，硬度没有改变，标记点之间的滚道载荷区A，B，C，D，E硬化层深度为7～10 mm，满足了设计要求。

4 结束语

对三排圆柱滚子转盘轴承滚道淬火感应器结构和淬火方法进行改进，经过多次工艺试验可得:

1)增加一排导磁体，相当于增加一倍加热效率，在淬火功率少许增加的条件下可有效提高硬化层深度。

2)淬火冷却由单排冷却改为多排冷却，增加了水孔数量和直径，冷却水量相应增加；增加了预冷距离，防止冷却速度过快，既提高了滚道淬火硬度，又可防止淬火裂纹的产生。

3)分面滚道单独淬火感应器制作简单，可以依据需要便捷调整喷水区域，灵活选择淬硬区域，淬火调整时观察淬火温度及耦合间隙更清晰，操作简单。

4)单条滚道淬火热效率高，机床的功率损耗小，可以防止机床长时间高功率运行出现电源系统负载大、过流、过压等问题，避免机床出现中停问题，确保了淬火顺利进行。