42CrMo钢不同淬硬层深度对轴承许用接触应力的影响

杨哲，陈小超，郑海燕，曾超凡，王艳山

(1.洛阳LYC轴承有限公司，河南 洛阳 471039；2.航空精密轴承国家重点实验室，河南 洛阳 471039 )

滚动轴承滚动面在较大载荷下会产生永久变形，变形量随载荷的增大而增大。永久变形量为滚动体直径的1×10-4倍时，用其当量静载荷作为轴承的额定静载荷[1]。特大型转盘轴承转速低，主要承受静载荷，与平板-滚子接触类似，因此通常进行平板压力试验，用回归法计算永久变形量与最大接触应力之间的关系，然后计算轴承许用接触应力[2-6]。近年来，随着客户要求的提高，实际生产中表面硬度57 HRC以下的滚道面已无法满足需求，目前要求滚道面硬度为57～60 HRC，但在相关资料中缺乏不同淬硬层深度的许用接触应力的研究。因此，现对表面硬度为58～60 HRC的φ50 mm×50 mm的GCr15SiMn钢制滚子，在表面硬度为57～60 HRC,淬硬层深度为3～6 mm的42CrMo平板上进行压力试验，研究淬硬层深度对轴承许用接触应力的影响。

1 试验

1.1 试样

选取42CrMo钢，经过预处理后，通过不同工艺的中频表面感应淬火得到表面硬度为57～60 HRC，淬硬层深度分别为3，4，5，6 mm的平板。将平板切割成80 mm×50 mm×35 mm的试样，按照淬硬层深度分为4组，每组9个试样，每组另外准备2个备用试样。

1.2 试验方法

通过WE-600型液压万能材料试验机(图1)用φ50 mm×50 mm的滚子分别对试样施加250，300，350，400，450，500，550，600，650 kN的径向载荷Q，保持3 s，由于加载时有冲高，计算过程按实际载荷(表1)计算。用CL-1A轮廓仪检测压痕深度。

1—上压头；2—平板试样；3—滚子；4—模具；5—下支承台

2 结果与分析

2.1 压痕深度

不同径向载荷下试样的压痕深度δq见表1。

表1 不同载荷下试样的压痕深度

2.2 许用接触应力的计算

根据Hertz理论[1-6]，最大应力σmax与载荷Q的关系为

(1)

式中：l为滚子长度，mm；Dw为滚子直径，mm。

根据(1)式计算试样的最大应力，结果见表2。

表2 不同载荷下试样的最大应力

永久变形量δq/Dw与最大应力之间的关系为

(2)

式中：K为常数;b为指数。

(2)式为经验公式，对其两边取对数可得

lg(δq/Dw)=b(lgσmax)+lgK。

(3)

根据表1和表2计算不同载荷下试样的lg(δq/Dw)和lgσmax。用Origin软件对表中第1组的对数计算结果lg(δq/Dw)和lgσmax进行线性回归，可得拟合曲线如图2a所示，线性拟合方程为

lg(δq/Dw)=5.179 lgσmax-21.882，

(4)

相关系数r=0.954>0.9，所以lgσmax与lg(δq/Dw)正相关。

由(4)式可得

δq/Dw=10-21.882σ5.179，

(5)

σ=(1021.882δq/Dw)1/5.179。

(6)

根据许用接触应力的定义[1]，永久变形量δq/Dw=1×10-4时，由(6)式求出的σmax即为许用接触应力，即σ1=2 836.548 MPa。

同理可得第2～4组的拟合曲线图(图2b～图2d)及相应的许用接触应力σ2，σ3，σ4。

图2 线性拟合曲线

2.3 结果分析

不同淬硬层深度试样上滚子的许用接触应力见表3。由表可知：许用接触应力随着淬硬层深度的增加而增大。这主要是因为淬硬层越深，沿垂直于接触表面的抗剪能力越强，而42CrMo钢经调质预处理、感应淬火后的心部硬度为220～260 HB，在心部支承强度相同的条件下，淬硬层越深，变形的难度越大。当淬硬层深度达到5 mm后，平板上的许用接触应力为3 817.120 MPa；淬硬层深度为6 mm时，平板的许用接触应力为3 844.669 MPa，两者基本相近，说明淬硬层深度超过5 mm后，平板的许用接触应力增幅减小。这是因为滚子尺寸、硬度相同时，当平板的淬硬层深度达到5 mm后，其硬度成为影响许用接触应力的重要因素，硬度不足导致表面淬硬层无法承受较大载荷而被压溃，因此淬硬层深度继续增加对许用接触应力的增加效果不明显。

表3 不同深度硬化层上滚子的许用接触应力

3 结论

压痕深度与滚子直径之比的对数与最大应力的对数存在线性关系。当平板表面硬度为57～60 HRC，淬硬层深度为3～6 mm时，随着淬硬层深度的增加，许用接触应力增大；当淬硬层深度达到5 mm后，许用接触应力增量逐渐减小，为得到较高的许用应力，当平板表面硬度为57～60 HRC，淬硬层深度应大于5～6 mm。