薄壁转盘轴承套模具感应淬火控制变形的工艺研究与应用

张磊磊，高欢欢

（洛阳LYC轴承有限公司，河南 洛阳 471000）

1 前言

基本所有的转盘轴承滚道、齿面均需要进行表面硬化处理。由于感应淬火加工效率高，工艺过程短、氧化少，淬火后组织性能好，因此这种表面热处理方式十分适用于需要进行表面硬化的转盘轴承滚道和齿。而最终经精加工后保留的硬化层深度及硬化层质量直接决定了转盘轴承滚道承载能力和疲劳寿命。本文从感应淬火过程本身分析了转盘轴承滚道及齿淬火的变形过程和原因，针对感应淬火过程引起的变形提出工艺措施，以控制和减少淬火变形。

2 减少变形的意义

减小和控制感应淬火变形，对于转盘轴承的滚道来说，在精加工后可以最大程度地保留滚道近表层优良的热处理组织，保证了转盘轴承的滚道承载能力和疲劳寿命。对于转盘轴承的制造工艺来说，可以大幅地减小滚道的加工余量。对于薄壁型产品可以降低工艺的复杂程度，即减少工件的校圆、整形、废品，进而提高产品的制造效率，降低转盘轴承制造过程的各种消耗和制造成本。对于转盘轴承的齿来说，减小变形可以很好地提高齿圈自身的圆度和精度，减小了齿圈跳动和工艺复杂程度，使部分须经磨削制造的齿轮不再需要磨削。同时转盘轴承使用时可以采用更小的齿侧间隙，降低了齿轮副的磨损，提高了齿轮寿命。

3 感应淬火工艺过程和变形分析

目前，基本所有的大型和特大型转盘轴承滚道、齿的感应淬火方式均采用的是沿滚道的周向连续扫描感应淬火，即工件采用边旋转加热边冷却的热处理方式，起始和结束位置留有一定间隙作为软带。其工艺过程为：工件周向沿中心定速旋转，旋转过程中中频感应器持续地将工件感应区加热至淬火温度，使感应加热区组织奥氏体化后，加热区旋转至冷却区时喷水盒对工件加热部位进行快速冷却，得到马氏体组织，这个过程持续一周即完成工件的整个淬火过程。图 1 所示为轴承滚道感应加热及硬化层（马氏体组织）分布轴向截面示意图，图 2 所示为圆周周向连续扫描感应淬火示意图。

图1 感应加热及理想的硬化层分布示意图

图2 圆周连续扫描感应淬火示意图

所有的热处理均会造成工件各种不同程度的变形。我公司某内齿式四点接触球转盘轴承产品，外圈规格尺寸为：φ1 440mm×1 347mm×50 mm，内圈规格尺寸为：φ1 343mm×1 245mm×50 mm，内齿齿轮模数为 3，由于齿轮模数较小，因此滚道和齿轮均采用扫描感应淬火。首套工艺试验样件淬火前工件圆度为 0.2 mm，淬火后外圈、内圈椭圆变形量分别为 1.78 mm、1.55 mm，内圈经齿面淬火后，齿节圆椭圆度为 3.27 mm，且内圈在齿轮淬火后端面有 0.35 mm的弯曲度。对内、外圈变形采取了机械整形方法进行校圆，外圈经机械整形后圆度为 0.9 mm，内圈经整形后内齿节圆呈现不规则变形，且端面弯曲度无法矫正。外圈校圆后在后续精加工时，由于整形应力逐步释放，又再次发生变形，造成成品圆度、弯曲度、平行度也无法满足设计要求。

引起淬火后套圈变形的主要因素可分为：锻件材料应力在感应加热时释放引起的变形和感应淬火过程自身引起的变形。转盘轴承套圈的锻件一般会经过调质热处理，调质后的组织和组织的均匀性会在感应淬火时对套圈的变形产生重大影响。本文仅从感应淬火过程自身分析淬火引起套圈变形的原因和过程，制定相应的工艺改进措施和方法。

由扫描感应淬火的工艺过程可知，整个工件的淬火过程不是同时进行的，而是沿工件圆周方向依次完成的，因此：

3.1 感应淬火时，由于套圈加热的时间不一致，套圈周向并不是同时均匀受热的，周向的温度相差很大，感应加热区域最高，冷却区域（完成淬火）次之，未淬火的区域最低。同时，随着淬火过程的进行，完成淬火的区域逐渐增大，套圈整体温度逐步升高，已完成淬火的区域和待淬火的区域套圈温度差加大，造成套圈在淬火过程不均匀膨胀和变形程度加大，进而引起淬火中和淬火后的套圈变形。

3.2 感应淬火时，圆周方向上组织的转变过程存在时间差，最先进行淬火的部位最先完成组织转变，组织应力最先进行释放，以达到相对稳定的组织形态。随着时间延长，最初的淬火区域较刚加热和冷却的区域组织转变最为充分，组织稳定性更好，而后续淬火部位会依次完成这个过程，这就造成了组织转变时间上的不一致和组织应力释放时间上的不一致，引起应力变形。特别是对于薄壁型产品，会产生巨大淬火应力变形。

3.3 淬火后硬化层组织分布的均匀性，决定淬火后的组织应力是否均匀，会对淬火后套圈的变形产生很大影响。在淬火过程中，套圈热膨胀会使感应器与工件加热部位的耦合间隙发生变化。如果跟踪系统不能实时进行补偿，会造成淬火区域温度的变化，进而造成周向硬化层分布不均匀和实际得到的淬火组织存在较大的差异，引起周向较大的组织应力差，造成套圈变形。

4 套模具淬火的工艺方案

根据套圈感应淬火过程中的变形原因和过程，针对产品特性和工艺特性，制定了套模具淬火的工艺方法，目的是控制或减小：

a 超薄型大齿圈的小模数齿沿周向扫描感应淬火引起的椭圆变形和端面翘曲;

b 轴向截面结构非对称产品单齿感应淬火引起的椭圆变形和齿向偏差;

c 滚道感应淬火引起的椭圆变形和端面翘曲。

主要工艺改进方案如下：

4.1 在感应电流透入加热深度满足的情况下，尽可能采用更高的淬火频率，同时提高加热功率和淬火速度，缩短感应加热区达到淬火温度的加热时间，减少工件的整体淬火时间和热量向非淬火区域的传递，使工件感应加热热量尽量集中，以减少工件受热膨胀量。同时缩短了起始淬火与结束淬火的时间间隔，减小了工件热变形及组织转变时间差异造成的工件变形。

4.2 淬火时对工件套装模具，如图 3 所示为套装模具的圆周扫描齿感应淬火，图 4 为套装模具的单齿扫描感应淬火。根据淬火中感应器位置和补偿数据显示，图 3 工件淬火时感应器径向自动补偿量由 3.5 mm 减少至 0.8 mm；图 4 工件淬火时感应器位置径向位置偏差由 2 mm 减小至0.5mm。证明在淬火过程中，模具不但会吸收工件多余的热量、减小膨胀，同时设计使用的模具会很好地限制工件加热部位的局部热膨胀和整体热膨胀，使工件在淬火过程中仍能保持很好的圆度，非常地有利于淬火质量控制和硬化层的分布。

图3 薄壁型内齿沿周向扫描感应淬火

图4 内齿单齿扫描感应淬火图

4.3 工件完成淬火后，使用淬火液对工件和模具进行冷却，冷却至室温后拆除模具。这时工件各部位的淬火组织已基本完成了转变，应力得到绝大部分的释放，套圈形态基本固定，经回火后再次释放应力，淬火组织达到稳定态。

4.4 改进前后的工艺路线对比

原有工艺过程：

车成型→感应淬火（淬火速度 180 mm/min，功率 36 kW，耦合间隙 2～2.5 mm）→淬火后自然冷却→去应力回火

改进的工艺过程：

车成型→套装模具→感应淬火（淬火速度 210 mm/min，功率 38 kW，耦合间隙 1～1.5 mm）→淬火后继续用淬火液冷却至室温→拆除模具→去应力回火

5 工艺验证和改善效果对比

为验证套模具淬火工艺方案的改进效果，对两种不同特性的产品按照 4.4 两种工艺过程进行工艺试验对比。为排除材料性能差异对试验结果的影响，每个部件的产品工艺试验零件均满足原材料为同一批次，调质炉号为同一炉号，材料牌号：50Mn+调质。

表1、表 2 分别为两种产品的外圈和内圈各10 件，采用不同热处理工艺的试验产品检测数据，其中表 1 为超薄类型的转盘轴承，表 2 为工程机械转盘轴承。

表1 超薄产品改进前后的滚道及齿热处理变形比对 mm

表2 工程机械产品改进前后的滚道及齿热处理变形比对 mm

通过对两种工艺方法的测量数据对比可知：

5.1 改进后的工艺方法可以有效地改善感应淬火过程自身引起的工件椭圆变形，同时对于超薄型产品也可以很好地控制端面弯曲度。

5.2 改进后的工艺方法可以有效地控制齿轮淬火后的变形，提高淬火后齿轮的精度，特别是对于轴向不对称类型的齿轮，可以很好地控制淬火引起的齿向偏差。

6 总结

6.1 使用改进后的工艺方法对滚道进行感应淬火，可以有效地改善工件淬火后的变形。

6.2 使用改进后的工艺方法对齿轮进行感应淬火，可以有效地改善齿轮淬火后的变形，并提高了齿距和齿向的精度。

6.3 由于加装淬火模具和工件在机冷却需要额外的时间，会增加工件之间的加工时间间隔，但由于工件变形的改善，会极大地提高后续的制造效率，这些增加的时间和成本基本可以忽略。

6.4 根据经验，锻件的调质热处理会对感应淬火和机加工变形产生重要的影响，因此，调质热处理的组织级别和组织均匀性必须进行严格的控制。

6.5 需要注意的是，感应加热升温速度不能过快，否则即使达到了淬火温度，淬火后也将得到加热不足的淬火组织。