韓忠冠，羅賢國，俞 蓓，王宏琴，趙 磊

（安徽機電職業(yè)技術(shù)學院，安徽蕪湖 241000）

0 引言

軸承是機械零件產(chǎn)品中常用的標準件，采用冷碾壓工藝生產(chǎn)軸承環(huán)坯，可以提高軸承壽命并節(jié)約原材料。經(jīng)過前期試驗分析，軸承環(huán)坯冷碾壓過程中不可避免存在殘余應(yīng)力，是后續(xù)淬回火變形產(chǎn)生的主要影響因素[1]。自然時效、熱時效、振動時效是降低材料內(nèi)部殘余應(yīng)力的主要方法，本文針對冷碾壓成形的6311/01軸承環(huán)振動時效處理進行試驗分析，探索冷碾壓軸承環(huán)件內(nèi)殘余應(yīng)力的降低效果。

1 振動時效機理

振動時效是一種通過振動使材料內(nèi)部的內(nèi)應(yīng)力得以松弛和減輕，從而使構(gòu)件內(nèi)殘余應(yīng)力降低、尺寸穩(wěn)定而達到時效的方法[2]。振動時效的機理已有大量的研究，綜合現(xiàn)有研究成果，可以達成如下共識[3-5]：構(gòu)件在共振狀態(tài)下獲得較大的激振動應(yīng)力，在某個方向上的合應(yīng)力超過材料的屈服極限，該處會產(chǎn)生屈服變形，引起殘余應(yīng)力松弛并釋放出來，從而有效地降低峰值殘余應(yīng)力，使整體殘余應(yīng)力值下降。從位錯理論的微觀角度分析，殘余應(yīng)力的本質(zhì)是晶格畸變，而晶格畸變在很大程度上是由位錯引起的[6]。振動過程中，當外加激振力與殘余應(yīng)力疊加的合力大于微觀塑性變形所需的流變應(yīng)力時，金屬晶體將產(chǎn)生位錯運動[7]。由于應(yīng)力集中區(qū)的位錯等的滑移流變，這時高殘余應(yīng)力區(qū)的位錯塞積群將被開動，使晶體產(chǎn)生微觀塑性變形，使高殘余應(yīng)力得以釋放，使此處應(yīng)力變小，從整體看達到均化應(yīng)力、降低或消除殘余應(yīng)力的目的。

2 試驗方案及內(nèi)容

2.1 試驗方案

冷碾壓成形6311/01軸承環(huán)時每分鐘生產(chǎn)2～3只，而振動時效一般每只累計振動時間不應(yīng)超過40分鐘[8]，這樣存在生產(chǎn)效率的不匹配。目前，按照國家標準《機械式振動時效裝置》GB/T25713-2010生產(chǎn)的機械式振動時效裝置，雖然能適用碳素結(jié)構(gòu)鋼、不銹鋼、低合金鋼等材質(zhì)的鑄件、鍛件、焊接件等的時效處理，但其激振方式滿足不了冷碾壓成形軸承環(huán)成批量生產(chǎn)的工效要求。我們試驗時應(yīng)用振動試驗臺，將軸承鋼GCr15生產(chǎn)的6311/01冷碾壓軸承環(huán)，用紙箱有序地小批量包裝成一體放置在振動試驗臺（如圖1所示），這樣既滿足成批量生產(chǎn)的應(yīng)用要求，也防止振動中軸承環(huán)間相對運動而造成碰劃傷。

2.2 試驗條件

試驗所用6311/01冷碾壓軸承環(huán)的材料為GCr15；試驗設(shè)備為機械式振動臺，最大試驗負載100kg，振動方式為回轉(zhuǎn)式。

2.3 試驗內(nèi)容

設(shè)置合適試驗參數(shù)是有效降低殘余應(yīng)力必然考慮的問題。根據(jù)已經(jīng)研究的理論知道，共振振動是消除應(yīng)力的關(guān)鍵。一個無應(yīng)力的工件具有獨特的固有頻率，含有殘余應(yīng)力的工件的共振頻率比相同但不含應(yīng)力的工件共振頻率高。在振動過程中，隨著殘余內(nèi)應(yīng)力下降，工件內(nèi)阻尼減小，工件的固有頻率降低[9]。由于工件內(nèi)各處殘余應(yīng)力不等，其峰值大小無法估計，同時受振動試驗設(shè)備條件限制（只能在低頻100 Hz內(nèi)進行振動時效），所以我們在試驗方案設(shè)計時，在振幅一定前提下，每種方案振動頻率按高中低三階段遞減方式考慮。方案1為先按100Hz振動40分鐘后，轉(zhuǎn)換為66Hz振動40分鐘，接著按33 Hz振動40分鐘；方案2為按80Hz振動40分鐘后，轉(zhuǎn)換為54Hz振動40分鐘，最后按27 Hz振動40分鐘；為了對比時效效果，增加方案3的同一頻率100Hz同等時間振動和方案4的軸向振動（即環(huán)件擺放軸承環(huán)軸向為上下方向，震動頻率與方案2相同）兩種方式。

圖1 小批量工件擺放振動試驗臺

3 振動時效試驗過程及結(jié)果分析

3.1 試驗結(jié)果

為了評估試驗環(huán)件振動時效消除應(yīng)力的效果，分別對試驗用冷碾壓軸承環(huán)編號，然后分組對應(yīng)試驗，每種方案用30只6311/01軸承環(huán)，用盲孔法對激振前和激振后的環(huán)件進行殘余應(yīng)力測試，測試點設(shè)置在外圓面位于環(huán)件高度的1/2處，試驗結(jié)果及數(shù)據(jù)處理見表1。

3.2 結(jié)果分析

環(huán)件殘余應(yīng)力試驗前后極差大小，可在一定程度上表明環(huán)件測試面內(nèi)的殘余應(yīng)力消除程度，即極差越大，殘余應(yīng)力消除越大；反之，極差越小，殘余應(yīng)力消除越小。四種方案殘余應(yīng)力試驗前后降低（極差）平均值比較，如圖2所示，方案1最優(yōu)，其次依次是方案2、方案3、方案4。

表1 試驗結(jié)果及數(shù)據(jù)處理

續(xù)表1

續(xù)表1

殘余應(yīng)力消除率δ的計算方法為

式中，σ0為振前的殘余應(yīng)力數(shù)值，σi為第i次振動后的殘余應(yīng)力數(shù)值。從振動前后殘余應(yīng)力消除率波狀圖（圖3）看，方案1在45%～55%之間、方案2在30%～40%之間、方案3和方案4基本差不多，在10%～25%之間。

圖3 殘余應(yīng)力消除率波狀圖

4 結(jié)論

通過文中給出的四種振動時效試驗結(jié)果，可看出振動時效能有效地降低環(huán)件端面的殘余應(yīng)力。從效果來看，方案1最佳。從方案1與方案2比較看，高頻率振動對冷碾壓軸承環(huán)殘余應(yīng)力降低效果好。因此，在冷碾壓軸承生產(chǎn)上，可采取由高到低分段設(shè)置振動頻率方式，實施振動時效處理，有利于降低殘余應(yīng)力，促進冷碾壓技術(shù)的更經(jīng)濟應(yīng)用推廣。受試驗條件限制，未在更高頻率振動條件下試驗，如果在更高頻率振動條件下進行試驗，相信會摸索出更多不同型號的經(jīng)驗數(shù)據(jù)用于指導生產(chǎn)。