張磊磊，高歡歡

（洛陽(yáng)LYC軸承有限公司，河南 洛陽(yáng) 471000）

1 前言

基本所有的轉(zhuǎn)盤軸承滾道、齒面均需要進(jìn)行表面硬化處理。由于感應(yīng)淬火加工效率高，工藝過(guò)程短、氧化少，淬火后組織性能好，因此這種表面熱處理方式十分適用于需要進(jìn)行表面硬化的轉(zhuǎn)盤軸承滾道和齒。而最終經(jīng)精加工后保留的硬化層深度及硬化層質(zhì)量直接決定了轉(zhuǎn)盤軸承滾道承載能力和疲勞壽命。本文從感應(yīng)淬火過(guò)程本身分析了轉(zhuǎn)盤軸承滾道及齒淬火的變形過(guò)程和原因，針對(duì)感應(yīng)淬火過(guò)程引起的變形提出工藝措施，以控制和減少淬火變形。

2 減少變形的意義

減小和控制感應(yīng)淬火變形，對(duì)于轉(zhuǎn)盤軸承的滾道來(lái)說(shuō)，在精加工后可以最大程度地保留滾道近表層優(yōu)良的熱處理組織，保證了轉(zhuǎn)盤軸承的滾道承載能力和疲勞壽命。對(duì)于轉(zhuǎn)盤軸承的制造工藝來(lái)說(shuō)，可以大幅地減小滾道的加工余量。對(duì)于薄壁型產(chǎn)品可以降低工藝的復(fù)雜程度，即減少工件的校圓、整形、廢品，進(jìn)而提高產(chǎn)品的制造效率，降低轉(zhuǎn)盤軸承制造過(guò)程的各種消耗和制造成本。對(duì)于轉(zhuǎn)盤軸承的齒來(lái)說(shuō)，減小變形可以很好地提高齒圈自身的圓度和精度，減小了齒圈跳動(dòng)和工藝復(fù)雜程度，使部分須經(jīng)磨削制造的齒輪不再需要磨削。同時(shí)轉(zhuǎn)盤軸承使用時(shí)可以采用更小的齒側(cè)間隙，降低了齒輪副的磨損，提高了齒輪壽命。

3 感應(yīng)淬火工藝過(guò)程和變形分析

目前，基本所有的大型和特大型轉(zhuǎn)盤軸承滾道、齒的感應(yīng)淬火方式均采用的是沿滾道的周向連續(xù)掃描感應(yīng)淬火，即工件采用邊旋轉(zhuǎn)加熱邊冷卻的熱處理方式，起始和結(jié)束位置留有一定間隙作為軟帶。其工藝過(guò)程為：工件周向沿中心定速旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)過(guò)程中中頻感應(yīng)器持續(xù)地將工件感應(yīng)區(qū)加熱至淬火溫度，使感應(yīng)加熱區(qū)組織奧氏體化后，加熱區(qū)旋轉(zhuǎn)至冷卻區(qū)時(shí)噴水盒對(duì)工件加熱部位進(jìn)行快速冷卻，得到馬氏體組織，這個(gè)過(guò)程持續(xù)一周即完成工件的整個(gè)淬火過(guò)程。圖 1 所示為軸承滾道感應(yīng)加熱及硬化層（馬氏體組織）分布軸向截面示意圖，圖 2 所示為圓周周向連續(xù)掃描感應(yīng)淬火示意圖。

圖1 感應(yīng)加熱及理想的硬化層分布示意圖

圖2 圓周連續(xù)掃描感應(yīng)淬火示意圖

所有的熱處理均會(huì)造成工件各種不同程度的變形。我公司某內(nèi)齒式四點(diǎn)接觸球轉(zhuǎn)盤軸承產(chǎn)品，外圈規(guī)格尺寸為：φ1 440mm×1 347mm×50 mm，內(nèi)圈規(guī)格尺寸為：φ1 343mm×1 245mm×50 mm，內(nèi)齒齒輪模數(shù)為 3，由于齒輪模數(shù)較小，因此滾道和齒輪均采用掃描感應(yīng)淬火。首套工藝試驗(yàn)樣件淬火前工件圓度為 0.2 mm，淬火后外圈、內(nèi)圈橢圓變形量分別為 1.78 mm、1.55 mm，內(nèi)圈經(jīng)齒面淬火后，齒節(jié)圓橢圓度為 3.27 mm，且內(nèi)圈在齒輪淬火后端面有 0.35 mm的彎曲度。對(duì)內(nèi)、外圈變形采取了機(jī)械整形方法進(jìn)行校圓，外圈經(jīng)機(jī)械整形后圓度為 0.9 mm，內(nèi)圈經(jīng)整形后內(nèi)齒節(jié)圓呈現(xiàn)不規(guī)則變形，且端面彎曲度無(wú)法矯正。外圈校圓后在后續(xù)精加工時(shí)，由于整形應(yīng)力逐步釋放，又再次發(fā)生變形，造成成品圓度、彎曲度、平行度也無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求。

引起淬火后套圈變形的主要因素可分為：鍛件材料應(yīng)力在感應(yīng)加熱時(shí)釋放引起的變形和感應(yīng)淬火過(guò)程自身引起的變形。轉(zhuǎn)盤軸承套圈的鍛件一般會(huì)經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)熱處理，調(diào)質(zhì)后的組織和組織的均勻性會(huì)在感應(yīng)淬火時(shí)對(duì)套圈的變形產(chǎn)生重大影響。本文僅從感應(yīng)淬火過(guò)程自身分析淬火引起套圈變形的原因和過(guò)程，制定相應(yīng)的工藝改進(jìn)措施和方法。

由掃描感應(yīng)淬火的工藝過(guò)程可知，整個(gè)工件的淬火過(guò)程不是同時(shí)進(jìn)行的，而是沿工件圓周方向依次完成的，因此：

3.1 感應(yīng)淬火時(shí)，由于套圈加熱的時(shí)間不一致，套圈周向并不是同時(shí)均勻受熱的，周向的溫度相差很大，感應(yīng)加熱區(qū)域最高，冷卻區(qū)域（完成淬火）次之，未淬火的區(qū)域最低。同時(shí)，隨著淬火過(guò)程的進(jìn)行，完成淬火的區(qū)域逐漸增大，套圈整體溫度逐步升高，已完成淬火的區(qū)域和待淬火的區(qū)域套圈溫度差加大，造成套圈在淬火過(guò)程不均勻膨脹和變形程度加大，進(jìn)而引起淬火中和淬火后的套圈變形。

3.2 感應(yīng)淬火時(shí)，圓周方向上組織的轉(zhuǎn)變過(guò)程存在時(shí)間差，最先進(jìn)行淬火的部位最先完成組織轉(zhuǎn)變，組織應(yīng)力最先進(jìn)行釋放，以達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的組織形態(tài)。隨著時(shí)間延長(zhǎng)，最初的淬火區(qū)域較剛加熱和冷卻的區(qū)域組織轉(zhuǎn)變最為充分，組織穩(wěn)定性更好，而后續(xù)淬火部位會(huì)依次完成這個(gè)過(guò)程，這就造成了組織轉(zhuǎn)變時(shí)間上的不一致和組織應(yīng)力釋放時(shí)間上的不一致，引起應(yīng)力變形。特別是對(duì)于薄壁型產(chǎn)品，會(huì)產(chǎn)生巨大淬火應(yīng)力變形。

3.3 淬火后硬化層組織分布的均勻性，決定淬火后的組織應(yīng)力是否均勻，會(huì)對(duì)淬火后套圈的變形產(chǎn)生很大影響。在淬火過(guò)程中，套圈熱膨脹會(huì)使感應(yīng)器與工件加熱部位的耦合間隙發(fā)生變化。如果跟蹤系統(tǒng)不能實(shí)時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償，會(huì)造成淬火區(qū)域溫度的變化，進(jìn)而造成周向硬化層分布不均勻和實(shí)際得到的淬火組織存在較大的差異，引起周向較大的組織應(yīng)力差，造成套圈變形。

4 套模具淬火的工藝方案

根據(jù)套圈感應(yīng)淬火過(guò)程中的變形原因和過(guò)程，針對(duì)產(chǎn)品特性和工藝特性，制定了套模具淬火的工藝方法，目的是控制或減?。?/p>

a 超薄型大齒圈的小模數(shù)齒沿周向掃描感應(yīng)淬火引起的橢圓變形和端面翹曲;

b 軸向截面結(jié)構(gòu)非對(duì)稱產(chǎn)品單齒感應(yīng)淬火引起的橢圓變形和齒向偏差;

c 滾道感應(yīng)淬火引起的橢圓變形和端面翹曲。

主要工藝改進(jìn)方案如下：

4.1 在感應(yīng)電流透入加熱深度滿足的情況下，盡可能采用更高的淬火頻率，同時(shí)提高加熱功率和淬火速度，縮短感應(yīng)加熱區(qū)達(dá)到淬火溫度的加熱時(shí)間，減少工件的整體淬火時(shí)間和熱量向非淬火區(qū)域的傳遞，使工件感應(yīng)加熱熱量盡量集中，以減少工件受熱膨脹量。同時(shí)縮短了起始淬火與結(jié)束淬火的時(shí)間間隔，減小了工件熱變形及組織轉(zhuǎn)變時(shí)間差異造成的工件變形。

4.2 淬火時(shí)對(duì)工件套裝模具，如圖 3 所示為套裝模具的圓周掃描齒感應(yīng)淬火，圖 4 為套裝模具的單齒掃描感應(yīng)淬火。根據(jù)淬火中感應(yīng)器位置和補(bǔ)償數(shù)據(jù)顯示，圖 3 工件淬火時(shí)感應(yīng)器徑向自動(dòng)補(bǔ)償量由 3.5 mm 減少至 0.8 mm；圖 4 工件淬火時(shí)感應(yīng)器位置徑向位置偏差由 2 mm 減小至0.5mm。證明在淬火過(guò)程中，模具不但會(huì)吸收工件多余的熱量、減小膨脹，同時(shí)設(shè)計(jì)使用的模具會(huì)很好地限制工件加熱部位的局部熱膨脹和整體熱膨脹，使工件在淬火過(guò)程中仍能保持很好的圓度，非常地有利于淬火質(zhì)量控制和硬化層的分布。

圖3 薄壁型內(nèi)齒沿周向掃描感應(yīng)淬火

圖4 內(nèi)齒單齒掃描感應(yīng)淬火圖

4.3 工件完成淬火后，使用淬火液對(duì)工件和模具進(jìn)行冷卻，冷卻至室溫后拆除模具。這時(shí)工件各部位的淬火組織已基本完成了轉(zhuǎn)變，應(yīng)力得到絕大部分的釋放，套圈形態(tài)基本固定，經(jīng)回火后再次釋放應(yīng)力，淬火組織達(dá)到穩(wěn)定態(tài)。

4.4 改進(jìn)前后的工藝路線對(duì)比

原有工藝過(guò)程：

車成型→感應(yīng)淬火（淬火速度 180 mm/min，功率 36 kW，耦合間隙 2～2.5 mm）→淬火后自然冷卻→去應(yīng)力回火

改進(jìn)的工藝過(guò)程：

車成型→套裝模具→感應(yīng)淬火（淬火速度 210 mm/min，功率 38 kW，耦合間隙 1～1.5 mm）→淬火后繼續(xù)用淬火液冷卻至室溫→拆除模具→去應(yīng)力回火

5 工藝驗(yàn)證和改善效果對(duì)比

為驗(yàn)證套模具淬火工藝方案的改進(jìn)效果，對(duì)兩種不同特性的產(chǎn)品按照 4.4 兩種工藝過(guò)程進(jìn)行工藝試驗(yàn)對(duì)比。為排除材料性能差異對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，每個(gè)部件的產(chǎn)品工藝試驗(yàn)零件均滿足原材料為同一批次，調(diào)質(zhì)爐號(hào)為同一爐號(hào)，材料牌號(hào)：50Mn+調(diào)質(zhì)。

表1、表 2 分別為兩種產(chǎn)品的外圈和內(nèi)圈各10 件，采用不同熱處理工藝的試驗(yàn)產(chǎn)品檢測(cè)數(shù)據(jù)，其中表 1 為超薄類型的轉(zhuǎn)盤軸承，表 2 為工程機(jī)械轉(zhuǎn)盤軸承。

表1 超薄產(chǎn)品改進(jìn)前后的滾道及齒熱處理變形比對(duì) mm

表2 工程機(jī)械產(chǎn)品改進(jìn)前后的滾道及齒熱處理變形比對(duì) mm

通過(guò)對(duì)兩種工藝方法的測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比可知：

5.1 改進(jìn)后的工藝方法可以有效地改善感應(yīng)淬火過(guò)程自身引起的工件橢圓變形，同時(shí)對(duì)于超薄型產(chǎn)品也可以很好地控制端面彎曲度。

5.2 改進(jìn)后的工藝方法可以有效地控制齒輪淬火后的變形，提高淬火后齒輪的精度，特別是對(duì)于軸向不對(duì)稱類型的齒輪，可以很好地控制淬火引起的齒向偏差。

6 總結(jié)

6.1 使用改進(jìn)后的工藝方法對(duì)滾道進(jìn)行感應(yīng)淬火，可以有效地改善工件淬火后的變形。

6.2 使用改進(jìn)后的工藝方法對(duì)齒輪進(jìn)行感應(yīng)淬火，可以有效地改善齒輪淬火后的變形，并提高了齒距和齒向的精度。

6.3 由于加裝淬火模具和工件在機(jī)冷卻需要額外的時(shí)間，會(huì)增加工件之間的加工時(shí)間間隔，但由于工件變形的改善，會(huì)極大地提高后續(xù)的制造效率，這些增加的時(shí)間和成本基本可以忽略。

6.4 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，鍛件的調(diào)質(zhì)熱處理會(huì)對(duì)感應(yīng)淬火和機(jī)加工變形產(chǎn)生重要的影響，因此，調(diào)質(zhì)熱處理的組織級(jí)別和組織均勻性必須進(jìn)行嚴(yán)格的控制。

6.5 需要注意的是，感應(yīng)加熱升溫速度不能過(guò)快，否則即使達(dá)到了淬火溫度，淬火后也將得到加熱不足的淬火組織。