許正根

(洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039)

軋輥用四列圓錐滾子軸承的使用工況比較惡劣，要求軸承具有高轉(zhuǎn)速、高精度、高載荷容量、高可靠性、耐磨損、長壽命、良好的沖擊韌性及密封等特性。四列圓錐滾子軸承的設(shè)計(jì)、質(zhì)量控制與通常的單、雙列圓錐滾子軸承有很大不同，考慮的因素較多，其設(shè)計(jì)、加工難度及復(fù)雜程度均較高。在此，根據(jù)多年的設(shè)計(jì)、工藝及技術(shù)服務(wù)經(jīng)驗(yàn)，闡述四列圓錐滾子軸承的設(shè)計(jì)及質(zhì)量控制要點(diǎn)，以供相關(guān)技術(shù)人員參考。

1 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1.1 材料的確定

套圈和滾子的材料主要根據(jù)工況確定，需要考慮軋機(jī)類型、軋輥轉(zhuǎn)速、軋制材料、軋制力和沖擊載荷、以及潤滑方式等因素，這些工況都會對軸承材料的選擇有所影響。對于沖擊載荷大的場合，應(yīng)選擇滲碳鋼；對于沖擊載荷較小的場合，可選擇全淬鋼。一般情況下，套圈和滾子材料均應(yīng)采用滲碳鋼。對于沖擊載荷相對較大的場合，可采用外圈材料為全淬鋼，內(nèi)圈材料為滲碳鋼的組合方式。套圈的熱處理方式可選擇馬氏體淬火或者下貝氏體淬火。

沖壓保持架的材料一般選用08AL低碳鋼板或性能更加優(yōu)越的材料，表面最好采用磷化處理。支柱焊接保持架的材料，一般選用可焊性好的20鋼，支柱采用40鋼，表面進(jìn)行高頻淬火，深度控制在1 mm左右。

內(nèi)、外隔圈材料采用40或45鋼。對內(nèi)隔圈要進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，淬火后硬度需控制在45 HRC以上。

1.2 主參數(shù)的確定

四列圓錐滾子軸承的主參數(shù)有：內(nèi)徑d、外徑D、公稱寬度T、內(nèi)圈寬度B、外圈滾道角度α、滾子的半錐角Φ、滾子的大端直徑Dw、滾子的長度Lw、外圈滾道的小端直徑De、滾子的個數(shù)Z。其中，d，D，T，B均是已知的，α的值可以通過查樣本及有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)確定，樣本所列為e值，則α=arctan(e/1.5)，單位為弧度。α值與標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的角度值或之前設(shè)計(jì)過的類似產(chǎn)品的角度值相比較并向它們靠近，這樣能節(jié)約一些工裝和量具。

四列圓錐滾子軸承的設(shè)計(jì)要比單、雙列圓錐滾子軸承考慮的因素更多一些，細(xì)節(jié)的設(shè)計(jì)尤為重要。在四列圓錐滾子軸承設(shè)計(jì)中要考慮套圈的最薄弱處和滲碳層深度的最佳匹配，4個保持架之間間隙的合理控制，內(nèi)、外擋圈材料和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)等因素。對于GB/T 300—2008中規(guī)定的四列圓錐滾子軸承外形尺寸方案，設(shè)計(jì)時需考慮與單、雙列圓錐滾子軸承主參數(shù)能否通用的問題。

四列圓錐滾子軸承的優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)際上是對De，Dw，Lw，Z和Φ的優(yōu)化。在設(shè)計(jì)過程中，一定注意套圈壁厚、滾子長度、滾子個數(shù)和額定動載荷的關(guān)系，不能顧此失彼。

1.3 輔助結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定

軸承內(nèi)部的輔助結(jié)構(gòu)參數(shù)對軸承的使用壽命也有一定的影響，需合理確定。

(1)滾子與內(nèi)圈小擋邊的間隙及滾子高度相互差的控制。通用軸承的滾子與擋邊之間的間隙一般都在0.5 mm以上，小擋邊不進(jìn)行磨削；而軋輥軸承要求滾子與內(nèi)圈小擋邊之的軸向間隙應(yīng)小于0.2 mm，其小擋邊和滾子非基準(zhǔn)端面都應(yīng)予以磨削。滾子的高度相互差應(yīng)得到控制，這樣能縮小滾子與內(nèi)圈小擋邊間的間隙，從而削弱軸承裝配時滾子自鎖的作用，使得軸承工作時受力更加均勻。

(2)內(nèi)圈油槽及內(nèi)、外圈壁厚差的設(shè)計(jì)。對于相對轉(zhuǎn)速較高的場合，內(nèi)圈的內(nèi)徑面要設(shè)計(jì)螺旋油槽，內(nèi)圈端面設(shè)計(jì)徑向油槽，這樣能有效防止內(nèi)孔、端面和軋輥之間因蠕動而引起的燒粘現(xiàn)象。過大、過深的油溝會對軸承的使用壽命造成嚴(yán)重影響;過小、過淺的油溝對軸承的加工將造成影響。因此，應(yīng)盡量將油溝的尺寸控制到最小，以增加滾道有效尺寸，延長軸承使用壽命。另外，內(nèi)、外圈壁厚差要合理確定，一般情況下內(nèi)圈的有效壁厚比外圈大，根據(jù)尺寸及截面大小，內(nèi)、外圈的壁厚差可在0.5～5 mm之間調(diào)整。內(nèi)、外圈滾道應(yīng)帶有凸度，這有可能會受到目前國內(nèi)加工設(shè)備的制約。

(3)應(yīng)采用凸度滾子，素線為對數(shù)曲線的滾子較宜。滾子的精度等級不能低于Ⅱ級。

(4)保持架的設(shè)計(jì)。采用鋼板沖壓保持架的四列圓錐滾子軸承，其滾子組與保持架的徑向游動量要嚴(yán)格按照J(rèn)B/T 10337—2002標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行控制。當(dāng)軸承轉(zhuǎn)速提高時，若保持架過于松動，必然加大滾子歪斜的趨勢，且自身所受的沖擊載荷也較大，會影響軸承性能和壽命。 沖壓保持架的梁寬不宜太窄，梁寬要控制為1.5～1.8倍的保持架板厚，并計(jì)算好滾子的數(shù)量，防止因保持架梁寬過窄而造成軸承早期失效。 對于采用支柱焊接結(jié)構(gòu)保持架的四列圓錐滾子軸承，滾子的內(nèi)孔與支柱之間的間隙要合理控制。間隙過大或過小都將影響軸承的使用壽命。 對于支柱焊接的保持架，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)支柱螺紋部分帶有退刀槽，會降低支柱的強(qiáng)度，而實(shí)踐證明，沒有退刀槽并不影響螺紋的加工；因此，建議取消退刀槽。 對采用沖壓及支柱焊接的保持架，要注意保持架之間的間隙，以免發(fā)生干涉，間隙推薦值見表1。

表1 雙、四列圓錐滾子軸承保持架間隙推薦值 mm

(5)軸承游隙的確定。過大的游隙將造成軸承有效載荷區(qū)的滾子數(shù)減少，軸承的疲勞壽命降低；過小的游隙將造成軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過程中發(fā)熱，最終使軸承卡死。圓柱孔的四列圓錐滾子軸承和軋輥的配合是間隙配合，游隙應(yīng)選擇2組或基本組，也有特殊情況選擇3組大游隙。

(6) 滲碳層深度的確定。滲碳層深度應(yīng)根據(jù)零件端面尺寸與使用條件確定，必要時，要對其進(jìn)行理論計(jì)算(計(jì)算出接觸應(yīng)力及最大剪切應(yīng)力所達(dá)到的部位，乘以安全系數(shù)，給出尺寸范圍)。 對采用滲碳鋼的軸承，內(nèi)圈小擋邊的厚度不宜太薄。當(dāng)確定了套圈的有效硬化層深度后，要計(jì)算小擋邊的厚度是否合適，會不會被滲透。

(7)密封材料的選擇。SKF早期的四列圓錐滾子軸承密封材料選擇氟橡膠，近些年正對丁腈橡膠進(jìn)行試驗(yàn)分析。為保證使用可靠性，建議最好采用氟橡膠密封材料。密封唇和密封接觸部位的過盈量影響密封效果，有資料顯示，過盈量應(yīng)在2.5～3.6 mm之間選取。與密封唇接觸部位的表面粗糙度Ra應(yīng)控制在0.3～0.4 mm，表面粗糙度過大或過小都將會影響密封效果。

2 工藝控制

軸承質(zhì)量的優(yōu)劣，不僅取決于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理，而且很大程度上取決于工藝水平的高低。

2.1 鍛造控制

軸承零件毛坯鍛造時，應(yīng)十分注意金屬纖維的流向，避免金屬纖維在工作表面出現(xiàn)斷開。研究表明，疲勞剝落有可能發(fā)生在工作表面上金屬纖維斷開的地方。在接觸應(yīng)力反復(fù)作用下，該處容易產(chǎn)生微裂紋，進(jìn)而發(fā)展為疲勞剝落。軸承套圈絕大部分以經(jīng)過軋制的鋼材為原料。經(jīng)過軋制的鋼材已經(jīng)有了足夠的鍛造比，且形成了沿鋼材軸向分布的纖維組織。把鋼材制成套圈時應(yīng)注意纖維的流向，當(dāng)纖維組織的流向與工作表面平行時，纖維不會在工作表面斷開，軸承壽命較長。對鍛造過程中的一些其他缺陷(如氧化、脫碳、過熱、白點(diǎn)、過燒及開裂等)也要嚴(yán)格控制，對有致命缺陷的鍛件，必須報(bào)廢。

2.2 熱處理控制

在熱處理控制上，特別要注意滲碳零件的質(zhì)量，這是影響軋輥軸承壽命的關(guān)鍵因素。滲碳鋼軸承套圈滲碳過程中要嚴(yán)格控制滲碳層的碳濃度、碳梯度和深度，做好隨爐試樣的檢測。

滲碳層中的碳濃度必須適宜。過高的表面碳濃度不僅會形成粗大塊狀或網(wǎng)狀碳化物，使脆性增大，顯著降低軸承疲勞壽命，而且淬火后會使?jié)B碳層出現(xiàn)大量的殘余奧氏體，降低硬度。過低的表面碳濃度會使淬火后工件表面硬度不足，耐磨性、耐疲勞性降低，零件工作時會很快因產(chǎn)生塑性變形而磨損。軸承零件滲碳后表面碳量一般認(rèn)為在0.8%～1.05%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為宜，這樣能保證表面獲得較高的淬火硬度和良好的組織。

碳含量沿著滲層變化的梯度應(yīng)該是平緩的，這樣產(chǎn)生的組織應(yīng)力較小，滲碳層與心部的結(jié)合較為牢固；反之，組織過度有突變，易引起滲碳層的剝落。

滲碳層深度應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品圖紙所標(biāo)注尺寸加上工藝留量來確定，滲碳層深度應(yīng)大于最大剪應(yīng)力處距表面的距離。滲碳層過淺或過深都會使軸承出現(xiàn)早期失效，特別是滲碳層過深造成的影響更大。因此，應(yīng)采取多種方法和儀器對滲碳過程進(jìn)行檢測。

應(yīng)對沖壓鋼板保持架進(jìn)行碳氮共滲或氮化等表面強(qiáng)化處理，以免由于保持架的失效使軸承出現(xiàn)早期失效。

2.3 精度及壽命控制

冷加工的質(zhì)量控制要重點(diǎn)避免磨削裂紋和磨削燒傷的產(chǎn)生。內(nèi)圈擋邊磨削后要進(jìn)行100%的無損探傷檢驗(yàn)，因?yàn)檫@個部位最容易產(chǎn)生磨削裂紋及磨削燒傷。應(yīng)嚴(yán)格控制軸承各零件的幾何精度及合套后軸承的各項(xiàng)幾何精度(如裝配高等)。幾何尺寸精度的檢驗(yàn)比較直觀，宏觀上容易控制。滾道表面質(zhì)量對于軸承在工作時形成潤滑油膜非常重要，因此滾道的表面粗糙度要嚴(yán)格控制。軸承內(nèi)徑、外徑、游隙和滾道的尺寸與形位偏差要盡量控制好離散度，以保證軸承壽命的穩(wěn)定性。

保持架、套圈及滾子上的尖角銳邊與毛刺都會使油膜破壞，并易損傷接觸表面，必須予以消除。保持架要進(jìn)行光飾處理。滾子的倒角要光滑、勻稱，兩端的凹穴要對稱，空心滾子的內(nèi)孔要進(jìn)行絞制，保證內(nèi)孔光潔、無毛刺。滾子要按II級或I級滾子的指標(biāo)控制。

四列圓錐滾子軸承的尺寸精度及旋轉(zhuǎn)精度應(yīng)保證公差等級在P5以上，這對于延長軸承壽命，保證所軋鋼材質(zhì)量，都起到很好的作用。

在配置軸承的游隙時，四列游隙的相互差要控制在一定范圍內(nèi)。這在軸承的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中沒有規(guī)定，但根據(jù)使用經(jīng)驗(yàn)，很有必要進(jìn)行控制。根據(jù)軸承尺寸大小建議控制在0.02～0.05 mm。

由于四列圓錐滾子軸承多為大型、特大型軸承，在生產(chǎn)組織上，內(nèi)圈大擋邊的磨削要等滾子加工完畢后進(jìn)行。目的是用滾子的球基面檢查擋邊的磨削質(zhì)量，用著色檢查法看擋邊和滾子球基面的接觸情況，以保證接觸區(qū)域在擋邊的中間部位。

為了延長軸承的使用壽命，軸承的外徑處應(yīng)標(biāo)記4條均勻分布的壓力線。軸承在使用一段時間后，應(yīng)把外圈載荷區(qū)轉(zhuǎn)動一個位置，防止一個位置重復(fù)受力，從而有效延長軸承使用壽命。

3 結(jié)束語

從設(shè)計(jì)的角度來看，我國四列圓錐滾子軸承的設(shè)計(jì)水平與國外的差距越來越小，幾乎接近一致，工作重點(diǎn)應(yīng)放在與加工制造相關(guān)的各個方面，應(yīng)從原材料做起，每個工序都要認(rèn)真研究，相關(guān)儀器、裝備應(yīng)得到保障，從而提高軸承的制造精度。