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        鍛造成形方式對(duì)外圈滾道周向非相關(guān)磁痕的影響

        2017-07-25 02:58:44張玲楊爭(zhēng)陳學(xué)武陳治山劉菁
        軸承 2017年1期
        關(guān)鍵詞:磁痕周向沖孔

        張玲,楊爭(zhēng),陳學(xué)武,陳治山,劉菁

        (1.洛陽(yáng)LYC軸承有限公司,河南 洛陽(yáng) 471039;2.航空精密軸承國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河南 洛陽(yáng) 471039)

        軸承套圈在磁粉探傷過程中,雖然非相關(guān)磁痕相對(duì)于相關(guān)磁痕的發(fā)生率很低,但也時(shí)有發(fā)生。非相關(guān)磁痕不是來源于真正的缺陷,但用戶在驗(yàn)收時(shí)極為嚴(yán)格。在大型圓柱滾子軸承的制造過程中,外圈鍛造成形方式對(duì)滾道周向非相關(guān)磁痕的產(chǎn)生影響較大。大型軸承外圈常見的鍛造成形方式有1 t錘自由鍛和1 000 t壓力機(jī)。自由鍛鍛造成形時(shí),采用緩慢的變形速度和較小的變形力,具有靈活性、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn),可以更好地滿足用戶要求;壓力機(jī)鍛造成形由于生產(chǎn)效率高,也逐漸被推廣使用。當(dāng)外圈使用壓力機(jī)成形時(shí),磁粉探傷發(fā)現(xiàn)其滾道部位常存在大面積、均沿圓周方向分布的多條短線狀磁痕,針對(duì)樣圈進(jìn)行了多次分析及相關(guān)工藝試驗(yàn),證明不同鍛造方式對(duì)此類批量磁痕的產(chǎn)生有影響,為此,進(jìn)一步開展了相關(guān)鍛造工藝試驗(yàn),并加以驗(yàn)證。

        1 試驗(yàn)

        1.1 試樣材料及狀態(tài)

        試樣材料采用GCr18Mo電渣重熔鋼,共進(jìn)行兩批次試驗(yàn),每次試驗(yàn)均選擇鋼廠提供的同一母爐號(hào)的原材料組批。材料進(jìn)廠檢驗(yàn)其化學(xué)成分及非金屬夾雜等項(xiàng)目均符合TB/T 3010—2001《鐵道車輛滾動(dòng)軸承高碳鉻軸承鋼訂貨技術(shù)條件》要求。材料狀態(tài)為熱軋退火態(tài),棒料直徑為110 mm。該批原材料采用多臺(tái)階塔形試樣進(jìn)行熒光探傷[1],無帶狀碳化物磁痕,均符合企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

        1.2 鍛造工藝及成形設(shè)備

        外圈外徑為250 mm,其鍛造工藝流程:下料→中頻感應(yīng)加熱→鍛造成形(鐓粗→沖孔→擴(kuò)孔→整徑)→正火→退火。分別采用1 t錘自由鍛生產(chǎn)線(簡(jiǎn)稱自由鍛)和1 000 t壓力機(jī)生產(chǎn)線(簡(jiǎn)稱壓力機(jī))進(jìn)行鍛造成形。

        1.3 試驗(yàn)步驟

        1)采用壓力機(jī)和自由鍛2種外圈成形方式進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn);

        2)改變壓力機(jī)凸模,采用壓力機(jī)成形模式進(jìn)行試驗(yàn);

        3)進(jìn)行磁痕樣圈(壓力機(jī)成形產(chǎn)生)和無磁痕樣圈(自由鍛成形產(chǎn)生)的流線對(duì)比試驗(yàn)。

        所有試驗(yàn)批次產(chǎn)品給予標(biāo)識(shí),在各工序單獨(dú)移動(dòng)跟蹤。鍛造工序中始鍛溫度和終鍛溫度工藝參數(shù)不變,擴(kuò)孔及整徑工序工藝也不變。

        2 試驗(yàn)結(jié)果

        2.1 不同鍛造成形方式的影響

        熱處理和磨加工工藝及探傷方法均相同,分別采用2種鍛造成形方式后,對(duì)外圈進(jìn)行磁粉探傷,其滾道周向非相關(guān)磁痕的廢品率統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。由表可知,不同鍛造成形方式會(huì)影響外圈滾道的周向磁痕廢品率,壓力機(jī)鍛造成形的外圈滾道周向磁痕廢品率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于1 t錘的自由鍛成形模式。

        表1 磁痕廢品率統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistics on rejection rate of magnetic mark

        2.2 改變壓力機(jī)凸模后的影響

        為了降低壓力機(jī)鍛造成形產(chǎn)生的磁痕廢品率,第1次試驗(yàn)采用縮短壓力機(jī)的凸模高度,增大沖孔時(shí)穿掉的料芯直徑的方法。考慮到自由鍛錘凸模帶角度的特點(diǎn),第2次工藝試驗(yàn)適當(dāng)增加沖孔凸模角度,以改善滾道部位流線變形方向。由表1可知,改變壓力機(jī)凸模,仍然采用壓力機(jī)成形,對(duì)外圈滾道周向磁痕的廢品率沒有產(chǎn)生積極效果。

        2.3 外圈流線分析結(jié)果

        選擇自由鍛的無磁痕外圈和壓力機(jī)的磁痕外圈各一件,沿外圈高度方向切取整條試樣,細(xì)磨加工后,進(jìn)行熱酸洗工藝試驗(yàn),觀察其流線分布如圖1所示。由圖可知,無磁痕樣圈金屬流線的縱斷面流線分布合理,均沿材料軋制方向分布,油溝部位局部收斂,沒有明顯的流線沿滾道處斷裂和露頭等異常現(xiàn)象(圖1a);磁痕樣圈滾道處金屬流線有露頭現(xiàn)象(圖1b、圖1c)。為了進(jìn)一步了解磁痕樣圈縱斷面的帶狀組織情況,沿外圈高度方向1/2處截?cái)嗾麠l試樣,磨制縱斷面觀察磁痕處是否有帶狀碳化物,結(jié)果如圖2所示。由圖可知,滾道處帶狀碳化物組織與滾道面呈一定的角度分布,大致與滾道縱截面的流線方向一致(圖2b)。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),鍛造流線沿滾道處斷裂,正好是原材料帶狀組織周向斷開處。

        圖1 流線分布Fig.1 Stream line distribution

        圖2 外圈周向磁痕形貌及帶狀組織分布Fig.2 Morphology of circumfer ential magnetic mark and distribution of banded structure

        3 分析討論

        由于外圈在1 000 t壓力機(jī)鍛造鐓粗及沖孔成形時(shí)承受的力更大,尤其在沖孔成形時(shí)只有一次成形過程;而1 t自由鍛鐓粗過程屬于多次打擊,反復(fù)鐓粗,逐步改變坯料的形狀。此外,在沖孔工序時(shí),1 t錘自由鍛采用多次翻轉(zhuǎn)沖孔;1 000 t壓力機(jī)屬于單次沖孔。因此,不同的鍛造成形方式會(huì)影響外圈滾道處的流線分布規(guī)律。1 000 t壓力機(jī)成形,在外圈滾道面處流線相對(duì)更易產(chǎn)生斷裂,這從流線分析結(jié)果得以證明??傊?,外圈在壓力機(jī)鍛造成形時(shí)承受較大的沖擊力,由于成形過程變形次數(shù)少,單次變形程度較大,變形速度快;自由鍛為多次鐓粗和沖孔,每次變形程度較小,鍛造變形速度也較緩慢。不同的鍛造工藝方法,雖然宏觀上的鍛造變形量區(qū)別不明顯,但微觀上金屬的變形程度差異較大[2]。

        雖然壓力機(jī)成形時(shí)進(jìn)行了模具改進(jìn),但對(duì)外圈滾道流線的分布沒有產(chǎn)生積極的影響。從流線試驗(yàn)結(jié)果可知,磁痕外圈截面滾道處流線并未沿軸向方向分布,而是與滾道面呈現(xiàn)交叉模式。從金相組織可知,磁痕樣圈縱截面的帶狀碳化物組織與滾道面呈現(xiàn)交叉模式;無磁痕樣件的帶狀碳化物組織沿軸向方向分布??傊?,分布在滾道面上的帶狀碳化物組織均與滾道交叉,露頭后形成大量沿外圈滾道面周向分布的磁痕(圖2a)。

        金屬的雜質(zhì)、化合物、偏析等在低倍試片上沿主變形流動(dòng)方向呈纖維狀分布的組織,稱為金屬纖維組織或流線[3]。電渣鋼由于組織雜質(zhì)較少,相對(duì)于真空脫氣等其他冶煉方式的軸承鋼,其材料流線分布并不清晰。對(duì)于采用電渣重熔方法冶煉的軸承鋼,形成流線的條件是:1)金屬內(nèi)存在一定級(jí)別的帶狀組織偏析;2)鍛造過程中沿某一方向有足夠大的變形程度。金屬流線的分布取決于鍛壓工具和變形工藝[3],為了保證流線的分布更為合理,應(yīng)選擇能夠反復(fù)鐓粗及多次沖孔的鍛造成形模式,故根據(jù)現(xiàn)有設(shè)備,1 t錘自由鍛是最佳的鍛造模式。

        相比之下,自由鍛成形可以獲得較好的外圈金屬流線分布,流線大多平行于軸向方向,其中帶狀碳化物組織也是沿軸向分布;產(chǎn)生磁痕的主要原因是由于帶狀碳化物組織沿流線方向分布,因此,采用自由鍛成形可以消除不合理的流線分布,從而降低外圈滾道周向磁痕的發(fā)生率。

        4 結(jié)論

        1)壓力機(jī)鍛造成形軸承外圈易導(dǎo)致滾道周向產(chǎn)生非相關(guān)磁痕。

        2)優(yōu)化沖孔沖頭設(shè)計(jì)對(duì)減少滾道周向非相關(guān)磁痕沒有作用。

        3)自由鍛鍛造成形方式是減少滾道周向非相關(guān)磁痕的最佳鍛造方式。

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