張磊磊，高歡歡

（洛陽LYC軸承有限公司，河南 洛陽 471000）

1 前言

基本所有的轉(zhuǎn)盤軸承滾道、齒面均需要進行表面硬化處理。由于感應(yīng)淬火加工效率高，工藝過程短、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)淬火過程本身分析了轉(zhuǎn)盤軸承滾道及齒淬火的變形過程和原因，針對感應(yīng)淬火過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，對于轉(zhuǎn)盤軸承的滾道來說，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。對于轉(zhuǎn)盤軸承的制造工藝來說，可以大幅地減小滾道的加工余量。對于薄壁型產(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，進而提高產(chǎn)品的制造效率，降低轉(zhuǎn)盤軸承制造過程的各種消耗和制造成本。對于轉(zhuǎn)盤軸承的齒來說，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。同時轉(zhuǎn)盤軸承使用時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。其工藝過程為：工件周向沿中心定速旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)過程中中頻感應(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)時噴水盒對工件加熱部位進行快速冷卻，得到馬氏體組織，這個過程持續(xù)一周即完成工件的整個淬火過程。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

所有的熱處理均會造成工件各種不同程度的變形。我公司某內(nèi)齒式四點接觸球轉(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。對內(nèi)、外圈變形采取了機械整形方法進行校圓，外圈經(jīng)機械整形后圓度為 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，且端面彎曲度無法矯正。外圈校圓后在后續(xù)精加工時，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、平行度也無法滿足設(shè)計要求。

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)加熱時釋放引起的變形和感應(yīng)淬火過程自身引起的變形。轉(zhuǎn)盤軸承套圈的鍛件一般會經(jīng)過調(diào)質(zhì)熱處理，調(diào)質(zhì)后的組織和組織的均勻性會在感應(yīng)淬火時對套圈的變形產(chǎn)生重大影響。本文僅從感應(yīng)淬火過程自身分析淬火引起套圈變形的原因和過程，制定相應(yīng)的工藝改進措施和方法。

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

3.1 感應(yīng)淬火時，由于套圈加熱的時間不一致，套圈周向并不是同時均勻受熱的，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，隨著淬火過程的進行，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，造成套圈在淬火過程不均勻膨脹和變形程度加大，進而引起淬火中和淬火后的套圈變形。

3.2 感應(yīng)淬火時，圓周方向上組織的轉(zhuǎn)變過程存在時間差，最先進行淬火的部位最先完成組織轉(zhuǎn)變，組織應(yīng)力最先進行釋放，以達到相對穩(wěn)定的組織形態(tài)。隨著時間延長，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)淬火部位會依次完成這個過程，這就造成了組織轉(zhuǎn)變時間上的不一致和組織應(yīng)力釋放時間上的不一致，引起應(yīng)力變形。特別是對于薄壁型產(chǎn)品，會產(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，會對淬火后套圈的變形產(chǎn)生很大影響。在淬火過程中，套圈熱膨脹會使感應(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)不能實時進行補償，會造成淬火區(qū)域溫度的變化，進而造成周向硬化層分布不均勻和實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)淬火過程中的變形原因和過程，針對產(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，同時提高加熱功率和淬火速度，縮短感應(yīng)加熱區(qū)達到淬火溫度的加熱時間，減少工件的整體淬火時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。同時縮短了起始淬火與結(jié)束淬火的時間間隔，減小了工件熱變形及組織轉(zhuǎn)變時間差異造成的工件變形。

4.2 淬火時對工件套裝模具，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)器位置和補償數(shù)據(jù)顯示，圖 3 工件淬火時感應(yīng)器徑向自動補償量由 3.5 mm 減少至 0.8 mm；圖 4 工件淬火時感應(yīng)器位置徑向位置偏差由 2 mm 減小至0.5mm。證明在淬火過程中，模具不但會吸收工件多余的熱量、減小膨脹，同時設(shè)計使用的模具會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，使用淬火液對工件和模具進行冷卻，冷卻至室溫后拆除模具。這時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，淬火組織達到穩(wěn)定態(tài)。

4.4 改進前后的工藝路線對比

原有工藝過程：

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

改進的工藝過程：

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 工藝驗證和改善效果對比

為驗證套模具淬火工藝方案的改進效果，對兩種不同特性的產(chǎn)品按照 4.4 兩種工藝過程進行工藝試驗對比。為排除材料性能差異對試驗結(jié)果的影響，每個部件的產(chǎn)品工藝試驗零件均滿足原材料為同一批次，調(diào)質(zhì)爐號為同一爐號，材料牌號：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產(chǎn)品檢測數(shù)據(jù)，其中表 1 為超薄類型的轉(zhuǎn)盤軸承，表 2 為工程機械轉(zhuǎn)盤軸承。

表1 超薄產(chǎn)品改進前后的滾道及齒熱處理變形比對 mm

表2 工程機械產(chǎn)品改進前后的滾道及齒熱處理變形比對 mm

通過對兩種工藝方法的測量數(shù)據(jù)對比可知：

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

5.2 改進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，特別是對于軸向不對稱類型的齒輪，可以很好地控制淬火引起的齒向偏差。

6 總結(jié)

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

6.2 使用改進后的工藝方法對齒輪進行感應(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冷卻需要額外的時間，會增加工件之間的加工時間間隔，但由于工件變形的改善，會極大地提高后續(xù)的制造效率，這些增加的時間和成本基本可以忽略。

6.4 根據(jù)經(jīng)驗，鍛件的調(diào)質(zhì)熱處理會對感應(yīng)淬火和機加工變形產(chǎn)生重要的影響，因此，調(diào)質(zhì)熱處理的組織級別和組織均勻性必須進行嚴格的控制。

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