钻机转盘用大型推力轴承淬火工艺分析及改进

关蜀军
（天津探矿机械总厂，天津　300221）

　　摘　要：工程钻机及水井钻机转盘用大型推力轴承的加工比较困难，存在淬火变形问题，分析了轴承圈的淬火工艺及淬火变形产生的主要原因，通过设计专用简易淬火压床，改进淬火工艺，减小了轴承圈的变形，提高了制造质量。
　　关键词：钻机转盘；推力轴承；回火整形；淬火压床
　　我厂生产的大型推力轴承是专为工程钻机、水井钻机转盘配套的非标准轴承。以91681/750轴承为例（见图1），轴承圈滚道硬度要求RC56~62，粗糙度0.8以上。 　　从图中可看出，其厚度薄、直径大、尺寸精度要求高，因此，机械和热处理加工都比较困难。本文仅对淬火变形问题及改进办法进行分析论述。
　　1　轴承圈的淬火工艺分析
　　由于轴承滚动体与轴承圈滚道成点或线接触，因此负荷集中，单位面积承受压力大，通常为0.1~0.3MPa，个别Z高极限达到0.5MPa；要求在工作中轴承圈具有较高的接触、疲劳强度及耐磨损性能。因此，当钢材选定后，热处理是生产过程中的重要环节。
　　轴承零件的热处理分为毛坯的退火（目的在于改善组织状态和加工性）和零件加工后的淬火、回火。要求心部具有足够韧性时，可以采用渗碳处理。根据轴承的技术要求，我们制定了生产工艺流程： 　　通过分析认为：⑥淬火、⑦回火工序是保证零件加工质量的关键工序。
　　2　轴承圈淬火变形的主要原因
　　零件在淬火的急冷过程中，产生热应力和组织应力，这是零件变形的根本原因。淬火产生的热应力是由于冷却时零件各部位温度变化不同步引起的。零件热量的散失总是通过表面进行传导的，因此，表面散热快，心部降温慢，二者之间形成一个温差，表面受张热应力，心部受压热应力，温差越大，张、压应力就越大。若热应力小于钢当时相应温度下的屈服强度时，仅使零件产生弹性变形，应力消除后变形也随之消失。当热应力大于钢当时相应温度下的屈服强度而小于强度极限时，就会使零件产生塑性变形，零件原来的尺寸将会改变。
　　组织应力同样可以造成零件的变化。淬火产生的组织应力是由于冷却时零件各部位组织转变不同步以及各组织的比容不同引起的。因此淬火零件产生变形是不可避免的。热应力和组织应力对轴承的影响如图2所示。 　　另外，据零件工艺流程，淬火、回火后要进行磨削加工，以达其尺寸要求。如果淬火后零件变形较大，会直接影响磨削加工精度，因此，必须保证工艺要求的变形量（径向）≤1mm，轴向≤0.6mm）。
　　3　采用传统淬火工艺出现的问题
　　一般的淬火过程，是将几个或十几个轴承圈摞在一起，使用专用工具将其送入加热炉中加热至840~860℃，并保温相应的时间，然后取出直接浸入冷却介质中，零件随之自由变化。因而变形量往往达不到工艺要求，Z大椭圆度达5mm，平面度在3mm左右。淬火后的轴承都需要进行回火整形。
　　整形过程是：将单件轴承圈放入炉中加热至200~220℃，保温30min后，将其放在专用夹具上调整。用顶丝从侧面调整径向椭圆，用上压板压紧轴承端面，调整轴向翘曲变形。调整好后将夹具连同轴承圈装入炉中加热至200~220℃保温60~90min，出炉后冷却至室温进行检验。这种方法一次调整合格率很低，往往经过多次检测，根据不断改变的椭圆度及平面度进行调整，使其达到工艺要求。这对操作者的技术水平、操作经验要求很高，因此这种方法对于专业生产轴承的厂家是很不适用的。
　　4　设计专用设备，改进淬火工艺，减小变形
　　要杜绝淬火变形是困难的，主要应设法减小变形，因此我们采用了加压淬火法：即将处理物（轴承圈）夹在模型中淬火冷却（又称夹持淬火）。其原理是：钢材在组织变化时，其塑性变形大，出现变态超塑性，在Ms点以下温度时予以加压就容易矫正弯曲。目前，现有的热处理设备Y9050A淬火压床Z大淬火件直径只有500mm，不能满足轴承圈的加工需要。于是我们自己设计了简易淬火压床。
　　4.1简易淬火压床设计方案
　　（1）压床要操作方便、省力、省时，选液压操纵。
　　（2）压床的精度要达到涨头与压盘的垂直度要求。涨头与油缸活塞杆采用球形联接，自动调心，使涨头处于压盘的中心位置，压力较为均匀地作用于轴承内孔，保证径向变形得到控制。
　　（3）压床设计要考虑多品种的需要，为保证压床的精度，采用一次安装涨心、更换多种涨盘的方法，适用于多种规格轴承圈的使用。
　　4.2简易淬火压床的设计及使用
　　4.2.1压床的工作原理（见图3） 　　液压缸向下运动带动上压盘下行至下压盘上的加热轴承圈上，同时位于中心处的涨头油缸也向下运动，利用活塞杆端部的锥形涨头来涨开涨心，涨心带动涨盘，使涨盘与轴承圈的内孔接触，此时操作液压缸使整个压盘（包括热轴承圈）下行，浸入油池中冷却，待冷却后将整个压盘升出油面，油缸反向运动将轴承圈取出，完成整个工作过程。
　　4.2.2压床在轴承圈淬火中的使用
　　将加热保温至工艺要求的轴承圈，迅速放置在压床的工作台上，操纵涨头油缸使涨心带动涨盘自由涨开，涨紧轴承圈内孔，上压盘4个油缸同时作用于翘曲的零件端面上，与此同时整个大盘（包括上、下压盘、轴承圈）浸入油池中冷却。为使被夹持的轴承圈应力释放，操纵上压盘不断迅速地上下运动，以保证轴承圈的平面度和应力的释放。冷却后取出轴承圈。采用这种方法淬火的轴承圈控制了变形。平面度在0.5mm以下，椭圆度在0.7mm以内，使淬火后的合格率达到80%以上。
　　5　结语
　　实践证明，改变淬火工艺后的轴承圈变形得到了控制，轴向及径向的变形量均达到工艺要求，提高了淬火后的产品合格率，降低了制造成本。为解决大型轴承圈淬火变形提供了一种良好的工艺方法。
　　参考文献：
　　[1]编写组.钢的热处理裂纹和变形[M].北京：机械工业出版社，1978.
　　[2]冶金工业部钢铁研究院，等.合金钢手册[M].北京：中国工业出版社，1964.
　　[3]中国机械工程学会热处理专业学会.热处理手册[M].北京：机械工业出版社，1993.