CN115261601A - 圆锥轴承外套圈变形控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及轴承热处理技术领域，具体涉及圆锥轴承外套圈变形控制方法。圆锥轴承外套圈变形控制方法的整形工序包括以下步骤：步骤一：测量变形为椭圆状的圆锥轴承外套圈外周面上长轴处和短轴处的直径；步骤二：将一侧设有安装槽的卡块卡接到圆锥轴承外套圈短轴两端位置的径向内侧，使安装槽的倾斜槽底壁与圆锥轴承外套圈的滚道内壁贴合、安装槽的槽侧壁与圆锥轴承外套圈的端面挡止配合，并且卡块背向安装槽的一侧与圆锥轴承外套圈的轴线平行；步骤三：将顶撑装置放置在两个卡块之间，顶撑装置对圆锥轴承外套圈的椭圆变形进行顶撑；步骤四：圆锥轴承外套圈在顶撑状态下进行第一次回火。

Description

圆锥轴承外套圈变形控制方法

技术领域

本发明涉及轴承热处理技术领域，具体涉及圆锥轴承外套圈变形控制方法。

背景技术

目前，特大型风电主轴轴承因其工况及使用条件严苛，一般采用渗碳轴承钢或高碳铬轴承钢，G20Cr2Ni4钢是一种常用的渗碳轴承钢，经过渗碳处理后的轴承套圈可以大大改善使用性能，但是由于渗碳处理的温度高、时间长，轴承套圈的粗大碳化物、硬化层梯度较难控制，因此，轴承套圈通常在渗碳后依次进行一次淬火、高温回火和二次淬火。但是，由于轴承套圈长时间在高温下进行热处理，轴承套圈会产生变形，而二次淬火后轴承套圈的变形量达到最大，对渗碳层深度和后续硬加工提出了高的技术要求。以某型号为例，外径尺寸为2560mm，渗碳层深≥9mm，为保证成品轴承套圈渗碳层的均匀性，工件变形要求控制在1.5毫米以下，因为一旦轴承套圈变形量超出要求，轴承套圈呈椭圆状，后续轴承套圈车加工为一规整的圆环形时，轴承套圈上同一圆周各处车去的厚度不同，导致轴承套圈上同一圆周各处剩余的渗碳层厚度不同，影响最终产品的性能。而通常情况下轴承套圈一次淬火后的变形量大于1.5mm，使得轴承套圈的变形合格率为0。为解决轴承套圈变形问题，现有技术中通常会在渗碳轴承钢制轴承套圈二次淬火后进行整形以得到合格产品。

目前轴承套圈的整形方式主要包括三种，1)敲击法。主要适用于薄壁且尺寸较小的轴承套圈，淬火出油后，在工件还有一定温度时敲击工件变形位置，敲击后进行回火，达到控制轴承套圈上椭圆变形的效果；2)压模法。压模法包括两种方式，第一种是在淬火之前将轴承套圈内孔套入合适模具以进行压模淬火；第二种是在淬火出油后进行压模；3)内撑法。在淬油之后、回火之后均可以实施内撑法。

第一种压模法中在淬火时模具抵接轴承套圈的内孔，有利于控制轴承套圈的椭圆变形、锥度变形和翘曲变形等，且不易反弹，因此是最为常用的压模淬火方式。但是，当较大尺寸的轴承套圈采用第一种压模法时，由于轴承套圈的尺寸较大，如若轴承套圈套入模具的操作时间过长，将会导致工件表面降温过多，容易产生工件表面硬度降低、渗碳淬硬层变浅的问题。

第二种压模法如申请公布号为CN110202060A的发明专利申请公布的一种高温渗碳钢薄壁轴承套圈整形装置及其整形方法，该整形装置包括定位底环、上压模、下压模，下压模沿其径向等分为多个下压模块，相邻两下压模块之间设有切缝，上压模的下端穿入下压模中心的锥形孔内，定位底环套设于下压模的底端，轴承套圈套在下压模的外周并放置在定位底环的上端面上。当压模设备下压上压模时，下压模沿其径向向外撑开，使得下压模的外壁与轴承套圈的内壁抵触，实现对轴承套圈的整形。而对于大尺寸轴承套圈，需制造相应尺寸的压模设备(例如压床)，加工成本较高，且较大尺寸的轴承套圈的转运也较为困难。

综上所述，上述压模法不适用于较大尺寸的轴承套圈。而对于内撑法，内撑法使用的顶撑装置具有伸缩功能，顶撑装置的两端用于顶撑轴承套圈的内孔，以对轴承套圈的变形部位进行整形。内撑法可以在淬火后进行，无需考虑顶撑装置与轴承套圈的安装时间，且具有伸缩功能的顶撑装置能够适用于不同尺寸的轴承套圈，通用性较强。但是，对于大尺寸的圆锥轴承外套圈，由于圆锥轴承外套圈的内孔为圆锥孔，顶撑装置的两端无法顶撑外套圈的滚道内壁。因此，现有的内撑法使用的顶撑装置无法对大尺寸的圆锥轴承外套圈整形。

发明内容

本发明的目的在于提供一种圆锥轴承外套圈变形控制方法，以解决现有技术中的内撑法和压模法无法适用于大尺寸圆锥轴承外套圈的技术问题。

为实现上述目的，本发明圆锥轴承外套圈变形控制方法的技术方案是：

圆锥轴承外套圈变形控制方法，包括依次进行的渗碳、一次淬火、高温回火、二次淬火、整形工序，整形工序包括以下步骤：

步骤一：测量变形为椭圆状的圆锥轴承外套圈外周面上长轴处和短轴处的直径；

步骤二：分别在圆锥轴承外套圈短轴两端位置的径向内侧卡接一侧设有安装槽的卡块，使安装槽的倾斜槽底壁与圆锥轴承外套圈的滚道内壁贴合、安装槽的槽侧壁与圆锥轴承外套圈的端面挡止配合，并且卡块背向安装槽的一侧与圆锥轴承外套圈的轴线平行；

步骤三：将顶撑装置放置在两个卡块之间，顶撑装置对圆锥轴承外套圈的椭圆变形进行顶撑；

步骤四：圆锥轴承外套圈在顶撑状态下进行第一次回火，并放至室温。

有益效果是：本发明的圆锥轴承外套圈变形控制方法中，通过卡块的安装槽装夹变形为椭圆状的圆锥轴承外套圈短轴两端位置的径向内侧，这样，顶撑装置顶撑卡块时能够对圆锥轴承外套圈的短轴位置进行整形。由于卡块背向安装槽的一侧平行于圆锥轴承外套圈的轴线，顶撑装置的两端能够与卡块完全接触，以解决现有技术中内撑法使用的顶撑装置无法顶撑圆锥轴承外套圈的倾斜滚道内壁的技术问题，且圆锥轴承外套圈变形控制方法中使用的卡块和顶撑装置结构简单，成本较低、便于操作。

进一步地改进，卡块的内壁面上开设有凹槽，顶撑装置的端部设有顶头，顶头的顶部为球面形，步骤三中顶撑装置顶撑时顶头的球面形部分卡入凹槽内。

有益效果是：顶头的球面形部分卡入凹槽内，避免顶撑装置顶撑平整面时滑动而改变顶撑位置、进而降低对圆锥轴承外套圈的整形效果。

进一步地改进，整形工序还包括依次进行拆除顶撑装置、拆除卡块和第二次回火，拆除顶撑装置在步骤四中圆锥轴承外套圈放置至室温后进行，第二次回火温度高于第一次回火温度。

有益效果是：这样设计，进行第二次回火的圆锥轴承外套圈具有一定的回复量，能够减小圆锥外轴承套圈在第一次回火中的变形量，进而提高工件在一次顶撑后的合格率。

进一步地改进，整形工序还包括检测步骤，检测步骤为：检测圆锥轴承外套圈变形量是否符合技术要求，对于不符合技术要求的圆锥轴承外套圈使用所述卡块和顶撑装置重复步骤二和步骤三进行第二次顶撑，在第二次顶撑中进行第二次回火，第二次回火温度高于第一次回火温度。

有益效果是：由于圆锥轴承外套圈在第一次顶撑中回火温度下的组织及应力都已稳定，适当提高回火温度，能够减小圆锥轴承外套圈的变形量，以达到第二次顶撑效果。

进一步地改进，第一次回火温度为150～170℃，第二次回火温度为200～220℃。

进一步地改进，还包括在渗碳工序之前进行的装料工序，在装料工序中，多个圆锥轴承外套圈摞放在料盘上，料盘上表面与最底层圆锥轴承外套圈之间自下而上依次铺垫调平板和石棉板。

有益效果是：这样设计，通过调平板调平料盘上表面与石棉板之间的间隙，避免料盘长时间使用后上表面平整度较差而导致与料盘直接接触的石棉板在圆锥轴承外套圈的重力作用下易碎裂、加大圆锥轴承外套圈端面的翘曲变形。

进一步地改进，调平板为耐热钢片。

有益效果是：市场上耐热钢片为成熟产品，且具有不同厚度，可根据料盘与石棉板之间间隙的大小选择相应厚度的耐热钢片，便于操作。

进一步地改进，二次淬火工序中，将一次淬火工序后的圆锥轴承外套圈的两个端面方向进行对调。

有益效果是：因为淬火过程中先入油的部分先收缩，一次淬火后存在一定的锥度，在二次淬火前将工件端面对调，减小锥度变形。

进一步地改进，顶撑装置为螺栓和顶杆，顶杆与螺栓螺纹配合。

有益效果是：这样设计，顶杆与螺栓的螺纹配合能够承受卡块对顶撑装置的反作用力，减小额外的锁紧装置，简化顶撑装置结构。

附图说明

图1为本发明的圆锥轴承外套圈变形控制方法中测量椭圆变形的圆锥轴承外套圈外周面上长轴处和短轴处直径的示意图；

图2为本发明圆锥轴承外套圈变形控制方法中对圆锥轴承外套圈整形时的状态图；

图3为图2中卡块的结构示意图；

图4为图3的俯视图。

图中：11、圆锥轴承外套圈；12、卡块；13、槽侧壁；14、顶撑装置；15、顶杆；16、螺栓；17、顶头；18、安装槽；19、槽底壁。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明了，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，可能出现的术语如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何实际的关系或者顺序。而且，可能出现的术语如“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”等限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，可能出现的术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，或者可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，可能出现的术语“设有”应做广义理解，例如，“设有”的对象可以是本体的一部分，也可以是与本体分体布置并连接在本体上，该连接可以是可拆连接，也可以是不可拆连接。对于本领域技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以下结合实施例对本发明作进一步地详细描述。

本发明的圆锥轴承外套圈变形控制方法的实施例1：

圆锥轴承外套圈变形控制方法用于生产大尺寸圆锥轴承外套圈11。本实施例以FD-306-2160/01渗碳钢轴承套圈为例，该轴承外径尺寸为2560mm，结构为单列圆锥轴承，椭圆变形量要求≤3mm，圆锥轴承外套圈变形控制方法包括依次进行的装料、渗碳、一次淬火、高温回火、二次淬火、整形等工序。具体包括以下步骤：

步骤一：装料。将多个圆锥轴承外套圈11(以下简称工件)摞放整齐并放在料盘上，料盘与最底层工件之间铺垫石棉板，料盘上表面与石棉板之间的间隙内使用耐热钢片调平，以减小料盘上表面与石棉板之间的间隙，尽量保证料盘上端面的平整度，减少在料盘上表面平整度较差时石棉板因摞压工件的重力而碎裂的情况，降低工件端面的翘曲变形；

步骤二：渗碳+一次淬火。渗碳温度945℃，强渗碳势1.05％～1.25％，保温时间144～148h，扩散碳势0.80％～0.95％，保温时间48～72h，降温至890℃进行一次淬火；

步骤三：高温回火。高温回火温度分两段，600℃*12h+650℃*12h；

步骤四：高温回火后进行平端面，双端面均车去留量6mm，以车去工件在长时间高温下产生的端面变形，进一步降低工件的翘曲变形；

步骤五：二次淬火。将工件的两个端面方向对调后进行二次淬火，淬火温度805℃，保温5h后油淬出炉并清洗，因为在淬火过程中先入油的部分先收缩，一次淬火后工件周面存在一定的锥度，在二次淬火前将工件端面对调，减小工件的锥度变形；

步骤六：利用卡块12和顶撑装置14对圆锥轴承外套圈11的变形部位进行顶撑。如图2至图4所示，卡块12设置有两个，且均为长方体，两个卡块12的一侧均设有安装槽18。两个卡块12的结构相同，唯一不同的是，其中一个卡块12的内壁面上开设有凹槽，凹槽位于安装槽18的径向内侧，且凹槽与安装槽18的中心位置平齐。

a：如图1所示，用管尺测量变形为椭圆状的圆锥轴承外套圈11外周面上的长轴处和短轴处的直径，计算工件的椭圆变形量，其中，A点标记处为工件的长轴，B点标记处为工件的短轴，椭圆变形量为长轴处直径与短轴处直径的差值；

b：将两个卡块12的安装槽18卡接到椭圆状工件短轴两端位置的径向内侧，使安装槽18的倾斜槽底壁19与工件的滚道内壁贴合、安装槽18的槽侧壁13与工件的端面挡止配合，并且卡块12背向安装槽18的一侧与工件的轴线平行；

c:将顶撑装置14放置到两个卡块12之间，使用顶撑装置14顶撑两个卡块12，顶撑装置14将工件上的原短轴顶撑为长轴且顶过原椭圆变形量的1.0倍。需要说明的是，顶过原椭圆变形量的1.0倍是指此时的椭圆变形量为原来的椭圆变形量的1.0倍。如图2所示，顶撑装置14包括螺栓16和顶杆15，顶杆15的尾端具有沿其长度方向延伸的内螺纹孔，顶杆15通过内螺纹孔与螺栓16螺纹配合，顶撑装置14通过顶杆15与螺栓16之间的转动调整顶撑装置14的长度。顶杆15的顶端为球形的顶头17，在顶撑装置14顶撑时，部分顶头17卡入卡块的凹槽内，螺栓16的头部顶撑另一个卡块12，以避免顶撑装置14在顶撑过程中滑动；

d：工件在顶撑状态下进行第一次回火，回火温度为170℃，回火时间为6h，并放至室温，拆除顶撑装置14和卡块12；

e：把工件再进行第二回火，回火温度为200℃，时间为6h；

f：再次测量工件的椭圆变形量，椭圆变形量小于3mm，则符合技术要求，若不符合技术要求，则进行下一步；

g：使用卡块和顶撑装置重复b～f对工件进行第二次顶撑，直至椭圆变形量符合技术要求。

需要说明的是，在步骤六中，顶撑装置14将工件上的原短轴顶撑为长轴，顶撑时工件的椭圆变形量(此时工件未进行回火)与原椭圆变形量的比值称为顶撑倍数，而工件在第一次顶撑状态下第一次回火后的椭圆变形量(即顶撑后变形量)的大小与顶撑倍数有关。经过多次试验，发现对于本实施例的轴承外径尺寸为2560mm的渗碳钢制圆锥轴承外套圈11，第一次回火温度为170℃，顶撑倍数为0.7～1.0时，工件的整形后变形量最佳。之后，再使用170℃～200℃的第二次回火稳定，变形回复量较小。顶撑倍数与整形后变形量的对应关系表详见表1。

表1顶撑倍数与顶撑后变形量的关系表

对于第一次顶撑不合格的工件，需进行第二次顶撑。第二次顶撑中的回火温度也是至关重要，因此，进行了不同回火温度的试验(均经过了第一次顶撑，170℃回火)，第二次顶撑中的回火温度与第二次顶撑后的工件变形量(即二次顶撑后变形量)的关系表见表2，第二次顶撑中的回火温度与第二次顶撑后的工件表面硬度的关系表见表3，发现第二次顶撑中的回火温度控制在220℃时能够同时保证较小的工件变形量和较大的工件表面硬度，这是因为工件在经过170℃顶形后，在同一温度下的组织及应力都已稳定，而通过提高温度，在200℃、225℃再次整形后，工件的变形量大幅变小，可控制在技术要求范围内。随着回火温度的提升，工件表面硬度在200℃回火提高了3HRC左右，225℃回火又比220℃回火降低了1～2HRC。

表2不同回火温度后二次顶撑后变形量统计表(mm)

表3不同温度回火后工件表面硬度(HRC)

本发明的圆锥轴承外套圈变形控制方法中，通过卡块12的安装槽18装夹变形为椭圆状的圆锥轴承外套圈11短轴两端位置的径向内侧，这样，顶撑装置14顶撑卡块12时能够对圆锥轴承外套圈11的短轴位置进行整形。由于卡块12背向安装槽18的一侧平行于圆锥轴承外套圈11的轴线，顶撑装置14的两端能够与卡块12完全接触，以解决顶撑装置14无法顶撑圆锥轴承外套圈11的倾斜滚道内壁的技术问题。在步骤一的装料工序中石棉板与料盘之间铺垫耐热钢片，能够填充料盘上表面与石棉板之间的间隙，以调平料盘上表面，解决在料盘上表面的平整度较差时石棉板易碎的问题，进而降低工件端面的翘曲变形。而且，两次淬火中工件端面的方向相反，能够大幅度减小工件的锥度变形。

本发明的圆锥轴承外套圈变形控制方法的实施例2：

本实施例和实施例1的区别在于：实施例1中，两个卡块12中的一个卡块12的内壁面上开设有凹槽。本实施例中，两个卡块12的内壁面上均开设有凹槽，相应地，顶撑装置14的两端均设有球形的顶头17。在其他实施例中，两个卡块12的内壁面上可以取消凹槽。

本发明的圆锥轴承外套圈变形控制方法的实施例3：

本实施例和实施例1的区别在于：实施例1中，步骤六中拆除顶撑装置后进行第二次回火。本实施例中，在步骤六中取消第二次回火。

本发明的圆锥轴承外套圈变形控制方法的实施例4：

本实施例和实施例1的区别在于：实施例1中，二次淬火工序中，将一次淬火工序后的圆锥轴承外套圈11的两个端面方向进行对调。本实施例中，一次淬火和二次淬火工序中圆锥轴承套圈的端面方向相同。

最后需要说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行不需付出创造性劳动的修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.圆锥轴承外套圈变形控制方法，包括依次进行的渗碳、一次淬火、高温回火、二次淬火、整形工序，其特征在于；整形工序包括以下步骤：

步骤一：测量变形为椭圆状的圆锥轴承外套圈(11)外周面上长轴处和短轴处的直径；

步骤二：分别在圆锥轴承外套圈(11)短轴两端位置的径向内侧卡接一侧设有安装槽(18)的卡块(12)，使安装槽(18)的倾斜槽底壁(19)与圆锥轴承外套圈(11)的滚道内壁贴合、安装槽(18)的槽侧壁(13)与圆锥轴承外套圈(11)的端面挡止配合，并且卡块(12)背向安装槽(18)的一侧与圆锥轴承外套圈(11)的轴线平行；

步骤三：将顶撑装置(14)放置在两个卡块(12)之间，顶撑装置(14)对圆锥轴承外套圈(11)的椭圆变形进行顶撑；

步骤四：圆锥轴承外套圈(11)在顶撑状态下进行第一次回火，并放至室温。

2.根据权利要求1所述的圆锥轴承外套圈变形控制方法，其特征在于，所述卡块(12)的内壁面上开设有凹槽，顶撑装置(14)的端部设有顶头(17)，顶头(17)的顶部为球面形，步骤三中顶撑装置(14)顶撑时顶头(17)的球面形部分卡入凹槽内。

3.根据权利要求1或2所述的圆锥轴承外套圈变形控制方法，其特征在于，所述整形工序还包括依次进行的拆除顶撑装置(14)、拆除卡块(12)和第二次回火，拆除顶撑装置(14)在步骤四中圆锥轴承外套圈(11)放置至室温后进行，第二次回火温度高于第一次回火温度。

4.根据权利要求1或2所述的圆锥轴承外套圈变形控制方法，其特征在于，所述整形工序还包括检测步骤，检测步骤为：检测圆锥轴承外套圈(11)的变形量是否符合技术要求，对于不符合技术要求的圆锥轴承外套圈(11)使用所述卡块(12)和顶撑装置(14)重复步骤二和步骤三进行第二次顶撑，在第二次顶撑中进行第二次回火，第二次回火温度高于第一次回火温度。

5.根据权利要求4所述的圆锥轴承外套圈变形控制方法，其特征在于，所述第一次回火温度为150～170℃，第二次回火温度为200～220℃。

6.根据权利要求1或2所述的圆锥轴承外套圈变形控制方法，其特征在于，还包括在渗碳工序之前进行的装料工序，在装料工序中，多个圆锥轴承外套圈(11)摞放在料盘上，料盘上表面与最底层圆锥轴承外套圈(11)之间自下而上依次铺垫调平板和石棉板。

7.根据权利要求6所述的圆锥轴承外套圈变形控制方法，其特征在于，所述调平板为耐热钢片。

8.根据权利要求1或2所述的圆锥轴承外套圈变形控制方法，其特征在于，所述二次淬火工序中，将一次淬火工序后的圆锥轴承外套圈(11)的两个端面方向进行对调。

9.根据权利要求1或2所述的圆锥轴承外套圈变形控制方法，其特征在于，所述顶撑装置(14)为螺栓(16)和顶杆(15)，顶杆(15)与螺栓(16)螺纹配合。

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