冷辗压轴承环残余应力与淬回火变形的相关性探析①

俞 蓓, 罗贤国, 张海涛, 王宏琴, 赵 磊, 段贤勇, 李小城

(1.安徽机电职业技术学院,安徽 芜湖 241002；2.安徽金越轴承有限公司,安徽 六安 237299)

0 引 言

轴承在机械行业使用广泛，这类零件由其自身的功能决定了它是一个量大面广的标准化机械类产品。轴承的生产中，除微小型轴承采用冷镦和冷挤压工艺外，其主要加工过程一般为：热锻造-球化退火-机械加工-热处理-精密加工-组装。近年来，随着辗压工艺的运用，轴承主要加工过程一般为：热锻造-球化退火-半精车冷辗压毛坯-冷辗压-热处理-精加工端面、外圆沟槽-组装。轴承环冷辗压新技术的使用，使得原材料节约10%-15%，工作效率提升十几倍，工件的机械性能优化致使其寿命增长3-5倍。因此，冷辗压毛坯生产是我国轴承行业发展的新方向。然而，冷辗压生产轴承环毛坯工艺在实际应用过程中会出现轴承环淬回火变形明显增大，椭圆度会超出技术要求，在最终磨加工时无法消除[1]。那么，分析影响轴承环淬火变形的原因就十分必要了。

1 冷辗压轴承环淬回火变形分析

淬回火变形是轴承热处理过程中不可避免的缺陷之一[1]。影响淬回火变形的因素主要包括轴承环的原始组织、应力状态、零件结构形状、淬火介质及工艺等[2]。当冷辗压轴承环辗扩工艺条件一定时，其残余应力随着冷辗压变形量的增加而增大[3]。虽然后期淬火加热能够消除一部分残余应力，但残余应力、热应力、组织应力的交互作用，是否会增大淬火变形，以致造成轴承环椭圆度及平面度等缺陷的出现呢？

冷辗压轴承环淬回火变形是热处理工艺不合理造成，还是冷辗压轴承环残余应力过大造成需要通过试验进行探究。首先对轴承环的淬火回火工艺参数、热处理介质等进行调整，并未发现冷辗压轴承的淬回火变形有明显变化。由此继续通过试验来探究残余应力对其淬回火变形的影响如何。

2 试验方案及内容

2.1 试验方案

假定冷辗压轴承环的热处理等其他条件不变，采用消除残余应力的6311/01冷辗压轴承环(50只)和未消除残余应力6311/01冷辗压轴承环(50只)进行淬火对比实验，分别记录这两种情况下6311/01冷辗压轴承环的残余应力值及淬回火变形量，6311/01冷辗轴承环结构示意图见图1。通过minitab软件将上述结果进行统计，运用散布图分析残余应力和淬回火变形的相关性。

图1 6311/01冷辗轴承环结构示意图

2.2 试验条件

试验材料：原材料Gr15圆钢、PR-L68淬火液。

试验设备：R150型气氛保护马氏体淬回火网带炉。

淬回火工艺：加热温度为 790 ～ 810 ℃， 保温温度 为820 ～ 840℃，回火保温160～ 170 ℃[1]，见图2示意图。

2.3 试验内容

试验前准备工作：将试验材料每只端面上激光打标不同编号(用1～100数字表示)，第一组为Gr15圆钢去应力退火后冷辗压6311/01轴承环50只(编号1～50)；第二组为Gr15圆钢未去应力冷辗压6311/01轴承环50只(编号51～100)。

采用钻孔法测出两组冷辗压6311/01轴承环对应的残余应力，并将其结果记录在表1及表2中，对应记录区分清楚。

试验中过程要求：将100只试验用冷辗压6311/01轴承环进行随机混合，严格按照热处理操作规范，对其实施淬回火。

试验后检测要求：检测人员在不知道原始状态情况下对试验件残余应力及淬回火变形量进行盲测，将其相应结果记录在表1及表2 中。

表1 冷辗压6311/01轴承去应力退火处理试验结果

表2 冷辗压6311/01轴承未去应力退火处理试验结果

3 试验结果分析

通过minitab软件将表1和表2 测得的试验数据进行记录，将其数值转化成两组试验的相关性散布图，见图3及图4。

图2 冷辗轴承压环热处理加热冷却规范示意图

图3 第一组冷辗压6311/01轴承环残余应力及淬回火变形相关性散布图

图4 第二组冷辗压6311/01轴承环残余应力及淬回火变形相关性散布图

图3显示的第一组冷辗压6311/01轴承环，其残余应力及淬回火变形的关系为：

y= 0.002x+ 0.0968 ,R2= 0.0227

对第一组数据进行分析：

经相关系数计算公式

r=

计算出第一组r1=0.1507，在显著水平α=0.05下查相关系数检查表[4]得r1α=0.273,r1

图4显示的第二组冷辗压6311/01轴承环，其残余应力及淬回火变形的关系为：

y= 0.0008x+ 0.0048 ,R2= 0.9788

同理，对第二组数据进行分析，计算出第二组r2=0.9893，在显著水平α=0.05下查相关系数检查表得r2α=0.273,r2>r2α，表明第二组试验条件下残余应力与淬回火变形呈正相关性，且为强正相关性。

4 结 论

通过上述试验结果分析，可得出如下结论：在冷辗压轴承环其他工艺条件不变的条件下，其残余应力对后续淬回火变形的影响很大，呈强正相关性。所以，轴承环采用冷辗压方式加工时需要注意淬回火之前必须严格控制其残余应力大小，以此减小对轴承环淬回火变形量的影响[5]。

同时，由于采用钻孔法测试轴承环的残余应力，那么在原始辗压环上留下的小孔或许会对热处理过程的应力交互作用产生影响，虽然同等条件下不影响其相关性分析结果，但是否可以采用无损测试残余应力的方式继续验证，值得思考。

随着机械行业的发展，轴承作为基础零部件，需求量大，势必加速冷辗压工艺的应用及推广。对冷辗压工艺进行研究，分析其工艺参数对冷辗压残余应力的影响，寻找降低冷辗压轴承环残余应力的经济性工艺方法是当下亟需解决的问题。