大型軸承圈是一種結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜、截面尺寸變化相對劇烈、具有薄壁刃口的大直徑薄壁零件，在進(jìn)行熱處理時，必須最大限度地利用爐容，同時必須減小熱處理變形，以保證產(chǎn)品合格率，這類軸承圈形狀尺寸多種多樣，這里僅選取兩種典型樣例。圖1a為某軸承內(nèi)圈，最大壁厚54.3mm，薄壁刃口只有16.4mm。圖1b為某軸承外圈，最大壁厚45.56mm，薄壁刃口只有10.95mm。
圖1 軸承圈結(jié)構(gòu)
這類零件在進(jìn)行熱處理時，薄壁刃口部位必須防止高溫狀態(tài)下碼垛層數(shù)過高而被壓潰，同時多層碼垛時由于熱應(yīng)力和組織應(yīng)力所引起的熱處理變形聯(lián)動效應(yīng)也必須引起足夠的重視?；谶@兩點(diǎn)考慮，在討論裝爐方案時確定了采用單層托架多層碼垛的方案，這樣每只軸承圈都放在單獨(dú)的托架上，刃口只承擔(dān)自重，多層碼垛的重量由單層托架中心環(huán)承擔(dān)；加熱及冷卻過程中每只軸承圈也都處于自由變形狀態(tài)，不受其他因素影響。
一、整體裝爐初步方案確定
該軸承為雙列圓錐滾子軸承，每套軸承圈含2只軸承外圈和1只軸承內(nèi)圈，客戶也按此比例來料加工。450kW井式熱處理爐導(dǎo)流筒最大尺寸φ2300mm×3500mm，實(shí)際裝料時直徑方向單邊預(yù)留100mm安全余量，高度方向預(yù)留100mm安全余量。按此規(guī)格實(shí)際裝料應(yīng)控制在φ2100mm×3400mm圓柱體積內(nèi)。每只軸承圈中軸承外圈直徑最大，按φ660mm估算一個平層內(nèi)擺7只，可發(fā)揮最大爐容。為保證高層碼垛時的穩(wěn)定性，每串碼垛中心設(shè)一中心導(dǎo)向立柱，如圖2所示。
圖2 軸承外（內(nèi)）圈裝爐方案
出于減輕工裝自重、熱處理加熱溫度下的剛度及市場采購的考慮，中心導(dǎo)向立柱采用φ115mm、壁厚20mm的Q235厚壁管制造。料架主體在我單位MDR954（10t）料架的基礎(chǔ)上改裝。
二、單層托架的設(shè)計
軸承內(nèi)圈總高為213.4mm，考慮到熱處理加熱溫度下：①鋼鐵部件會有一定的膨脹量。②長期使用的情況下工裝會變形從而導(dǎo)致料盤碼垛傾斜。因此，碼垛層之間必需預(yù)留一定的變形空間，但該尺寸不宜大，否則影響碼垛層數(shù)，綜合考慮后確定中心托架的總高控制在255mm，這樣2只軸承圈之間有41.6mm的間隙，軸承圈與托架支壁的最小間隙還有21.6mm（見圖3），從而保證了碼垛安全。
圖3 軸承內(nèi)圈碼垛示意
托架支臂形式有兩種方案供選擇，如圖4所示。兩種方案中：方案一力學(xué)結(jié)構(gòu)優(yōu)于方案二，并且在熱爐試驗(yàn)中方案二發(fā)生了較大尺寸的下垂變形，因此最終的設(shè)計選擇了方案一。
圖4 軸承內(nèi)圈單層托架支臂示意
中心環(huán)的主要作用是保持多層碼垛的穩(wěn)固性和承重。最初設(shè)計中心環(huán)時出于降低工裝自重的考慮，根據(jù)中心導(dǎo)向立柱外徑115mm確定：中心環(huán)內(nèi)徑130mm、壁厚20mm，如圖5a所示。在方案論證過程中，圖5a方案有兩個弊端：第一，中心環(huán)橫截面積太小，多層碼垛自身穩(wěn)定性不好，發(fā)生歪斜時中心立柱將承受巨大的側(cè)向負(fù)荷，高溫狀態(tài)下會加大中心導(dǎo)向立柱的彎曲變形，甚至發(fā)生傾倒。第二，托架支臂實(shí)際屬于一種單懸臂受力結(jié)構(gòu)，負(fù)荷在懸臂的遠(yuǎn)端，這樣懸臂越長，同等負(fù)荷下下壓力矩會越大，從而高溫狀態(tài)下的下垂變形也會越大。因此，決定中心環(huán)內(nèi)徑加大到210mm，壁厚仍為20mm，如圖5b所示。據(jù)此，軸承內(nèi)圈單層托架的初步設(shè)計方案確定為：中心環(huán)內(nèi)徑210mm、壁厚20mm；托架支臂形式選擇圖4a方案；為減輕自重中心環(huán)側(cè)壁開6個減重孔，這主要是因?yàn)?個托架支臂之間由于中心環(huán)圓周弧長過長，所以減重孔開成2個，中間保留一個支撐肋。設(shè)計方案試裝成品如圖5c所示。
圖5 軸承內(nèi)圈單層托架中心環(huán)方案演變示意
圖5c方案在熱爐試裝期間發(fā)現(xiàn)兩個問題：①支撐肋發(fā)生了較大的變形，如圖5d所示。②中心環(huán)內(nèi)徑過大，穩(wěn)定性比較好，但一旦發(fā)生歪斜，中心環(huán)保持穩(wěn)定作用不明顯。針對上述兩個實(shí)際出現(xiàn)的問題，對圖5c方案結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)：將中心環(huán)的3個不帶托架支臂的支撐肋改為T形結(jié)構(gòu)，向中心方向凸出30mm高的肋條，肋條沿縱軸方向設(shè)計為圓弧。該方案的改進(jìn)依據(jù)是：1）支撐肋高溫下變形較大主要是肋的強(qiáng)度不足，以及沿徑向肋橫截面形狀為簡單矩形，彎、扭變形抗性較差，最終變形主要發(fā)生在3個不帶托架支臂的支撐肋上，變形主要表現(xiàn)為外鼓和扭傾。為了在加強(qiáng)肋條的同時，盡量減輕肋條增重的影響，考慮將支撐肋的橫截面形狀改為T形截面，這樣可以使較小的截面獲得較好的支撐效果。2）主要對3個不帶托架支臂的支撐肋進(jìn)行加強(qiáng)。如圖5c、圖5e所示，帶托架支臂的支撐肋實(shí)際是一個三角穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，沿軸向傳遞的壓力一部分由縱向肋所承擔(dān)，另一部分由交叉于一點(diǎn)的托架支臂承擔(dān)，其承載力遠(yuǎn)高于托架支臂的支撐肋。實(shí)際試裝中，3個帶托架支臂的支撐肋也確實(shí)產(chǎn)少產(chǎn)生變形。3）3個不帶托架支臂的支撐肋改為T形結(jié)構(gòu)，向中心方向凸出30mm高的肋條后，最小內(nèi)徑由210mm減小至150mm，而中心導(dǎo)向立柱外徑115mm，單邊間隙縮小至20mm以下，中心環(huán)沿徑向竄動的尺度大為減小，從而提高了中心環(huán)沿徑向的穩(wěn)定效果。4）加強(qiáng)肋沿軸向設(shè)計成圓弧形，擴(kuò)大了中心環(huán)的入口尺寸，提高了中心環(huán)與中心導(dǎo)向立柱的導(dǎo)向性，方便了現(xiàn)場裝料。橫截面尺寸的縮減主要發(fā)生在中心環(huán)的端環(huán)部位，既不影響軸向強(qiáng)度，還有一定的減重效果。最終的設(shè)計如圖5e、圖5f所示，三維效果如圖5g所示，最底層托架采用平面坐底設(shè)計，如圖5h所示。
如圖6所示，軸承外圈總高93.9mm，考慮到滲碳溫度下托架的膨脹量和長期使用工裝的變形，碼垛層之間必需預(yù)留一定的變形空間，但該尺寸不宜大，否則會影響碼垛層數(shù)。綜合考慮后確定中心托架的總高控制在135mm，這樣兩個軸承圈之間有41.1mm的間隙，軸承圈與托架支壁的最小間隙還有約8mm，從而保證了碼垛安全。
圖6 軸承外圈碼垛示意
軸承外圈托架整體設(shè)計思路與內(nèi)圈托架基本一致。據(jù)此，軸承外圈單層托架的設(shè)計方案確定為：中心環(huán)內(nèi)徑210mm、壁厚20mm；托架支臂形式采用矩形框架方案。長邊中心增加一根加強(qiáng)肋，防止高溫下長邊塌縮，同時還可提高抗彎性；為減輕自重，在中心環(huán)側(cè)壁開6個減重孔，2個托架支臂之間因?yàn)橹行沫h(huán)圓周弧長過長，所以減重孔開成2個，中間保留1個支撐肋。將中心環(huán)的3個不帶托架支臂的支撐肋改為T形結(jié)構(gòu)，向中心方向凸出30mm高的肋條，肋條沿縱軸方向設(shè)計為圓弧。向中心方向凸出30mm高的肋條后，最小內(nèi)徑由210mm減小至150mm，而中心導(dǎo)向立柱外徑115mm，單邊間隙縮小至20mm以下，中心環(huán)沿徑向竄動的尺度大為減小，從而提高了中心環(huán)沿徑向的穩(wěn)定效果。而加強(qiáng)肋沿軸向設(shè)計成圓弧形，擴(kuò)大了中心環(huán)的入口尺寸，提高了中心環(huán)與中心導(dǎo)向立柱的對中性，方便了現(xiàn)場裝料。橫截面尺寸的縮減主要發(fā)生在中心環(huán)的端環(huán)部位，既不影響軸向強(qiáng)度，還有一定的減重效果。最終設(shè)計的三維效果如圖7a所示，最底層托架采用平面座底設(shè)計如圖7b所示。
圖7 軸承外圈單層托架示意
三、整體裝爐方案設(shè)計
在單個軸承圈工裝設(shè)計方案確定以后，具體裝爐需結(jié)合每種爐型的實(shí)際有效區(qū)尺寸具體設(shè)計。設(shè)計原則是：充分發(fā)揮最大爐容，以提高效率；同時要控制總重，不能超過吊具負(fù)載限額。現(xiàn)以我單位450kW井式氣體滲碳爐裝爐方案的設(shè)計作一簡要介紹。前已述及，450kW井式氣體滲碳爐實(shí)際裝料應(yīng)控制在φ2100×3400mm圓柱體積內(nèi)。水平直徑內(nèi)，經(jīng)過計算，圓周方向軸承內(nèi)外圈間隔擺放，可擺放6只。中間圓心處如擺放軸承外圈，與圓周擺放的3個外圈最小間隔僅剩13mm，如用于滲碳過程，結(jié)合來料配裝，軸承在外圈比例較高時，可以在中間圓心處擺放軸承外圈；如用于滲碳后的淬火過程，考慮每只軸承圈周邊溫度場的均勻性，建議在中間圓心處擺放軸承內(nèi)圈。平面擺放布置方案如圖8a所示，最大外圓直徑2040mm，沒有超出φ2100mm的最大限制。平面擺放布置方案的三維效果如圖8b所示。
圖8 軸承圈混合裝爐平面布置方案
垂直方向總高限制在3400mm。由于450kW井式氣體滲碳爐爐型構(gòu)造的原因，有效加熱區(qū)對滲碳工件在爐膛內(nèi)擺放的位置有一定的限制；料架全載負(fù)荷接近10t，要求料架底座在滲碳溫度930℃下仍要保持一定的剛度。綜合考慮上述因素，料架底座全高定為330mm，料架立柱頂端尚需預(yù)留吊裝高度，因此工件有效擺放總高限制在2500mm。前已述及，為保證高層碼垛時的穩(wěn)定性，每串碼垛中心設(shè)一中心導(dǎo)向立柱，采用φ115mm、壁厚20mm的Q235厚壁管制造。這根中心導(dǎo)向立柱長達(dá)2500mm，長徑比接近22，在實(shí)際熱處理過程中產(chǎn)生嚴(yán)重的撓曲變形是毫無疑問的。為了解決這一問題，必須結(jié)合高度方向工件擺放問題綜合考慮。由于采用單層托架多層碼垛的裝爐方案，熱處理過程中零件不承壓，處于自由擺放狀態(tài)，托架高度是高于零件高度的，因此計算碼垛層高時可直接依據(jù)托架高度計算。設(shè)計完成的軸承內(nèi)圈托架總高255mm，最底層平面坐底托架總高137.5mm；軸承外圈托架總高135mm，最底層平面底座托架總高77.5mm。據(jù)此計算，工件有效擺放總高2500mm范圍內(nèi)，總計可以碼垛軸承內(nèi)圈托架9層或軸承外圈托架18層。綜合考慮，如果9層軸承內(nèi)圈托架或18層軸承外圈托架分劃成三大層，每一個大層連同裝載的工件總高如圖9所示。
圖9 軸承圈大層工件總高示意
依據(jù)這一模式，高達(dá)2500mm的中心導(dǎo)向立柱也可以分成三段，每段800mm左右，長徑比降至7，加上中心導(dǎo)向立柱采用管狀結(jié)構(gòu)，反復(fù)使用過程中的變形問題得到極大緩解。據(jù)此思路，在有效擺放總高2500mm范圍內(nèi)，底層立柱直接焊在料架底座上，外露總高限制在800mm，上面兩層采用托盤連接結(jié)構(gòu)。托盤的結(jié)構(gòu)如圖10所示。采用一個大的底托作為承載平臺，6根中心立柱焊在對應(yīng)的位置，底托下部對應(yīng)位置焊有一個限制下一級中心導(dǎo)向立柱自由變形的定位環(huán)，其作用方式如圖10中局部放大的小圖所示。
圖10 軸承圈大層托盤的結(jié)構(gòu)示意
關(guān)于圖9的說明中已提及，每一個碼垛層中軸承內(nèi)圈和軸承外圈的碼垛高度是有差異的。為了彌補(bǔ)不同碼垛高度的差異，又設(shè)計了兩種托架高度補(bǔ)償座。針對軸承內(nèi)圈和軸承外圈的碼垛高度差異，墊上補(bǔ)償座后，軸承內(nèi)圈和軸承外圈的碼垛高度平面追平至810mm，高于中心導(dǎo)向立柱高度10mm。同時，補(bǔ)償座外圈的下沿分別高于最上層軸承內(nèi)圈和軸承外圈的最大高度10mm和50mm，其作用方式如圖11所示。
圖11中畫圈位置即為高度補(bǔ)償座，圖11a展示了高度補(bǔ)償座與其他的工裝軸向相對位置；圖11b展示了高度補(bǔ)償座安裝位置，圖中畫圈位置還同步展示了限制中心導(dǎo)向立柱自由變形的定位環(huán)與中心導(dǎo)向立柱的相對位置關(guān)系，以及中心導(dǎo)向立柱與上層托盤的相對位置關(guān)系，還展示了兩層托盤之間的相對位置關(guān)系；圖11c展示了兩種高度補(bǔ)償座的基本形貌。上層托架擺放時，圓周方向可以提供6個支點(diǎn)，加上料架中心柱的支點(diǎn)，同一平面內(nèi)可以提供7個支點(diǎn)平衡載荷。沿中心立柱軸向，所有載荷均對應(yīng)在各自的中心軸線上，且載荷均由軸承內(nèi)圈托架和軸承外圈托架的中心環(huán)承擔(dān)，最終載荷全部傳遞至料架底座承擔(dān)，待處理工件和中心導(dǎo)向立柱均不承壓，且在高溫狀態(tài)時有足夠的線膨脹空間。
四、全負(fù)荷實(shí)裝樣例
本套熱處理工裝可以自由組成多種裝爐方式，適應(yīng)不同爐型，由于篇幅所限，不再逐一列舉。現(xiàn)僅以我單位450kW井式氣體滲碳爐為例作一簡要說明。本例以圖12平面擺放方案為基準(zhǔn)，水平基準(zhǔn)圓內(nèi)可布內(nèi)圈4支、外圈3支；總爐容內(nèi)可容納內(nèi)圈36支、外圈54支；工裝總重4.613t，加上所處理工件，全料架總重9.294t。真實(shí)的全料架總重與這一理論計算全重誤差在200kg以內(nèi)，考慮到這一范例是由將近300個各種工裝及工件搭配組成的，制造誤差是實(shí)際存在的，本范例的實(shí)裝結(jié)果達(dá)到了為生產(chǎn)實(shí)踐提供合理決策依據(jù)的目標(biāo)。
圖12 某軸承內(nèi)外圈全負(fù)荷實(shí)裝示意
五、結(jié)束語
該套軸承內(nèi)外圈的工裝在設(shè)計階段采用了計算機(jī)輔助設(shè)計。前期的方案論證、托架設(shè)計、料架設(shè)計、各類預(yù)改進(jìn)等工作都采用3D方法在計算機(jī)輔助下進(jìn)行了充分的討論，然后才形成設(shè)計方案提交加工。該套工裝目前已使用近6年，處理數(shù)千套軸承內(nèi)外圈；另外，由于設(shè)計合理，工裝材質(zhì)沒有使用價格昂貴的耐熱鋼，而是采用普通20鋼由鑄造廠家生產(chǎn)；使用多年后，報廢原因基本只是燒損，制造成本的經(jīng)濟(jì)性也十分明顯。圖13展示了托架使用多年后的燒蝕情況，可以看到并沒有發(fā)生明顯的開裂、塌縮現(xiàn)象。
圖13 多次使用后的軸承圈托架
實(shí)踐證明，整套工裝方案設(shè)計合理，并已經(jīng)產(chǎn)生了明顯的經(jīng)濟(jì)效益，在熱處理工裝、夾具的設(shè)計過程中，引入3D的計算機(jī)輔助設(shè)計方法是十分有價值的。
參考文獻(xiàn)：
[1] 成大先.機(jī)械設(shè)計手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004：18-140.
作者：劉志強(qiáng)、汪軍、郭敬強(qiáng)，鄭州機(jī)械研究所有限公司
張?zhí)?，中原工學(xué)院
來源：《金屬加工（熱加工）》雜志2023年第9期70-74頁
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