軋輥用四列圓錐滾子軸承質量控制要點

許正根

(洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039)

軋輥用四列圓錐滾子軸承的使用工況比較惡劣，要求軸承具有高轉速、高精度、高載荷容量、高可靠性、耐磨損、長壽命、良好的沖擊韌性及密封等特性。四列圓錐滾子軸承的設計、質量控制與通常的單、雙列圓錐滾子軸承有很大不同，考慮的因素較多，其設計、加工難度及復雜程度均較高。在此，根據多年的設計、工藝及技術服務經驗，闡述四列圓錐滾子軸承的設計及質量控制要點，以供相關技術人員參考。

1 設計要點

1.1 材料的確定

套圈和滾子的材料主要根據工況確定，需要考慮軋機類型、軋輥轉速、軋制材料、軋制力和沖擊載荷、以及潤滑方式等因素，這些工況都會對軸承材料的選擇有所影響。對于沖擊載荷大的場合，應選擇滲碳鋼；對于沖擊載荷較小的場合，可選擇全淬鋼。一般情況下，套圈和滾子材料均應采用滲碳鋼。對于沖擊載荷相對較大的場合，可采用外圈材料為全淬鋼，內圈材料為滲碳鋼的組合方式。套圈的熱處理方式可選擇馬氏體淬火或者下貝氏體淬火。

沖壓保持架的材料一般選用08AL低碳鋼板或性能更加優越的材料，表面最好采用磷化處理。支柱焊接保持架的材料，一般選用可焊性好的20鋼，支柱采用40鋼，表面進行高頻淬火，深度控制在1 mm左右。

內、外隔圈材料采用40或45鋼。對內隔圈要進行調質處理，淬火后硬度需控制在45 HRC以上。

1.2 主參數的確定

四列圓錐滾子軸承的主參數有：內徑d、外徑D、公稱寬度T、內圈寬度B、外圈滾道角度α、滾子的半錐角Φ、滾子的大端直徑Dw、滾子的長度Lw、外圈滾道的小端直徑De、滾子的個數Z。其中，d，D，T，B均是已知的，α的值可以通過查樣本及有關標準確定，樣本所列為e值，則α=arctan(e/1.5)，單位為弧度。α值與標準中規定的角度值或之前設計過的類似產品的角度值相比較并向它們靠近，這樣能節約一些工裝和量具。

四列圓錐滾子軸承的設計要比單、雙列圓錐滾子軸承考慮的因素更多一些，細節的設計尤為重要。在四列圓錐滾子軸承設計中要考慮套圈的最薄弱處和滲碳層深度的最佳匹配，4個保持架之間間隙的合理控制，內、外擋圈材料和結構的設計等因素。對于GB/T 300—2008中規定的四列圓錐滾子軸承外形尺寸方案，設計時需考慮與單、雙列圓錐滾子軸承主參數能否通用的問題。

四列圓錐滾子軸承的優化設計，實際上是對De，Dw，Lw，Z和Φ的優化。在設計過程中，一定注意套圈壁厚、滾子長度、滾子個數和額定動載荷的關系，不能顧此失彼。

1.3 輔助結構參數的確定

軸承內部的輔助結構參數對軸承的使用壽命也有一定的影響，需合理確定。

(1)滾子與內圈小擋邊的間隙及滾子高度相互差的控制。通用軸承的滾子與擋邊之間的間隙一般都在0.5 mm以上，小擋邊不進行磨削；而軋輥軸承要求滾子與內圈小擋邊之的軸向間隙應小于0.2 mm，其小擋邊和滾子非基準端面都應予以磨削。滾子的高度相互差應得到控制，這樣能縮小滾子與內圈小擋邊間的間隙，從而削弱軸承裝配時滾子自鎖的作用，使得軸承工作時受力更加均勻。

(2)內圈油槽及內、外圈壁厚差的設計。對于相對轉速較高的場合，內圈的內徑面要設計螺旋油槽，內圈端面設計徑向油槽，這樣能有效防止內孔、端面和軋輥之間因蠕動而引起的燒粘現象。過大、過深的油溝會對軸承的使用壽命造成嚴重影響;過小、過淺的油溝對軸承的加工將造成影響。因此，應盡量將油溝的尺寸控制到最小，以增加滾道有效尺寸，延長軸承使用壽命。另外，內、外圈壁厚差要合理確定，一般情況下內圈的有效壁厚比外圈大，根據尺寸及截面大小，內、外圈的壁厚差可在0.5～5 mm之間調整。內、外圈滾道應帶有凸度，這有可能會受到目前國內加工設備的制約。

(3)應采用凸度滾子，素線為對數曲線的滾子較宜。滾子的精度等級不能低于Ⅱ級。

(4)保持架的設計。采用鋼板沖壓保持架的四列圓錐滾子軸承，其滾子組與保持架的徑向游動量要嚴格按照JB/T 10337—2002標準進行控制。當軸承轉速提高時，若保持架過于松動，必然加大滾子歪斜的趨勢，且自身所受的沖擊載荷也較大，會影響軸承性能和壽命。 沖壓保持架的梁寬不宜太窄，梁寬要控制為1.5～1.8倍的保持架板厚，并計算好滾子的數量，防止因保持架梁寬過窄而造成軸承早期失效。 對于采用支柱焊接結構保持架的四列圓錐滾子軸承，滾子的內孔與支柱之間的間隙要合理控制。間隙過大或過小都將影響軸承的使用壽命。 對于支柱焊接的保持架，傳統設計支柱螺紋部分帶有退刀槽，會降低支柱的強度，而實踐證明，沒有退刀槽并不影響螺紋的加工；因此，建議取消退刀槽。 對采用沖壓及支柱焊接的保持架，要注意保持架之間的間隙，以免發生干涉，間隙推薦值見表1。

表1 雙、四列圓錐滾子軸承保持架間隙推薦值 mm

(5)軸承游隙的確定。過大的游隙將造成軸承有效載荷區的滾子數減少，軸承的疲勞壽命降低；過小的游隙將造成軸承運轉過程中發熱，最終使軸承卡死。圓柱孔的四列圓錐滾子軸承和軋輥的配合是間隙配合，游隙應選擇2組或基本組，也有特殊情況選擇3組大游隙。

(6) 滲碳層深度的確定。滲碳層深度應根據零件端面尺寸與使用條件確定，必要時，要對其進行理論計算(計算出接觸應力及最大剪切應力所達到的部位，乘以安全系數，給出尺寸范圍)。 對采用滲碳鋼的軸承，內圈小擋邊的厚度不宜太薄。當確定了套圈的有效硬化層深度后，要計算小擋邊的厚度是否合適，會不會被滲透。

(7)密封材料的選擇。SKF早期的四列圓錐滾子軸承密封材料選擇氟橡膠，近些年正對丁腈橡膠進行試驗分析。為保證使用可靠性，建議最好采用氟橡膠密封材料。密封唇和密封接觸部位的過盈量影響密封效果，有資料顯示，過盈量應在2.5～3.6 mm之間選取。與密封唇接觸部位的表面粗糙度Ra應控制在0.3～0.4 mm，表面粗糙度過大或過小都將會影響密封效果。

2 工藝控制

軸承質量的優劣，不僅取決于結構設計是否合理，而且很大程度上取決于工藝水平的高低。

2.1 鍛造控制

軸承零件毛坯鍛造時，應十分注意金屬纖維的流向，避免金屬纖維在工作表面出現斷開。研究表明，疲勞剝落有可能發生在工作表面上金屬纖維斷開的地方。在接觸應力反復作用下，該處容易產生微裂紋，進而發展為疲勞剝落。軸承套圈絕大部分以經過軋制的鋼材為原料。經過軋制的鋼材已經有了足夠的鍛造比，且形成了沿鋼材軸向分布的纖維組織。把鋼材制成套圈時應注意纖維的流向，當纖維組織的流向與工作表面平行時，纖維不會在工作表面斷開，軸承壽命較長。對鍛造過程中的一些其他缺陷(如氧化、脫碳、過熱、白點、過燒及開裂等)也要嚴格控制，對有致命缺陷的鍛件，必須報廢。

2.2 熱處理控制

在熱處理控制上，特別要注意滲碳零件的質量，這是影響軋輥軸承壽命的關鍵因素。滲碳鋼軸承套圈滲碳過程中要嚴格控制滲碳層的碳濃度、碳梯度和深度，做好隨爐試樣的檢測。

滲碳層中的碳濃度必須適宜。過高的表面碳濃度不僅會形成粗大塊狀或網狀碳化物，使脆性增大，顯著降低軸承疲勞壽命，而且淬火后會使滲碳層出現大量的殘余奧氏體，降低硬度。過低的表面碳濃度會使淬火后工件表面硬度不足，耐磨性、耐疲勞性降低，零件工作時會很快因產生塑性變形而磨損。軸承零件滲碳后表面碳量一般認為在0.8%～1.05%(質量分數)為宜，這樣能保證表面獲得較高的淬火硬度和良好的組織。

碳含量沿著滲層變化的梯度應該是平緩的，這樣產生的組織應力較小，滲碳層與心部的結合較為牢固；反之，組織過度有突變，易引起滲碳層的剝落。

滲碳層深度應根據產品圖紙所標注尺寸加上工藝留量來確定，滲碳層深度應大于最大剪應力處距表面的距離。滲碳層過淺或過深都會使軸承出現早期失效，特別是滲碳層過深造成的影響更大。因此，應采取多種方法和儀器對滲碳過程進行檢測。

應對沖壓鋼板保持架進行碳氮共滲或氮化等表面強化處理，以免由于保持架的失效使軸承出現早期失效。

2.3 精度及壽命控制

冷加工的質量控制要重點避免磨削裂紋和磨削燒傷的產生。內圈擋邊磨削后要進行100%的無損探傷檢驗，因為這個部位最容易產生磨削裂紋及磨削燒傷。應嚴格控制軸承各零件的幾何精度及合套后軸承的各項幾何精度(如裝配高等)。幾何尺寸精度的檢驗比較直觀，宏觀上容易控制。滾道表面質量對于軸承在工作時形成潤滑油膜非常重要，因此滾道的表面粗糙度要嚴格控制。軸承內徑、外徑、游隙和滾道的尺寸與形位偏差要盡量控制好離散度，以保證軸承壽命的穩定性。

保持架、套圈及滾子上的尖角銳邊與毛刺都會使油膜破壞，并易損傷接觸表面，必須予以消除。保持架要進行光飾處理。滾子的倒角要光滑、勻稱，兩端的凹穴要對稱，空心滾子的內孔要進行絞制，保證內孔光潔、無毛刺。滾子要按II級或I級滾子的指標控制。

四列圓錐滾子軸承的尺寸精度及旋轉精度應保證公差等級在P5以上，這對于延長軸承壽命，保證所軋鋼材質量，都起到很好的作用。

在配置軸承的游隙時，四列游隙的相互差要控制在一定范圍內。這在軸承的有關標準中沒有規定，但根據使用經驗，很有必要進行控制。根據軸承尺寸大小建議控制在0.02～0.05 mm。

由于四列圓錐滾子軸承多為大型、特大型軸承，在生產組織上，內圈大擋邊的磨削要等滾子加工完畢后進行。目的是用滾子的球基面檢查擋邊的磨削質量，用著色檢查法看擋邊和滾子球基面的接觸情況，以保證接觸區域在擋邊的中間部位。

為了延長軸承的使用壽命，軸承的外徑處應標記4條均勻分布的壓力線。軸承在使用一段時間后，應把外圈載荷區轉動一個位置，防止一個位置重復受力，從而有效延長軸承使用壽命。

3 結束語

從設計的角度來看，我國四列圓錐滾子軸承的設計水平與國外的差距越來越小，幾乎接近一致，工作重點應放在與加工制造相關的各個方面，應從原材料做起，每個工序都要認真研究，相關儀器、裝備應得到保障，從而提高軸承的制造精度。