42CrMo鋼不同淬硬層深度對軸承許用接觸應力的影響

楊哲，陳小超，鄭海燕，曾超凡，王艷山

(1.洛陽LYC軸承有限公司，河南 洛陽 471039；2.航空精密軸承國家重點實驗室，河南 洛陽 471039 )

滾動軸承滾動面在較大載荷下會產生永久變形，變形量隨載荷的增大而增大。永久變形量為滾動體直徑的1×10-4倍時，用其當量靜載荷作為軸承的額定靜載荷[1]。特大型轉盤軸承轉速低，主要承受靜載荷，與平板-滾子接觸類似，因此通常進行平板壓力試驗，用回歸法計算永久變形量與最大接觸應力之間的關系，然后計算軸承許用接觸應力[2-6]。近年來，隨著客戶要求的提高，實際生產中表面硬度57 HRC以下的滾道面已無法滿足需求，目前要求滾道面硬度為57～60 HRC，但在相關資料中缺乏不同淬硬層深度的許用接觸應力的研究。因此，現對表面硬度為58～60 HRC的φ50 mm×50 mm的GCr15SiMn鋼制滾子，在表面硬度為57～60 HRC,淬硬層深度為3～6 mm的42CrMo平板上進行壓力試驗，研究淬硬層深度對軸承許用接觸應力的影響。

1 試驗

1.1 試樣

選取42CrMo鋼，經過預處理后，通過不同工藝的中頻表面感應淬火得到表面硬度為57～60 HRC，淬硬層深度分別為3，4，5，6 mm的平板。將平板切割成80 mm×50 mm×35 mm的試樣，按照淬硬層深度分為4組，每組9個試樣，每組另外準備2個備用試樣。

1.2 試驗方法

通過WE-600型液壓萬能材料試驗機(圖1)用φ50 mm×50 mm的滾子分別對試樣施加250，300，350，400，450，500，550，600，650 kN的徑向載荷Q，保持3 s，由于加載時有沖高，計算過程按實際載荷(表1)計算。用CL-1A輪廓儀檢測壓痕深度。

1—上壓頭；2—平板試樣；3—滾子；4—模具；5—下支承臺

2 結果與分析

2.1 壓痕深度

不同徑向載荷下試樣的壓痕深度δq見表1。

表1 不同載荷下試樣的壓痕深度

2.2 許用接觸應力的計算

根據Hertz理論[1-6]，最大應力σmax與載荷Q的關系為

(1)

式中：l為滾子長度，mm；Dw為滾子直徑，mm。

根據(1)式計算試樣的最大應力，結果見表2。

表2 不同載荷下試樣的最大應力

永久變形量δq/Dw與最大應力之間的關系為

(2)

式中：K為常數;b為指數。

(2)式為經驗公式，對其兩邊取對數可得

lg(δq/Dw)=b(lgσmax)+lgK。

(3)

根據表1和表2計算不同載荷下試樣的lg(δq/Dw)和lgσmax。用Origin軟件對表中第1組的對數計算結果lg(δq/Dw)和lgσmax進行線性回歸，可得擬合曲線如圖2a所示，線性擬合方程為

lg(δq/Dw)=5.179 lgσmax-21.882，

(4)

相關系數r=0.954>0.9，所以lgσmax與lg(δq/Dw)正相關。

由(4)式可得

δq/Dw=10-21.882σ5.179，

(5)

σ=(1021.882δq/Dw)1/5.179。

(6)

根據許用接觸應力的定義[1]，永久變形量δq/Dw=1×10-4時，由(6)式求出的σmax即為許用接觸應力，即σ1=2 836.548 MPa。

同理可得第2～4組的擬合曲線圖(圖2b～圖2d)及相應的許用接觸應力σ2，σ3，σ4。

圖2 線性擬合曲線

2.3 結果分析

不同淬硬層深度試樣上滾子的許用接觸應力見表3。由表可知：許用接觸應力隨著淬硬層深度的增加而增大。這主要是因為淬硬層越深，沿垂直于接觸表面的抗剪能力越強，而42CrMo鋼經調質預處理、感應淬火后的心部硬度為220～260 HB，在心部支承強度相同的條件下，淬硬層越深，變形的難度越大。當淬硬層深度達到5 mm后，平板上的許用接觸應力為3 817.120 MPa；淬硬層深度為6 mm時，平板的許用接觸應力為3 844.669 MPa，兩者基本相近，說明淬硬層深度超過5 mm后，平板的許用接觸應力增幅減小。這是因為滾子尺寸、硬度相同時，當平板的淬硬層深度達到5 mm后，其硬度成為影響許用接觸應力的重要因素，硬度不足導致表面淬硬層無法承受較大載荷而被壓潰，因此淬硬層深度繼續增加對許用接觸應力的增加效果不明顯。

表3 不同深度硬化層上滾子的許用接觸應力

3 結論

壓痕深度與滾子直徑之比的對數與最大應力的對數存在線性關系。當平板表面硬度為57～60 HRC，淬硬層深度為3～6 mm時，隨著淬硬層深度的增加，許用接觸應力增大；當淬硬層深度達到5 mm后，許用接觸應力增量逐漸減小，為得到較高的許用應力，當平板表面硬度為57～60 HRC，淬硬層深度應大于5～6 mm。