大型軸承圈是一種結構相對復雜、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 軸承圈結構
這類零件在進行熱處理時，薄壁刃口部位必須防止高溫狀態下碼垛層數過高而被壓潰，同時多層碼垛時由于熱應力和組織應力所引起的熱處理變形聯動效應也必須引起足夠的重視。基于這兩點考慮，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的托架上，刃口只承擔自重，多層碼垛的重量由單層托架中心環承擔；加熱及冷卻過程中每只軸承圈也都處于自由變形狀態，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只軸承內圈，客戶也按此比例來料加工。450kW井式熱處理爐導流筒最大尺寸φ2300mm×3500mm，實際裝料時直徑方向單邊預留100mm安全余量，高度方向預留100mm安全余量。按此規格實際裝料應控制在φ2100mm×3400mm圓柱體積內。每只軸承圈中軸承外圈直徑最大，按φ660mm估算一個平層內擺7只，可發揮最大爐容。為保證高層碼垛時的穩定性，每串碼垛中心設一中心導向立柱，如圖2所示。
圖2 軸承外（內）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）料架的基礎上改裝。
二、單層托架的設計
軸承內圈總高為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致料盤碼垛傾斜。因此，碼垛層之間必需預留一定的變形空間，但該尺寸不宜大，否則影響碼垛層數，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：方案一力學結構優于方案二，并且在熱爐試驗中方案二發生了較大尺寸的下垂變形，因此最終的設計選擇了方案一。
圖4 軸承內圈單層托架支臂示意
中心環的主要作用是保持多層碼垛的穩固性和承重。最初設計中心環時出于降低工裝自重的考慮，根據中心導向立柱外徑115mm確定：中心環內徑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，中心環橫截面積太小，多層碼垛自身穩定性不好，發生歪斜時中心立柱將承受巨大的側向負荷，高溫狀態下會加大中心導向立柱的彎曲變形，甚至發生傾倒。第二，托架支臂實際屬于一種單懸臂受力結構，負荷在懸臂的遠端，這樣懸臂越長，同等負荷下下壓力矩會越大，從而高溫狀態下的下垂變形也會越大。因此，決定中心環內徑加大到210mm，壁厚仍為20mm，如圖5b所示。據此，軸承內圈單層托架的初步設計方案確定為：中心環內徑210mm、壁厚20mm；托架支臂形式選擇圖4a方案；為減輕自重中心環側壁開6個減重孔，這主要是因為2個托架支臂之間由于中心環圓周弧長過長，所以減重孔開成2個，中間保留一個支撐肋。設計方案試裝成品如圖5c所示。
圖5 軸承內圈單層托架中心環方案演變示意
圖5c方案在熱爐試裝期間發現兩個問題：①支撐肋發生了較大的變形，如圖5d所示。②中心環內徑過大，穩定性比較好，但一旦發生歪斜，中心環保持穩定作用不明顯。針對上述兩個實際出現的問題，對圖5c方案結構進行了改進：將中心環的3個不帶托架支臂的支撐肋改為T形結構，向中心方向凸出30mm高的肋條，肋條沿縱軸方向設計為圓弧。該方案的改進依據是：1）支撐肋高溫下變形較大主要是肋的強度不足，以及沿徑向肋橫截面形狀為簡單矩形，彎、扭變形抗性較差，最終變形主要發生在3個不帶托架支臂的支撐肋上，變形主要表現為外鼓和扭傾。為了在加強肋條的同時，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行加強。如圖5c、圖5e所示，帶托架支臂的支撐肋實際是一個三角穩定結構，沿軸向傳遞的壓力一部分由縱向肋所承擔，另一部分由交叉于一點的托架支臂承擔，其承載力遠高于托架支臂的支撐肋。實際試裝中，3個帶托架支臂的支撐肋也確實產少產生變形。3）3個不帶托架支臂的支撐肋改為T形結構，向中心方向凸出30mm高的肋條后，最小內徑由210mm減小至150mm，而中心導向立柱外徑115mm，單邊間隙縮小至20mm以下，中心環沿徑向竄動的尺度大為減小，從而提高了中心環沿徑向的穩定效果。4）加強肋沿軸向設計成圓弧形，擴大了中心環的入口尺寸，提高了中心環與中心導向立柱的導向性，方便了現場裝料。橫截面尺寸的縮減主要發生在中心環的端環部位，既不影響軸向強度，還有一定的減重效果。最終的設計如圖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，碼垛層之間必需預留一定的變形空間，但該尺寸不宜大，否則會影響碼垛層數。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計思路與內圈托架基本一致。據此，軸承外圈單層托架的設計方案確定為：中心環內徑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，在中心環側壁開6個減重孔，2個托架支臂之間因為中心環圓周弧長過長，所以減重孔開成2個，中間保留1個支撐肋。將中心環的3個不帶托架支臂的支撐肋改為T形結構，向中心方向凸出30mm高的肋條，肋條沿縱軸方向設計為圓弧。向中心方向凸出30mm高的肋條后，最小內徑由210mm減小至150mm，而中心導向立柱外徑115mm，單邊間隙縮小至20mm以下，中心環沿徑向竄動的尺度大為減小，從而提高了中心環沿徑向的穩定效果。而加強肋沿軸向設計成圓弧形，擴大了中心環的入口尺寸，提高了中心環與中心導向立柱的對中性，方便了現場裝料。橫截面尺寸的縮減主要發生在中心環的端環部位，既不影響軸向強度，還有一定的減重效果。最終設計的三維效果如圖7a所示，最底層托架采用平面座底設計如圖7b所示。
圖7 軸承外圈單層托架示意
三、整體裝爐方案設計
在單個軸承圈工裝設計方案確定以后，具體裝爐需結合每種爐型的實際有效區尺寸具體設計。設計原則是：充分發揮最大爐容，以提高效率；同時要控制總重，不能超過吊具負載限額。現以我單位450kW井式氣體滲碳爐裝爐方案的設計作一簡要介紹。前已述及，450kW井式氣體滲碳爐實際裝料應控制在φ2100×3400mm圓柱體積內。水平直徑內，經過計算，圓周方向軸承內外圈間隔擺放，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造的原因，有效加熱區對滲碳工件在爐膛內擺放的位置有一定的限制；料架全載負荷接近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定性，每串碼垛中心設一中心導向立柱，采用φ115mm、壁厚20mm的Q235厚壁管制造。這根中心導向立柱長達2500mm，長徑比接近22，在實際熱處理過程中產生嚴重的撓曲變形是毫無疑問的。為了解決這一問題，必須結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，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托架高度計算。設計完成的軸承內圈托架總高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。據此計算，工件有效擺放總高2500mm范圍內，總計可以碼垛軸承內圈托架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
依據這一模式，高達2500mm的中心導向立柱也可以分成三段，每段800mm左右，長徑比降至7，加上中心導向立柱采用管狀結構，反復使用過程中的變形問題得到極大緩解。據此思路，在有效擺放總高2500mm范圍內，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構。托盤的結構如圖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的位置，底托下部對應位置焊有一個限制下一級中心導向立柱自由變形的定位環，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構示意
關于圖9的說明中已提及，每一個碼垛層中軸承內圈和軸承外圈的碼垛高度是有差異的。為了彌補不同碼垛高度的差異，又設計了兩種托架高度補償座。針對軸承內圈和軸承外圈的碼垛高度差異，墊上補償座后，軸承內圈和軸承外圈的碼垛高度平面追平至810mm，高于中心導向立柱高度10mm。同時，補償座外圈的下沿分別高于最上層軸承內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償座，圖11a展示了高度補償座與其他的工裝軸向相對位置；圖11b展示了高度補償座安裝位置，圖中畫圈位置還同步展示了限制中心導向立柱自由變形的定位環與中心導向立柱的相對位置關系，以及中心導向立柱與上層托盤的相對位置關系，還展示了兩層托盤之間的相對位置關系；圖11c展示了兩種高度補償座的基本形貌。上層托架擺放時，圓周方向可以提供6個支點，加上料架中心柱的支點，同一平面內可以提供7個支點平衡載荷。沿中心立柱軸向，所有載荷均對應在各自的中心軸線上，且載荷均由軸承內圈托架和軸承外圈托架的中心環承擔，最終載荷全部傳遞至料架底座承擔，待處理工件和中心導向立柱均不承壓，且在高溫狀態時有足夠的線膨脹空間。
四、全負荷實裝樣例
本套熱處理工裝可以自由組成多種裝爐方式，適應不同爐型，由于篇幅所限，不再逐一列舉。現僅以我單位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，水平基準圓內可布內圈4支、外圈3支；總爐容內可容納內圈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。真實的全料架總重與這一理論計算全重誤差在200kg以內，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，制造誤差是實際存在的，本范例的實裝結果達到了為生產實踐提供合理決策依據的目標。
五、結束語
該套軸承內外圈的工裝在設計階段采用了計算機輔助設計。前期的方案論證、托架設計、料架設計、各類預改進等工作都采用3D方法在計算機輔助下進行了充分的討論，然后才形成設計方案提交加工。該套工裝目前已使用近6年，處理數千套軸承內外圈；另外，由于設計合理，工裝材質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；使用多年后，報廢原因基本只是燒損，制造成本的經濟性也十分明顯。圖13展示了托架使用多年后的燒蝕情況，可以看到并沒有發生明顯的開裂、塌縮現象。
圖13 多次使用后的軸承圈托架
實踐證明，整套工裝方案設計合理，并已經產生了明顯的經濟效益，在熱處理工裝、夾具的設計過程中，引入3D的計算機輔助設計方法是十分有價值的。
參考文獻：
[1] 成大先.機械設計手冊[M].北京：化學工業出版社，2004：18-140.
作者：劉志強、汪軍、郭敬強，鄭州機械研究所有限公司
張太超，中原工學院
來源：《金屬加工（熱加工）》雜志2020年第9期70-74頁
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