大型轴承圈是一种结构相对复杂、截面尺寸变化相对剧烈、具有薄壁刃口的大直径薄壁零件，在进行热处理时，必须最大限度地利用炉容，同时必须减小热处理变形，以保证产品合格率，这类轴承圈形状尺寸多种多样，这里仅选取两种典型样例。图1a为某轴承内圈，最大壁厚54.3mm，薄壁刃口只有16.4mm。图1b为某轴承外圈，最大壁厚45.56mm，薄壁刃口只有10.95mm。
图1 轴承圈结构
这类零件在进行热处理时，薄壁刃口部位必须防止高温状态下码垛层数过高而被压溃，同时多层码垛时由于热应力和组织应力所引起的热处理变形联动效应也必须引起足够的重视。基于这两点考虑，在讨论装炉方案时确定了采用单层托架多层码垛的方案，这样每只轴承圈都放在单独的托架上，刃口只承担自重，多层码垛的重量由单层托架中心环承担；加热及冷却过程中每只轴承圈也都处于自由变形状态，不受其他因素影响。
一、整体装炉初步方案确定
该轴承为双列圆锥滚子轴承，每套轴承圈含2只轴承外圈和1只轴承内圈，客户也按此比例来料加工。450kW井式热处理炉导流筒最大尺寸φ2300mm×3500mm，实际装料时直径方向单边预留100mm安全余量，高度方向预留100mm安全余量。按此规格实际装料应控制在φ2100mm×3400mm圆柱体积内。每只轴承圈中轴承外圈直径最大，按φ660mm估算一个平层内摆7只，可发挥最大炉容。为保证高层码垛时的稳定性，每串码垛中心设一中心导向立柱，如图2所示。
图2 轴承外（内）圈装炉方案
出于减轻工装自重、热处理加热温度下的刚度及市场采购的考虑，中心导向立柱采用φ115mm、壁厚20mm的Q235厚壁管制造。料架主体在我单位MDR954（10t）料架的基础上改装。
二、单层托架的设计
轴承内圈总高为213.4mm，考虑到热处理加热温度下：①钢铁部件会有一定的膨胀量。②长期使用的情况下工装会变形从而导致料盘码垛倾斜。因此，码垛层之间必需预留一定的变形空间，但该尺寸不宜大，否则影响码垛层数，综合考虑后确定中心托架的总高控制在255mm，这样2只轴承圈之间有41.6mm的间隙，轴承圈与托架支壁的最小间隙还有21.6mm（见图3），从而保证了码垛安全。
图3 轴承内圈码垛示意
托架支臂形式有两种方案供选择，如图4所示。两种方案中：方案一力学结构优于方案二，并且在热炉试验中方案二发生了较大尺寸的下垂变形，因此最终的设计选择了方案一。
图4 轴承内圈单层托架支臂示意
中心环的主要作用是保持多层码垛的稳固性和承重。最初设计中心环时出于降低工装自重的考虑，根据中心导向立柱外径115mm确定：中心环内径130mm、壁厚20mm，如图5a所示。在方案论证过程中，图5a方案有两个弊端：第一，中心环横截面积太小，多层码垛自身稳定性不好，发生歪斜时中心立柱将承受巨大的侧向负荷，高温状态下会加大中心导向立柱的弯曲变形，甚至发生倾倒。第二，托架支臂实际属于一种单悬臂受力结构，负荷在悬臂的远端，这样悬臂越长，同等负荷下下压力矩会越大，从而高温状态下的下垂变形也会越大。因此，决定中心环内径加大到210mm，壁厚仍为20mm，如图5b所示。据此，轴承内圈单层托架的初步设计方案确定为：中心环内径210mm、壁厚20mm；托架支臂形式选择图4a方案；为减轻自重中心环侧壁开6个减重孔，这主要是因为2个托架支臂之间由于中心环圆周弧长过长，所以减重孔开成2个，中间保留一个支撑肋。设计方案试装成品如图5c所示。
图5 轴承内圈单层托架中心环方案演变示意
图5c方案在热炉试装期间发现两个问题：①支撑肋发生了较大的变形，如图5d所示。②中心环内径过大，稳定性比较好，但一旦发生歪斜，中心环保持稳定作用不明显。针对上述两个实际出现的问题，对图5c方案结构进行了改进：将中心环的3个不带托架支臂的支撑肋改为T形结构，向中心方向凸出30mm高的肋条，肋条沿纵轴方向设计为圆弧。该方案的改进依据是：1）支撑肋高温下变形较大主要是肋的强度不足，以及沿径向肋横截面形状为简单矩形，弯、扭变形抗性较差，最终变形主要发生在3个不带托架支臂的支撑肋上，变形主要表现为外鼓和扭倾。为了在加强肋条的同时，尽量减轻肋条增重的影响，考虑将支撑肋的横截面形状改为T形截面，这样可以使较小的截面获得较好的支撑效果。2）主要对3个不带托架支臂的支撑肋进行加强。如图5c、图5e所示，带托架支臂的支撑肋实际是一个三角稳定结构，沿轴向传递的压力一部分由纵向肋所承担，另一部分由交叉于一点的托架支臂承担，其承载力远高于托架支臂的支撑肋。实际试装中，3个带托架支臂的支撑肋也确实产少产生变形。3）3个不带托架支臂的支撑肋改为T形结构，向中心方向凸出30mm高的肋条后，最小内径由210mm减小至150mm，而中心导向立柱外径115mm，单边间隙缩小至20mm以下，中心环沿径向窜动的尺度大为减小，从而提高了中心环沿径向的稳定效果。4）加强肋沿轴向设计成圆弧形，扩大了中心环的入口尺寸，提高了中心环与中心导向立柱的导向性，方便了现场装料。横截面尺寸的缩减主要发生在中心环的端环部位，既不影响轴向强度，还有一定的减重效果。最终的设计如图5e、图5f所示，三维效果如图5g所示，最底层托架采用平面坐底设计，如图5h所示。
如图6所示，轴承外圈总高93.9mm，考虑到渗碳温度下托架的膨胀量和长期使用工装的变形，码垛层之间必需预留一定的变形空间，但该尺寸不宜大，否则会影响码垛层数。综合考虑后确定中心托架的总高控制在135mm，这样两个轴承圈之间有41.1mm的间隙，轴承圈与托架支壁的最小间隙还有约8mm，从而保证了码垛安全。
图6 轴承外圈码垛示意
轴承外圈托架整体设计思路与内圈托架基本一致。据此，轴承外圈单层托架的设计方案确定为：中心环内径210mm、壁厚20mm；托架支臂形式采用矩形框架方案。长边中心增加一根加强肋，防止高温下长边塌缩，同时还可提高抗弯性；为减轻自重，在中心环侧壁开6个减重孔，2个托架支臂之间因为中心环圆周弧长过长，所以减重孔开成2个，中间保留1个支撑肋。将中心环的3个不带托架支臂的支撑肋改为T形结构，向中心方向凸出30mm高的肋条，肋条沿纵轴方向设计为圆弧。向中心方向凸出30mm高的肋条后，最小内径由210mm减小至150mm，而中心导向立柱外径115mm，单边间隙缩小至20mm以下，中心环沿径向窜动的尺度大为减小，从而提高了中心环沿径向的稳定效果。而加强肋沿轴向设计成圆弧形，扩大了中心环的入口尺寸，提高了中心环与中心导向立柱的对中性，方便了现场装料。横截面尺寸的缩减主要发生在中心环的端环部位，既不影响轴向强度，还有一定的减重效果。最终设计的三维效果如图7a所示，最底层托架采用平面座底设计如图7b所示。
图7 轴承外圈单层托架示意
三、整体装炉方案设计
在单个轴承圈工装设计方案确定以后，具体装炉需结合每种炉型的实际有效区尺寸具体设计。设计原则是：充分发挥最大炉容，以提高效率；同时要控制总重，不能超过吊具负载限额。现以我单位450kW井式气体渗碳炉装炉方案的设计作一简要介绍。前已述及，450kW井式气体渗碳炉实际装料应控制在φ2100×3400mm圆柱体积内。水平直径内，经过计算，圆周方向轴承内外圈间隔摆放，可摆放6只。中间圆心处如摆放轴承外圈，与圆周摆放的3个外圈最小间隔仅剩13mm，如用于渗碳过程，结合来料配装，轴承在外圈比例较高时，可以在中间圆心处摆放轴承外圈；如用于渗碳后的淬火过程，考虑每只轴承圈周边温度场的均匀性，建议在中间圆心处摆放轴承内圈。平面摆放布置方案如图8a所示，最大外圆直径2040mm，没有超出φ2100mm的最大限制。平面摆放布置方案的三维效果如图8b所示。
图8 轴承圈混合装炉平面布置方案
垂直方向总高限制在3400mm。由于450kW井式气体渗碳炉炉型构造的原因，有效加热区对渗碳工件在炉膛内摆放的位置有一定的限制；料架全载负荷接近10t，要求料架底座在渗碳温度930℃下仍要保持一定的刚度。综合考虑上述因素，料架底座全高定为330mm，料架立柱顶端尚需预留吊装高度，因此工件有效摆放总高限制在2500mm。前已述及，为保证高层码垛时的稳定性，每串码垛中心设一中心导向立柱，采用φ115mm、壁厚20mm的Q235厚壁管制造。这根中心导向立柱长达2500mm，长径比接近22，在实际热处理过程中产生严重的挠曲变形是毫无疑问的。为了解决这一问题，必须结合高度方向工件摆放问题综合考虑。由于采用单层托架多层码垛的装炉方案，热处理过程中零件不承压，处于自由摆放状态，托架高度是高于零件高度的，因此计算码垛层高时可直接依据托架高度计算。设计完成的轴承内圈托架总高255mm，最底层平面坐底托架总高137.5mm；轴承外圈托架总高135mm，最底层平面底座托架总高77.5mm。据此计算，工件有效摆放总高2500mm范围内，总计可以码垛轴承内圈托架9层或轴承外圈托架18层。综合考虑，如果9层轴承内圈托架或18层轴承外圈托架分划成三大层，每一个大层连同装载的工件总高如图9所示。
图9 轴承圈大层工件总高示意
依据这一模式，高达2500mm的中心导向立柱也可以分成三段，每段800mm左右，长径比降至7，加上中心导向立柱采用管状结构，反复使用过程中的变形问题得到极大缓解。据此思路，在有效摆放总高2500mm范围内，底层立柱直接焊在料架底座上，外露总高限制在800mm，上面两层采用托盘连接结构。托盘的结构如图10所示。采用一个大的底托作为承载平台，6根中心立柱焊在对应的位置，底托下部对应位置焊有一个限制下一级中心导向立柱自由变形的定位环，其作用方式如图10中局部放大的小图所示。
图10 轴承圈大层托盘的结构示意
关于图9的说明中已提及，每一个码垛层中轴承内圈和轴承外圈的码垛高度是有差异的。为了弥补不同码垛高度的差异，又设计了两种托架高度补偿座。针对轴承内圈和轴承外圈的码垛高度差异，垫上补偿座后，轴承内圈和轴承外圈的码垛高度平面追平至810mm，高于中心导向立柱高度10mm。同时，补偿座外圈的下沿分别高于最上层轴承内圈和轴承外圈的最大高度10mm和50mm，其作用方式如图11所示。
图11中画圈位置即为高度补偿座，图11a展示了高度补偿座与其他的工装轴向相对位置；图11b展示了高度补偿座安装位置，图中画圈位置还同步展示了限制中心导向立柱自由变形的定位环与中心导向立柱的相对位置关系，以及中心导向立柱与上层托盘的相对位置关系，还展示了两层托盘之间的相对位置关系；图11c展示了两种高度补偿座的基本形貌。上层托架摆放时，圆周方向可以提供6个支点，加上料架中心柱的支点，同一平面内可以提供7个支点平衡载荷。沿中心立柱轴向，所有载荷均对应在各自的中心轴线上，且载荷均由轴承内圈托架和轴承外圈托架的中心环承担，最终载荷全部传递至料架底座承担，待处理工件和中心导向立柱均不承压，且在高温状态时有足够的线膨胀空间。
四、全负荷实装样例
本套热处理工装可以自由组成多种装炉方式，适应不同炉型，由于篇幅所限，不再逐一列举。现仅以我单位450kW井式气体渗碳炉为例作一简要说明。本例以图12平面摆放方案为基准，水平基准圆内可布内圈4支、外圈3支；总炉容内可容纳内圈36支、外圈54支；工装总重4.613t，加上所处理工件，全料架总重9.294t。真实的全料架总重与这一理论计算全重误差在200kg以内，考虑到这一范例是由将近300个各种工装及工件搭配组成的，制造误差是实际存在的，本范例的实装结果达到了为生产实践提供合理决策依据的目标。
五、结束语
该套轴承内外圈的工装在设计阶段采用了计算机辅助设计。前期的方案论证、托架设计、料架设计、各类预改进等工作都采用3D方法在计算机辅助下进行了充分的讨论，然后才形成设计方案提交加工。该套工装目前已使用近6年，处理数千套轴承内外圈；另外，由于设计合理，工装材质没有使用价格昂贵的耐热钢，而是采用普通20钢由铸造厂家生产；使用多年后，报废原因基本只是烧损，制造成本的经济性也十分明显。图13展示了托架使用多年后的烧蚀情况，可以看到并没有发生明显的开裂、塌缩现象。
图13 多次使用后的轴承圈托架
实践证明，整套工装方案设计合理，并已经产生了明显的经济效益，在热处理工装、夹具的设计过程中，引入3D的计算机辅助设计方法是十分有价值的。
参考文献：
[1] 成大先.机械设计手册[M].北京：化学工业出版社，2004：18-140.
作者：刘志强、汪军、郭敬强，郑州机械研究所有限公司
张太超，中原工学院
来源：《金属加工（热加工）》杂志2020年第9期70-74页
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