自行车轴承热处理工艺设计.docx
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自行车轴承热处理工艺设计
前言
一、研究的目的及意义
滚动轴承是应用广泛的机械基础件，它的质量直接影响到机械的使用性能。
本论文秉承“优质、高产、低成本”的设计原则，在满足普通自行车轴承材料使用性能的前提下，兼顾经济性和工艺性，并采用对比分析的方法，最终确定最佳材料选择。
随着科学技术的迅速发展，滚动轴承的设计应用理念、制造水平、材料科学也在不断更新与发展，各项滚动轴承的标准也在不断修订与更新。
一般自行车上用的都是挡碗加钢球组合式的轴承,不属于常规轴承，现在高档的自行车都是采用深沟球轴承，为了适应其发展形势，提高滚动轴承的质量，达到精品轴承的制造水平，本论文从普通自行车轴承设计的各个环节来控制其质量，包括其工作环境、受力分析、失效分析，外形结构，以及它的相关标准和技术要求等。
力求使自行车轴承的设计与制造朝着优质、清洁、高效、低耗和安全等方面发展。
本论文所涉及的内容有较强的实用性和可靠性，专业技术应用以先进性、实用性为主，轴承设计内容在多样性、广泛性的同时体现新和应用原则。
从材料的选择到最终热处理方案的确定，都是在查阅大量相关书籍以及分析讨论的基础上，经过反复推敲才最终制定的，对自行车轴承制造与选材都有很强的参考价值和作用，对材料的综合应用有较强的重要性和技术性。
二、自行车轴承的工作环境与失效分析
1、自行车轴承的工作环境
通过收集资料及实际观察，初步确定自行车轴承所选材料为滚动轴承。
滚动轴承是各类机器广泛应用的基础零件，主要作用在于支撑轴颈。
滚动轴承由内套，滚动体（滚珠，滚柱和滚针）及保持架等四部分组成。
滚动轴承在工作时，其内套与轴紧密配合，随轴一起转动，外套固定在轴承套上。
轴在工作时受到扭拒，扭矩作用，装入轴承部分承受着轴的反作用力，及压力的作用。
滚动轴承的内，外套及滚动体都是在交变应力作用下工作的。
滚动体与内，外套及保持架之间还有相对滑动，产生相对摩擦，使轴承磨损。
摩擦表面的温度在工作中将会升高。
2、滚动轴承的受力分析
1）．滚动轴承受力分析
1．滚动轴承在工作时，滚动体（滚珠）和套圈均受周期性交变载荷，在周期载荷作用下，在套圈和滚动体表面都会产生小块金属剥落而产生疲劳损坏。
2．滚动体与滚道之间是点接触，故其承受接触应力和冲击力，接触应力可达3000～3500MPa，循环受力次数可达数万次/min，承载能力和耐冲击能力差。
3．滚动体与套圈的接触面之间发生滚动摩擦，产生的摩擦力，造成轴承过度磨损，使其精度降低。
2）．滚珠受力分析
1．受纯轴向载荷时，各滚动体受力相同。
2．受纯径向载荷时，上半圈滚动体不受力。
3．下半圈各滚动体受力大小方向均不同，由下列公式可以导出：
3、滚动轴承的失效分析
滚动轴承在工作中丧失其规定功能，从而导致故障或不能正常工作的情况称为失效。
轴承失效的因素往往是多因素的，所有设计制造过程的影响都会与轴承的失效有关，分析起来不易判断。
在一般情况下，大致可亿从使用因素和内在因素俩方面考虑和分析。
使用因素主要是指安装调整，使用保养，维护修理是否符合技术要求。
内在因素主要是指结构设计，制造工艺和材料质量等决定轴承质量的三大因素。
轴承失效的形式与负荷大小有关，转速高低等工作条件以及轴承的精度有关。
（1）对承受负荷较大的轴承，主要失效形式是在滚动体，内，外套工作表面上产生麻点剥落，属于接触疲劳失效。
接触疲劳（疲劳磨损）失效
（2）沾附和磨粒磨损失效
（3）断裂失效
（4）塑形变形失效
（5）腐蚀和腐蚀磨损失效为了防止轴承零件和成品在加工、存放和使用过程中被腐蚀生锈，要求轴承钢应具有良好的防锈性能。
（6）游隙变化失效
大多失效原因是由于装配有毛病，密封不良而造成损坏的。
少数失效的原因是由于润滑剂缺失或过量或质量不合格等造成的磨损、胶合、腐蚀和过热等
为使轴承能够正常运转，避免零件表面直接接触，减少轴承内部的磨擦及磨损。
提高轴承性能，延长轴承的使用性能，必须对轴承进行润滑
4、滚动轴承的外形结构图
1——外圈2——内圈3——钢球4——保持
三、滚动轴承的性能要求
1、接触疲劳强度
滚动体在轴承内外圈的滚道间滚动时，接触部分承受周期负荷，轴承在周期负荷的作用下，接触表面很容易发生疲劳破坏，即出现龟裂剥落，开始出现剥落后的轴承噪音、振动要增大，工作温度不断上升，这是轴承的主要损坏形式。
因此，为了提高轴承的使用寿命，轴承钢必须具有很高的接触疲劳强度。
2、耐磨性能
轴承工作时，套圈、滚动体和保持架之间不仅发生滚动摩擦，在滚动体与套圈的滚动接触面、滚动体与保持架兜孔的接触面、滚子端面和套圈挡边的接触面，都会发生滑动摩擦，从而使轴承零件不断地磨损，造成轴承的精度丧失，振动增加。
旋转精度下降，降低轴承寿命。
为了减少轴承零件的磨损，保持轴承精度稳定性，延长使用寿命，轴承钢应有很好的耐磨性能。
3、硬度
硬度是轴承质量的重要质量之一，对接触疲劳强度、耐磨性、弹性极限都有直接的影响。
轴承钢在使用状态下的硬度一般要达到HRC61~65，才能使轴承获得较高的接触疲劳强度和耐磨性能。
4、在大气或润滑油中具有一定的抗蚀性
为了防止轴承零件和成品在加工、存放和使用过程中被腐蚀生锈，要求轴承钢应具有良好的防锈性能。
5、加工性能
轴承零件在生产过程中，要经过许多道冷、热加工工序，为了满足大批量、高效率、高质量的要求，轴承钢应具备良好的加工性能。
例如，冷、热成型性能，切削加工性能，淬透性等。
（1）零件截面力求均匀，以减少过渡区的应力集中及畸变开裂倾向
（2）工件应尽量保持结构与材料成分和组织的对称性，以减少由于冷却不均匀引起的畸变。
必要时可开工艺孔，调整不同部位的冷却速度
（3）工件应尽量避免尖锐棱角、沟槽等，台阶处要有圆角过渡
（4）尽量减少工件上的孔、槽和筋（尤其是深沟、深槽、粗筋）
轴承钢除了上述基本要求外，还应该对刚的组织和化学成分的均匀性，非金属夹杂物的含量和分布、碳化物的分布，以及钢的脱碳程度等都有严格的要求；否则，这些缺陷都会显著降低接触疲劳抗力，缩短轴承的使用寿命。
四、滚动轴承零件材料的选择
（一）钢球的选择
钢球在球轴承中作为滚动体是承受负荷并与轴承的动态性能直接相关的零件。
在工作中，轴承内的每一个钢球都随着轴承保持架的转动而周期的通过轴承的受载区。
因此钢球在工作中承受的是周期性载荷。
在常规载荷下，钢球和滚道间发生接触变形。
钢球表面所承受的循环应力幅值很大，可达1500~5000MPa。
大量实验研究表明，有50%~60%的轴承是由于钢球的这种疲劳损坏而报废，此外，钢球的损坏还有压碎和表面磨损等。
1．钢球的公差和符号
（1）公称直径钢球公称直径用符号Dw表示，根据普通自行车的轴承查表得Dw为6.4700mm
（2）批L批的含义：
制造条件被视为相同，并被认作一整体的一定数量的球。
（3）批平均直径同批中最大的球的平均直径Dwmax与最小直径的平均值Dwmin和的算术平均值称为批平均直径，用符号Dwml表示，表达式为
Dwml=（Dwmmax+Dwmmin）/2
等级
等级适用范围mm
球直径变动量Vdws
球行误差
△sph
表面粗糙度
Ra
3
＜12.7
<0.08µm
<0.08µm
<0.012µm
（4）球的等级球的公差等级是指球的尺寸、形状、表面粗糙度分选差的组合，球的等级根据系列标准得
2.钢球的硬度
为保证钢球具有良好的耐磨性和抗疲劳剥落性以及减小接触变型，要求钢球有一定硬度，根据标准规定：
钢球用GCr15钢制造时，硬度为62~66HRC。
（二）材料的分析
在生产生活中，用作自行车轴承材料的种类很多，从优质、高效、低成本方面考虑，我们选择了GCr15和Cr4Mo4V两种材料进行分析对比。
1、合金元素作用的分析
不同的合金元素如铬、钼、钒等加入到钢中对钢的强度、硬度、塑性等综合力学性能有着不同的影响。
1）Cr能显著改善钢的抗氧化作用，增加钢的抗腐蚀能力，从我国资源考虑应少用铬，铬能显著增加钢的淬透性，但也增加钢的回火脆性倾向，铬使珠光体中碳的浓度及奥氏体中碳的极限浓度减少
2）Mo属于缩小γ相区的元素，钼在钢中存在于固溶体相和碳化物中。
钼在钢中的作用可归纳为提高淬透性，提高剩磁和矫顽力，提高在某些介质中的抗蚀性与防止点蚀倾向等。
3）V是强化铁素体和γ相圈形成元素之一，它和碳，氮，氧都有极强的亲和力，与之形成相应的极为稳定的化合物：
①细化钢的组织和晶粒，提高晶粒粗化温度，从而降低钢的过热敏感性，并提高钢的强度和韧性。
②当在高温熔入奥氏体时，增加钢的淬透性；相反，如以碳化物形态存在时，却将降低钢的淬透性
③增加淬火钢的回火稳定性，并产生二次硬化效应
GCr15与Cr4Mo4V的化学成分如下
钢种
C
Si
Mn
Cr
Mo
V
P
S
GCr15
0.95-1.05
0.15-0.35
0.25-0.45
1.40-1.65
≤0.025
≤0.025
Cr4Mo4V
0.75-0.85
≤0.35
≤0.35
3.75-4.25
4.0-4.5
0.9-1.10
≤0.027
≤0.020
由上述所得，Cr、Mo、V等合金元素的加入在提高钢的强度、硬度、塑性等综合力学性能上都有影响，但Mo、V在影响钢的某些性能上与Cr相似，而且加入合金元素种类越多经济成本越高，故选GCr15较合适。
2、零件材料冷加工工艺分析
钢球的加工工艺应首先满足其成品标准要求，此外还应采用钢球成品的轴承具有尽可能高的寿命、低的噪声、小的摩擦力和大的可靠性。
根据钢球的公称直径5.556~157/32~9/16查表得钢球的主要冷加工工艺为：
冷镦压
光磨（或粗挫、挫削）
软磨
（热处理）初研
精研
清洗防锈
成品包装
成品检验
以GCr15为轴承材料，钢球冷加工工艺主要有：
；冷镦成型、粗挫、挫削
以Cr4Mo4V为轴承材料是，钢球冷加工工艺主要有：
冷镦成型、软磨、初研、精研
3、零件材料热处理工艺分析
（1）GCr15球化退火
淬火
回火
钢球的预备热处理
钢号
工艺名称
工艺要点
硬度（HRC）
GCr15
球化退火
加热温度780~810℃
保温时间3~6h；空冷
大于63
钢球的最终热处理
钢号
淬火
回火
加热温度
冷却介质
硬度（HRC）
回火方式
硬度（HRC）
GCr15
840~850
油
≥63
150~180℃的油炉均热2~5h，空冷
61~65
（2）Cr4Mo4V等温退火淬火回火
Cr4Mo4V作钢球的热处理工艺
工序名称
等温退火
淬火
回火
加热温度和保温时间
冷却
硬度，HB
880~1400℃4~6h
15~30℃/h再以15~30℃/h冷致600℃保温2~5h出炉空冷
HB197~241
1100~1120℃
油冷
500~525℃2h，回火4次
空冷
五、材料的加工工艺经济性对比
1）从使用性能上看GCr15和Cr4Mo4V均可作为普通自行车材料，但从经济上看由于Cr4Mo4V的强度、硬度等大于GCr15，因此在后续处理冷镦压、光磨、精研、研磨等冷加工时要花费更多的成本。
2）热处理方面Cr4Mo4V在各个工序中加热温度都比GCr15高，再者GCr15只需一次低温回火，而Cr4Mo4V却需要四次高温回火，并且人力物力耗需大。
3）Cr4Mo4V一般用于精度较高的零件，故它需要深冷处理和稳定化处
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