文／赵培振，郑世育，郑广会，袁锡铭·山东金帝精密机械科技股份有限公司
通过分析风机主轴轴承保持架在冲压加工过程中材料内部晶体变形特点，探索恢复材料晶体组织初始形态的退火方式。研究冲压保持架加工后的形变，引入再结晶退火工序，减小了保持架的残余应力，改善保持架的时效变形，从而达到使风机主轴轴承保持架的冲压加工尺寸稳定和寿命延长的目的。
随着全球降碳脚步的加快，风电行业迎来了良好的发展契机。2020 年举办的风能大会上签署的《风能北京宣言》中提出了“十四五”期间保证年均新增装机5000 万千瓦以上的发展目标。快速发展的风能行业对风机用轴承保持架有着长期稳定的需求，随着国内相关产业链的发展和调整，风电机组正向着更大容量机型发展。对于大容量风电机组，双支撑单列圆锥滚子轴承与单支撑双列圆锥滚子轴承已经成为直驱、混合和双馈型风电机组传动链的主要轴承选型类型。风电机组主轴轴承类型与功率对比见图1。
图1 风电机组主轴轴承类型与功率对比
当前应用于风电机组主轴轴承的保持架，多为钢锻件机加工制成，由于成本高昂，不符合风电平价化的发展趋势。而冲压工艺加工的特大型圆锥轴承用筐形保持架，由于热轧中厚钢板的各向异性较大，以及拉深过程的加工硬化等因素，保持架内部存在较严重的残余应力。随着应力释放，保持架的尺寸精度也会发生变化，给轴承的高寿命、可靠性等要求带来了较大的挑战。
拉深过程中的变形分析
用于风机主轴轴承的保持架直径多在1 米以上，冲压加工工艺只能采用热轧钢板生产。兼顾原材料的冲压加工性能及保持架的强度，验证过程中所使用材料为SAE 1010，该材料为宝钢依据国际汽车工程师协会标准SAE J403 生产，相当于国标10#钢。SAE 1010 板材的化学成分及力学性能见表1，保持架材料厚度为9.5mm，大端外径为1.2 米。
表1 化学成分及力学性能
在拉深过程中，板材各部位的应力应变状态不一致。在保持架侧壁，材料在径向拉应力及切向压应力的作用下会产生径向伸长和切向压缩变形；
在小端圆角部位，材料承受拉应力，并且受到凸模的压力和弯曲作用，在拉、压应力作用下，这部分的材料变薄较大；
由于产生了较大的塑性变形，引起了冷作硬化，由上向下越接近底部的硬化越小、硬度越低，这也是危险裂纹靠近底部的原因。
冲窗孔后的晶体状态
冲裁是利用模具压力使材料产生分离的过程，因此必然从弹性变形、塑性变形开始，以断裂终止。在塑性变形阶段，凸模和凹模刃口两侧的材料产生塑性剪切，同时两侧铁素体组织产生拉伸变长和弯曲变形，尤其在窗孔4 个R 角区域，铁素体被拉长(图2)，因此窗孔R 角处为应力集中及保持架失效的常见部位。
图2 冲裁后窗孔R 角处铁素体状态
保持架成品切断后宏观变形状态
由于拉深过程中的冷作硬化及冲裁过程中晶体组织局部拉伸变形，保持架内部产生了较严重的残余应力。残余应力将影响保持架的疲劳强度、抗应力作用能力和形状尺寸稳定性。将保持架沿轴向切断，可见保持架由于应力释放产生严重的扭曲变形(图3)。分别测量断口两侧轴向和径向偏差(表2)，从变形形式上看，内部应力使保持架有径向胀大和轴向变形的趋势，这也是造成冲压加工保持架圆度及平面度不良的主要原因。
图3 切断后保持架变形状态
表2 切断后轴向、径向偏差
保持架成品抗拉强度分析
保持架经过拉深、冲孔及压坡等工序之后，会产生较大的冷作硬化现象。为此就保持架各部位的抗拉强度进行了拉拔试验，拉拔部位如图4 所示。
图4 拉拔试验位置
从试验数据(表3)上看，保持架经过冲压加工后的抗拉强度明显增加，位置2 抗拉强度明显高于位置1；
保持架内部不均匀的抗拉强度也会导致保持架内应力分布不均匀，从而产生形变。
表3 保持架拉拔试验数据
再结晶退火工序及参数
在冲压加工过程中，每进行一次冲压都会产生变形，为了能保证再结晶退火后不需要再有冲压工序，将再结晶退火工序设定在压坡工序后。再结晶退火的目的为恢复材料晶体组织原始形态，减少保持架成品的残余应力，因此把再结晶退火的参数设定为加热温度635℃，保温30 分钟，随炉冷却至230℃，出炉空冷至室温；
为了减少退火过程中保持架表面产生过多氧化皮，进行了保护气体退火；
为了进一步提高保持架的表面质量，消除残余应力，最终还采用了表面抛丸处理，不锈钢丸颗粒大小为0.2mm。
再结晶退火后晶体状态
经过再结晶退火后，保持架内部晶体基本恢复至原材料原始晶体状态(图5)，无明显粗大或被拉长的晶体，达到了原设定目标。
图5 再结晶退火后晶体状态
切断后变形状态
将再结晶退火后的保持架沿轴向切断，观察切断之后保持架的变形状态。切断之后保持架径向与轴向都无明显错位现象，断口处开口宽度与锯条的宽度基本等同，无胀大现象(图6)。分别测量断口两侧轴向和径向偏差，无明显差异，偏差值见表4。
图6 切断后无明显错位
表4 退火切断后轴向、径向偏差
从切断后的变形量数据上看，保持架再结晶退火后变形较小，已基本消除了内部残余应力。保证保持架长期使用过程中，不会因残余应力释放影响尺寸的稳定性，达到了采用锻件机加工保持架的同等效果。
退火后抗拉强度
对退火后的保持架做拉拔试验，测试位置和退火前一致，拉拔试验数据见表5。保持架经退火后，减轻了加工硬化问题，通过细化晶粒使得保持架各部位抗拉强度较为均匀，减轻了保持架应力集中现象。
表5 退火后拉拔试验数据
风机主轴轴承用大型圆锥轴承筐形保持架的直径多在一米以上，在冲压加工过程中会产生较严重的残余应力，通过再结晶退火可有效减少残余应力。相较于不进行再结晶退火的保持架，切断之后再结晶退火的保持架轴向偏差减小了约79%，径向偏差缩小了约94%；
保持架内部晶体组织无明显粗大、拉长等现象，已基本恢复至材料原始状态。再结晶退火在风机主轴轴承用保持架中的成功应用，使得冲压加工保持架可替代传统锻件车制加工的保持架，且大幅度降低了保持架的生产成本，产生了巨大的经济效益，同时也可以为风电平价化助一臂之力。