磨削加工對(duì)滾動(dòng)軸承套圈工作表面影響與措施

孫　蛟

摘要：本文主要分析磨削加工對(duì)滾動(dòng)軸承工作表面影響，磨削變質(zhì)層形成的機(jī)理，分類及減少或消除滾道表面變質(zhì)層的措施，以確保軸承加工質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：滾動(dòng)軸承；工作表面；變質(zhì)層；形成機(jī)理；措施；砂輪；磨削工藝參數(shù)；磨削液

滾動(dòng)軸承套圈的工作表面主要是內(nèi)外滾道，滾道表面質(zhì)量的好壞直接影響軸承的使用壽命和可靠性，磨削加工是滾動(dòng)軸承零件加工的重要工序，甚至是最后工序，它對(duì)滾動(dòng)軸承工作表面性能影響較大，主要表現(xiàn)在滾道磨削后，易引起滾道表面層幾何形狀、金相組織、物理力學(xué)性能和化學(xué)性能等方面的改變。如磨削后滾道表面金相組織、殘余應(yīng)力、冷作硬化等導(dǎo)致軸承早期失效，影響整機(jī)或工作系統(tǒng)的可靠性。因此磨削加工對(duì)軸承工作表面的質(zhì)量起著重要作用。

磨削加工中，由于磨削力和磨削熱的作用，使?jié)L道表面層組織、力學(xué)性能等與心部基體有很大不同，該表面層稱為磨削變質(zhì)層，本文重點(diǎn)分析磨削加工對(duì)滾道磨后的變質(zhì)層的影響。

1 磨削變質(zhì)層形成的機(jī)理

磨削加工是用高速回轉(zhuǎn)的砂輪，以微小的切削深度進(jìn)行精加工的一種切削加工方法，其最突出的特征是使用砂輪。砂輪是具有大量微細(xì)而形狀不規(guī)則的磨粒切削刃的多刃刀具，每一個(gè)磨粒就相當(dāng)于一個(gè)切削刃，大多磨粒的切削刃為負(fù)前角，因此，磨削力較大。在磨削過程中，滾道表面將受到砂輪的切削力、擠壓和摩擦力的作用。尤其是后兩者的作用，使?jié)L道表面形成方向性很強(qiáng)的塑性變形層和加工硬化層。同時(shí)，由于砂輪的磨削速度非常高，磨粒經(jīng)過磨削區(qū)的時(shí)間極短，砂輪和工件在磨削區(qū)內(nèi)產(chǎn)生大量的磨削熱，由于砂輪的導(dǎo)熱性差，切削液不易進(jìn)入磨削區(qū)，絕大部分熱量傳入工件，使工件表面局部溫度迅速上升，有時(shí)高達(dá)800～1000℃，甚至更高，它必然導(dǎo)致軸承滾道表面金相組織和殘余應(yīng)力發(fā)生變化，造成滾道表面變質(zhì)。尤其對(duì)淬火的軸承鋼套圈磨削加工時(shí)，由于軸承鋼強(qiáng)度高、韌性大，導(dǎo)熱率又低，不易散熱，在工件磨削表面聚集的熱量較多，使磨削溫度升高，更易造成種種表面熱損，所以磨削加工溫度越高，越易使?jié)L道表面產(chǎn)生磨削變質(zhì)層或燒傷。因此磨削加工的變質(zhì)層主要是由磨削力和磨削熱引起的。

2 滾道表面變質(zhì)層分類及特點(diǎn)[1]

2.1 磨削熱造成的變質(zhì)層：

表面氧化層：瞬時(shí)高溫作用下的鋼表面與空氣中的氧作用，形成極薄的鐵氧化物薄層。氧化層厚度與磨削工藝直接相關(guān)，是磨削質(zhì)量的重要標(biāo)志。

非晶態(tài)組織層：磨削區(qū)的瞬時(shí)高溫使工件表面達(dá)到熔融狀態(tài)時(shí)，熔融的金屬分子流又被均勻地涂敷于工作表面，并被基體金屬以極快的速度冷卻，形成了極薄的一層非晶態(tài)組織層。很容易在精密磨削加工中被去除。

高溫回火層：磨削區(qū)的瞬時(shí)高溫可以使?jié)L道表面被加熱到回火溫度以上時(shí)（但沒有達(dá)到奧氏體化相變溫度）滾道表面層將產(chǎn)生與加熱溫度相對(duì)應(yīng)的回火組織轉(zhuǎn)變，加熱溫度愈高，回火組織轉(zhuǎn)變?cè)匠浞?，表面層硬度下降也愈厲害，造成回火燒傷?/p>

二次淬火層：當(dāng)磨削區(qū)的瞬時(shí)高溫將工件表面層加熱到奧氏體化溫度以上時(shí)，該層奧氏體組織在隨后的冷卻過程中，又被重新淬火成馬氏體組織,造成淬火燒傷。

磨削裂紋：二次淬火燒傷將使工件表面層應(yīng)力分布發(fā)生變化。二次淬火區(qū)處于受壓狀態(tài)，其下面的高溫回火區(qū)存在著最大的拉應(yīng)力，這里易發(fā)生磨削裂紋。嚴(yán)重的燒傷會(huì)導(dǎo)致整個(gè)磨削表面出現(xiàn)裂紋，造成工件報(bào)廢。

2.2 磨削力造成的變質(zhì)層：

冷塑性變形層：在磨削過程中，磨粒除切削作用外，還使?jié)L道表面承受擠壓作用，并留下明顯的塑性變形層。這種變形層的變形程度將隨著砂輪磨鈍的程度和磨削進(jìn)給量的增大而增大。

熱塑性變形層：磨削熱形成的瞬時(shí)溫度，使?jié)L道表層一定深度的彈性極限急劇下降，甚至消失。此時(shí)滾道表層在磨削力，特別是擠壓力和摩擦力的作用下，引起的自由伸展，受到基體金屬的限制，表面被壓縮，在表面層造成熱塑性變形。

加工硬化層：由于加工變形引起的滾道表面層局部硬度升高。

3 減少或消除滾道表面變質(zhì)層的措施

要減少或消除滾道表面變質(zhì)層，主要是控制磨削過程中砂輪和工件接觸面的磨削溫度。在生產(chǎn)中影響磨削溫度的主要因素為砂輪、磨削工藝參數(shù)、磨削液等，下面針對(duì)這些因素并結(jié)合生產(chǎn)情況進(jìn)行分析。

3.1 合理選擇砂輪

砂輪對(duì)滾道磨削有重要的影響，砂輪選擇是否合適，是影響磨削質(zhì)量，磨削成本的重要條件，必須正確的選擇砂輪。砂輪的磨料、粒度、硬度、組織、粘結(jié)劑是影響砂輪磨削性能的主要因素，而最重要的為磨料、粒度、硬度。

磨料：磨料是砂輪的主要組成部分，直接擔(dān)負(fù)著切削作用。滾道磨削用的砂輪材料一般為剛玉類磨料，如棕剛玉（A）、白剛玉（WA）、等。根據(jù)加工質(zhì)量，選取不同的磨料，圓錐滾子軸承粗磨滾道常用棕剛玉（A），終磨滾道常用白剛玉（WA）。

粒度：在保證幾何精度和表面粗糙度及磨削效率的前提下，宜選用粗粒度的砂輪。粗磨時(shí)，砂輪粒度要適當(dāng)?shù)拇中?，如果磨粒太?xì)，磨削能力變差，排屑不利，磨削熱增加，磨削變質(zhì)層加厚，燒傷。滾道粗磨可選擇60、70粒度號(hào)。終磨時(shí)由于磨削余量較小，可適當(dāng)選用80、100等粒度號(hào)。

硬度：砂輪的硬度是指砂輪在外力的作用下磨粒脫落的難易程度，它表示固著磨粒的結(jié)合力大小。與粘結(jié)劑、組織等因素有關(guān)。砂輪硬度高，磨削溫度高，由于磨粒不易脫落，磨削過程中磨粒鈍化，摩擦熱將顯著升高，造成表面磨削變質(zhì)層加厚。若砂輪硬度過軟，自銳性差，砂輪消耗大，效率低。因此在現(xiàn)行工藝條件下，滾道磨削一般采用中軟G、K，或采用中硬L、M等砂輪。

在實(shí)際加工中，外圈滾道磨削在MZ2015C機(jī)床上一般采用砂輪為A60K5V、A70K5V、WA80K5V；內(nèi)圈滾道3MZ2116和3MZ215A砂輪采用A60K5V、A70K5V、WA80K5V等。

3.2 合理選擇磨削工藝參數(shù)

對(duì)滾道表面變質(zhì)層影響較大的工藝參數(shù)有：進(jìn)給量、工件和砂輪線速度、磨削深度和電主軸功率等。

進(jìn)給量：磨削進(jìn)給量對(duì)表面變質(zhì)層影響很大。成品軸承表面的磨削變質(zhì)層，主要是粗磨階段形成并一直帶入成品的。因此，要合理地選擇粗磨進(jìn)給量，使其產(chǎn)生的表面磨削變質(zhì)層在精磨加工能夠去除，而精磨進(jìn)給量的選取，也必須依其可能產(chǎn)生的磨削變質(zhì)層能夠在以后的光磨加工中被去除為好，各工序進(jìn)給量可通過試驗(yàn)優(yōu)化確定。磨削時(shí)必須保證光磨時(shí)間，適當(dāng)?shù)墓饽r(shí)間對(duì)保證軸承滾道表面精度、粗糙度和控制表面變質(zhì)層都非常重要。

工件和砂輪線速度：如果砂輪線速度過高、工件速度過低都將造成磨削溫度的增加，所以必須合理選擇砂輪和工件線速度。

磨削深度：磨削深度增大，磨粒所受阻力增大，同時(shí)磨粒與工件表面摩擦加劇，磨削熱增加，容易燒傷工件，必須合理選擇磨削深度，合理分配磨削余量。

電主軸功率：要合理選擇砂輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)功率，否則將造成大批工件表面嚴(yán)重的磨削燒傷。若電動(dòng)機(jī)功率過小，加工零件尺寸較大，進(jìn)給量沒有相應(yīng)地減小，磨削加工時(shí)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷超載，當(dāng)進(jìn)給時(shí)發(fā)出尖叫聲，主軸速度在切入時(shí)有減慢現(xiàn)象，檢查所加工的軸承套圈表面，95％以上的磨削表面有變質(zhì)層，酸洗檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)大批表面有嚴(yán)重?zé)齻?/p>

3.3 磨削液：

不同的磨削液，其磨削效果差別很大，選擇適宜的磨削液可以提高生產(chǎn)率，減少砂輪的消耗，降低工件表面溫升，降低工件表面粗糙度。一般說來，磨削液應(yīng)以冷卻為主，并應(yīng)大量使用。軸承生產(chǎn)中，主要選用水溶性磨削液，例如69-1乳化油，加適量的添加劑。滾道高速磨削時(shí)采用合成磨削液，如GMY-3磨削液。冷卻時(shí)，磨削液應(yīng)以一定壓力和流量直接澆注在磨削區(qū)，達(dá)到降溫目的，減少表面磨削變質(zhì)層。

結(jié)束語

本文分析了磨削加工對(duì)滾動(dòng)軸承工作表面的影響與措施，特別是對(duì)磨削變質(zhì)層的影響，使我們?cè)诂F(xiàn)有的生產(chǎn)條件下，可以通過選擇合理工藝參數(shù)，合理選擇砂輪、磨削液等措施，有效減少或避免變質(zhì)層的形成，消除滾道表面燒傷、裂紋，確保滾道加工表面質(zhì)量，提高滾動(dòng)軸承工作質(zhì)量和使用壽命。

參考文獻(xiàn)

[1] 靳九成趙傳國. 磨削變質(zhì)層及表面改性[M].湖南: 湖南大學(xué)出版社1988.

作者簡(jiǎn)介：孫蛟，1965年1月出生，1988大學(xué)畢業(yè)，大學(xué)學(xué)士學(xué)位，高級(jí)工程師，原從事圓錐滾子軸承加工工作?，F(xiàn)在煙臺(tái)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院從事《機(jī)械加工工藝與裝備》理論教學(xué)與研究，曾發(fā)表論文《澆鑄式鋼絲繩索具的無損檢測(cè)方法及評(píng)定》。無損檢測(cè)，2004.9