強化研磨加工的仿真及試驗

劉曉初，陳志斌，何銓鵬，黃駿，蕭金瑞

(廣州大學 強化研磨精密加工廣州市重點實驗室，廣州 510006)

軸承套圈在磨削加工過程中，由于磨削熱而不可避免會在其表面產生變質層，而且是拉應力層[1]，且會導致表面層硬度下降，從而降低軸承的疲勞壽命和可靠性。在一般的硬切削中，軸承套圈已加工表面有時也會出現殘余拉應力而且難于主動控制[2-3]。業(yè)已證明，機械零件表面的殘余壓應力狀態(tài)有利于其疲勞壽命和抗化學腐蝕性能的提高[1]。為使套圈表面產生有利于延長軸承壽命的殘余壓應力，可采用表面強化加工技術，主要包括表面覆層、表面改性、表面機械強化以及激光沖擊強化。前2種方法能明顯提高軸承接觸疲勞壽命和耐蝕性，但存在涂層與基體結合力差和成本昂貴等不足。表面機械強化主要包括滾壓與噴丸強化[4]，滾壓能在工件表面層產生殘余壓應力，但易使表面層產生過冷作硬化而變脆，降低工件疲勞壽命；噴丸強化則存在增大表面粗糙度及過冷作硬化的問題。激光沖擊強化可以使零件表面產生殘余壓應力，提高疲勞壽命，但是難以實現在強化的同時完成磨削，且設備較貴。

下文以某深溝球軸承外圈為研究對象，探討強化研磨加工對殘余應力的影響規(guī)律，為軸承產品的加工提供參考。

1 結構及工作原理

強化研磨的整體結構如圖1所示。通過電磁無心夾具實現對工件的夾緊，異步電動機帶動主軸高速旋轉，工件在同步高速旋轉的情況下產生離心效應及周向預應力，借助于離心力實現有利于加工狀況的預應力加工。加工過程中，高壓噴頭將混有高強度鋼球的強化研磨液噴射到工件表面，對表面進行隨機等概率的碰撞，其中鋼球沖擊使其表面層發(fā)生彈塑性變形，引起表面強化層亞晶粒細化，同時對工件表面進行初次磨削；研磨粉在高壓作用下對工件表面進行微切削，并伴隨有強化液的懸浮、冷卻、清洗、潤滑等一系列液固兩相流場的復雜作用，降低表面粗糙度，從而實現對工件表面的強化和研磨。加工完成后，高速旋轉帶來的離心效應及周向預應力消失，基體的彈性回復對工件表層產生壓縮作用,從而使工件表面的殘余應力呈壓應力分布，即可加工出高精度、表面具有殘余壓應力的軸承套圈，延長其疲勞壽命[5]。

1—高壓噴頭;2—前支承;3—后支承;4—套圈圖1 強化研磨示意圖

采用多個工件同時加工的方法可以提高強化研磨加工效率，但仍存在加工成本較高的問題。

2 仿真分析

強化研磨加工過程中，鋼球碰撞工件表面產生彈塑性變形對工件表面的宏觀內應力有很大影響，故考慮碰撞對工件表面的作用效果。選擇6207型深溝球軸承外圈作為強化研磨工件，利用Solidworks軟件建立碰撞有限元模型，分析碰撞區(qū)域一個單元的動態(tài)響應。

2.1 幾何模型的建立

根據文獻[6]可知6207型深溝球軸承外圈的基本尺寸,內徑d=61.6 mm，外徑D=72 mm，寬度B=17 mm。根據生產實際，選用GCr15軸承鋼作為材料本構進行碰撞過程仿真模擬。 GCr15軸承鋼淬、回火后的硬度可以達到60～62 HRC[2]，密度為7 850 kg/m3，彈性模量為217 GPa，泊松比為0.3，屈服極限為1 744 MPa，抗拉強度為2 352 MPa。鋼球形狀假想為理想的球體，直徑為1.0 mm，鋼球至工件被碰撞表面的距離為45 mm，入射角為45°，由此構建三維幾何模型如圖2a所示。

2.2 邊界條件和初始定義

設置套圈的邊界條件為位移/旋轉類型，限制套圈端面沿x,y,z坐標軸方向的位移為0；設置鋼球至軸承表面的接觸速度為50 m/s，入射角為45°，考慮接觸面只是瞬間接觸，對有限元仿真模擬計算影響不大，忽略它們之間的摩擦。

2.3 網格劃分與求解

軸承套圈是目標變形體，處于三維非線性的彈塑性形變狀態(tài)；而鋼球假想為剛體。為了提高計算效率，使用自由網格劃分技術對套圈和鋼球進行網格劃分，其中套圈和鋼球選擇單元類型為顯式線性三維應力四面體單元C3D4，有限元網格劃分結果如圖2b所示。加載后計算收斂，鋼球沖擊后的等效塑性應變云圖如圖2c所示。

(c)等效塑性應變云圖圖2 碰撞分析模型

2.4 仿真模擬結果分析

碰撞模型的von Mises應力云圖如圖3所示，從中可知，軸承表面的應力分布集中于碰撞中心區(qū)域，且最大應力達1 779 MPa，大于套圈強化研磨加工前的屈服極限，故存在塑性變形，可以達到塑性強化的目的。外圈接觸區(qū)域部分形成等勢區(qū)，等勢區(qū)以外則受力影響較小。不同的鋼球沖擊速度可得到不一樣的表面形變效果。根據碰撞中部區(qū)域的應力值，繪制鋼球沖擊速度與工件表面殘余壓應力的關系曲線如圖4所示。可以看出，隨著鋼球沖擊速度的增大，殘余壓應力逐漸增大；在50～160 m/s沖擊速度范圍內，殘余壓應力值從1 779 MPa逐漸增加到2 922 MPa。仿真結果說明，碰撞對套圈表面具有較好的塑性強化作用，可增加工件表面的殘余壓應力。

圖3 von Mises應力云圖

圖4 球沖擊速度與殘余壓應力的關系

3 試驗驗證

3.1 試驗裝置

(1)強化研磨加工試驗采用軸承強化研磨機，主要結構包括：操作系統、空氣壓縮機、壓力表、儲氣罐、電磁無心夾具及其附件。該裝置的噴射壓力為0.3～1 MPa，噴射鋼球直徑為0.3～4 mm，工件轉速為80～200 r/min，每次安裝1個工件。

(2)試件為經過熱處理和精加工后的6207型深溝球軸承外圈(圖5)，材料為高碳鉻淬硬軸承鋼 GCr15，表面粗糙度Ra=0.3 μm。

圖5 軸承套圈

(3)試件表面微觀形貌采用場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM)進行觀察，殘余壓應力采用Rigaku D/MAX-RC型 X 射線衍射儀測量。

3.2 試驗條件

(1)試件個數為5，試件轉速設置為150 r/min，入射角為45°，噴射距離為45 mm，噴射時間為5 min，噴射壓力分別為0.4，0.5,0.6,0.7,0.8 MPa，每次試驗裝夾1個工件。

(2)噴射強化研磨料采用鋼球、研磨粉和強化液混合而成。其中鋼球為2種材料7種尺寸混合使用，以降低表面粗糙度，提高表面完整性，其尺寸及配比見表1；研磨粉采用3種不同型號的棕剛玉按一定配比混合；強化液則采用乙二醇胺溶液、洗潔精和水按一定配比均勻混合，其材料、尺寸及配比見表2。

表1 強化鋼球的尺寸及配比

表2 研磨粉及強化液成分

3.3 試驗結果及分析

試驗結果表明,加工后工件表面粗糙度值增加很小，Ra=0.32～0.50 μm，這主要是因為鋼球和工件表面均存在水介質吸附薄膜，水的體積壓縮系數很小，碰撞過程中吸附膜在鋼球和套圈間類似于液體彈簧，起到了緩沖作用，降低了鋼球對工件的沖擊動能，減輕了磨損。將加工前后的套圈放在場發(fā)射掃描電子顯微鏡下進行觀察，表面顯微結構如圖6所示。從中觀察到，未經強化研磨加工的套圈表面組織呈現出比較規(guī)則的直線紋理結構，這主要是由于制造過程中，軸承套圈是在淬硬狀態(tài)下進行精磨加工形成的；而加工之后，由于鋼球反復多次沖擊工件表面，使表面產生較大的塑性變形，直線紋理消失，工件表面吸收高速運動鋼球的動能后產生塑性流變和加工硬化，使工件表面產生殘余壓應力 。

圖6 強化研磨加工前后套圈表面顯微結構

在強化研磨噴射壓力為0.4～0.8 MPa范圍內，基于X射線衍射法測量軸承套圈外表面的殘余應力值?？紤]軸承外圈接近中心位置一般承受較大的接觸載荷，易產生疲勞裂紋，直接影響軸承的工作性能和疲勞壽命[7]，故將該位置作為套圈殘余應力的測試點。每個套圈表面選6個點進行應力測試，測點沿套圈外表面圓周方向間隔 60°均布。對5個套圈分別進行測試，求出每個套圈表面的平均殘余應力值。根據測量結果繪制出如圖7所示的柱狀圖，由圖可知，套圈經強化研磨加工后，表面殘余壓應力值最高可達2 510 MPa。

圖7 試驗結果

上述結果表明，采用強化研磨加工方法改善軸承套圈表面力學性能在原理和實現策略上均是可行的，驗證了理論分析的正確性。試驗數據還表明，在噴射壓力0.4～0.8 MPa范圍內，殘余壓應力值從530 MPa陡增到2 510 MPa，這主要是因為隨著噴射壓力增大，鋼球沖擊力增大，工件表面在機械力的作用下產生更大的塑性變形，在塑性變形過程中，位錯間相互作用，位錯密度進一步增加，從而使表面殘余壓應力顯著增大。

4 結束語

借助離心力實現強化研磨加工的方法對軸承外圈表面具有較好的塑性強化作用，能產生延長軸承疲勞壽命的表面殘余壓應力，提高軸承使用壽命。通過有限元分析和試驗結果驗證了強化研磨加工方法的可行性和有效性。