軸承工作表面變質(zhì)層的磨削工藝因素分析

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摘要：影響滾道軸承精度、使用壽命的因素有很多，而軸承工作表面的幾何粒度、組織結(jié)構(gòu)對(duì)其影響至關(guān)重要。作為軸承生產(chǎn)的最后環(huán)節(jié)——磨加工，其工藝參數(shù)直接決定著軸承工作表面的質(zhì)量，不恰當(dāng)?shù)墓に噮?shù)會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的工作表面變質(zhì)層及其它缺陷。 

基于上述認(rèn)識(shí)，本文在選定的6206內(nèi)外套圈溝道（工作面）進(jìn)行磨削工藝試驗(yàn)與分析，以期得到理想的砂輪（材質(zhì)、硬度、粒度）、加工方法、冷卻液、磨削進(jìn)給量等工藝參數(shù)，最終減少或避免軸承工作表面的磨削變質(zhì)層。  關(guān)鍵詞：滾動(dòng)軸承  磨削工藝  失效形式  1 滾動(dòng)軸承的結(jié)構(gòu)及失效形式  1.1 滾動(dòng)軸承的結(jié)構(gòu)  滾動(dòng)軸承一般由內(nèi)圈、外圈、滾動(dòng)體（包括鋼球、滾子、滾柱、滾針等）及保持器等四個(gè)重要部分所組成。  近代的研究工作證實(shí)，由于受到冷、熱加工和潤(rùn)滑介質(zhì)等因素的影響，金屬零件表面層的組織結(jié)構(gòu)、物理、化學(xué)性質(zhì)和機(jī)械性能等往往與其心部有很大的不同，稱為表面變質(zhì)層。若變質(zhì)層是由磨削加工引起的，就稱為磨削變質(zhì)層。  1.2 滾動(dòng)軸承的主要失效形式  滾動(dòng)軸承的主要失效形式是疲勞和磨損，而它們又總是發(fā)生在工作表面或表面層，磨削加工是滾動(dòng)軸承零件的主要工序，有時(shí)甚至是最后工序，試驗(yàn)表明，磨削變質(zhì)層對(duì)滾動(dòng)軸承工作表面性能影響極大，而且直接影響并決定軸承的使用壽命。其產(chǎn)生機(jī)理與磨削熱傳入工件表面造成的局部瞬時(shí)高溫及磨削力有關(guān)。  2 軸承滾道磨削變質(zhì)層  參照英國(guó)摩擦學(xué)會(huì)j•halling提出的金屬精密磨削表面結(jié)構(gòu)模型及形成原因，軸承磨削變質(zhì)層可形成以下幾種：  2.1 磨削熱所形成的變質(zhì)層  磨削熱所形成的變質(zhì)層，即表面熱損傷，包括：  ①表面氧化層（20-30nm），在磨削熱的瞬時(shí)高溫作用下，剛的表面發(fā)生氧化作用產(chǎn)生的氧化層。  ②畢氏層（-10nm），磨削區(qū)的瞬時(shí)高溫使工作表面達(dá)到熔融狀態(tài)時(shí)，熔融金屬分子流涂敷在基體上形成的組織層。  ③高溫回火層（10-100微米），磨削區(qū)的瞬時(shí)高溫可使表面一定深度（10-100微米）內(nèi)被加熱到回火溫度以上時(shí)，該表層組織將發(fā)生相應(yīng)溫度的回火組織轉(zhuǎn)變，硬度隨之降低。  ④次淬火層，當(dāng)磨削區(qū)的瞬時(shí)高溫將工件表面加熱到奧體化溫度（ac1）以上時(shí)，在隨后的冷卻中又重新淬火為馬氏體組織，時(shí)常伴有淬火裂紋，其次表面必定是硬度極低的高溫回火層。  ⑤磨削裂紋：工件表面因磨削或表層相變產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力若大于該材料的強(qiáng)度而發(fā)生龜裂，表現(xiàn)為細(xì)網(wǎng)狀、放射狀或與磨削方向垂直的細(xì)微裂紋。屬宏觀熱損傷。  其中③④即通常所說(shuō)的磨削燒傷或變質(zhì)層，屬微觀熱損傷。小野浩二等在研究了磨削燒傷的發(fā)生條件之后，提出磨削燒傷一般在以下條件下發(fā)生：  vl=■≥cb       （1）  式中：cb——由材料和砂輪種類決定的常數(shù)。  l——接觸弧長(zhǎng)；t——砂輪深切。  d——工件直徑；d——砂輪直徑。  v——砂輪速度。  公式說(shuō)明砂輪速度和接觸弧長(zhǎng)的乘積達(dá)到一定值以上就發(fā)生磨削燒傷。砂輪粒度越細(xì)，硬度越高，cb常數(shù)就越小。所謂cb值越小就是不發(fā)生燒傷的條件范圍小，容易燒傷。因此，為防止磨削燒傷，選擇砂輪的粒度要適當(dāng)?shù)拇?，硬度要適當(dāng)?shù)牡?，砂輪速度和接觸弧長(zhǎng)都不要過(guò)大。由工件材料決定的cb值見(jiàn)下表：  軸承工件表面除上述變質(zhì)層外，還可能殘留有因鍛造和熱處理等熱加工形成的表面貧碳軟化層。  磨削加工變質(zhì)層中以磨削高溫回火軟化變質(zhì)層為最常見(jiàn)，其厚度隨磨削加工條件而變化，列表如下：  2.2 磨削力所造成的變質(zhì)層  ①冷塑性變質(zhì)層②熱塑性變質(zhì)層③加工硬化層。  造成磨削變質(zhì)層的決定性影響因素是磨削工藝及其諸影響因素。本文的主要側(cè)重點(diǎn)在于選擇6206滾動(dòng)軸承進(jìn)行磨削工藝試驗(yàn)，并通過(guò)比對(duì)分析，剖析磨削工藝諸因素對(duì)軸承工作表面磨削變質(zhì)層的影響，優(yōu)化磨削工藝，減少或消除表面變質(zhì)層。  3 磨削加工及其工藝因素  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工具。因此，磨削作用可以看成是大量磨粒切削刃群的切削作用的聚集。磨削速度即砂輪的圓周速度非常大，一般為切削速度的10-50倍。所以加工溫度高，加工面容易燒傷或產(chǎn)生磨削表面變質(zhì)層。  3.1 磨削溫度  磨削溫度的影響因素主要有砂輪特性、砂輪速度、砂輪深度，工件速度和工件材料特性等，淬回火鋼在磨削時(shí)，在磨粒經(jīng)過(guò)磨削區(qū)的一瞬間（0.001s）溫度可升至1000°c以上，加工表面就會(huì)引起種種熱損傷，其表面耐磨性、耐腐蝕性和疲勞強(qiáng)度等一系列表面特性都變差。尤其是淬回火后的gg15軸承零件，由于材料強(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多，使磨削溫度升高，更易于造成表面熱損傷。  3.2 工藝因素  包括：①磨削力②砂輪速度③工件速度④磨削寬度⑤砂輪切深。  這些因素將直接影響磨削能量、磨削溫度，進(jìn)而影響工件的工作表面質(zhì)量。  4 磨削工藝試驗(yàn)及其參數(shù)的選擇  磨削工藝試驗(yàn)的目的在于探索各磨削工藝參數(shù)對(duì)磨削表面變質(zhì)層的影響，優(yōu)化工藝條件，達(dá)到盡可能減少甚至消除磨削表面變質(zhì)層的目的，但磨削工藝對(duì)軸承滾道磨削表面質(zhì)量的影響因素是相當(dāng)復(fù)雜的，諸如砂輪的材質(zhì)、粒度、硬度、切削性能，冷卻液的種類、冷卻能力，工件轉(zhuǎn)速，磨削進(jìn)給速度以及砂輪的修整質(zhì)量等都直接影響工件表面的磨削質(zhì)量，因此，最佳磨削工藝參數(shù)的試驗(yàn)及選擇是件復(fù)雜而細(xì)致的工作，為此，我們磨加工試驗(yàn)小組利用正交試驗(yàn)法進(jìn)行了為期半年的試驗(yàn)工作，試件選用量大面廣的6206單列向心軸承內(nèi)外圈，試驗(yàn)后委托洛軸所對(duì)試件工作表面質(zhì)量進(jìn)行分析。  4.1 磨削工藝試驗(yàn)的參數(shù)選擇  以控制磨削變質(zhì)層為目的的磨削工藝試驗(yàn)，其實(shí)質(zhì)就是控制磨削加工過(guò)程中砂輪和工件的接觸面溫度。根據(jù)磨削理論分析和推算，可以從砂輪、磨削液和工藝參數(shù)這三大因素的最佳選擇來(lái)考慮。  4.1.1 砂輪的選擇  砂輪的性能對(duì)于磨削效果有至關(guān)重要的影響。在實(shí)際磨削加工中，首先要選擇好砂輪。磨粒、粘結(jié)劑、氣孔是砂輪構(gòu)成的三要素，它們的性質(zhì)能使砂輪性能發(fā)生大幅度變化。尤其是砂輪的磨料、粒度、硬度、組織和粘結(jié)劑，是關(guān)系到砂輪磨削性能的五大因素。  ①磨粒的種類和性質(zhì)  在砂輪上，磨粒起著形成切削刃切除材料的作用。對(duì)磨粒的要求主要是：  a硬度高，容易切入工件材料；b有適當(dāng)?shù)钠扑樾裕軌蜃躺h利的切削刃；c高溫下的化學(xué)穩(wěn)定性和耐磨性要好。  對(duì)于強(qiáng)度高、韌性好的軸承鋼而言，主要適于選用氧化物系或者碳化物系的立方碳化硅等磨料。詳見(jiàn)表3。  ②砂輪的粒度和硬度  在論及公式（1）時(shí)已經(jīng)談到，為防止淬火軸承鋼磨削燒傷，選擇砂輪的粒度應(yīng)適當(dāng)?shù)拇?，硬度要適當(dāng)?shù)牡?。這是因?yàn)槟ハ鳠崤c砂輪表面上磨料的集合形狀、銳利程度和單位時(shí)間參加磨削的磨粒數(shù)有關(guān)。磨料太細(xì)，磨削能力變差，排屑不利，磨削熱增加，易造成工件表面磨削變質(zhì)層加厚，熱損傷增加。因此在保證幾何精度和表面粗糙度要求的前提下，宜選用粗粒度的磨料，這樣對(duì)表面層磨削質(zhì)量有利。  軸承鋼零件磨削加工在現(xiàn)行工藝條件下，經(jīng)常選用的砂輪硬度為zr。  4.1.2 磨削液的選擇  磨削過(guò)程中，磨削液的主要作用是：  ①減少磨拉、粘合劑和切屑、加工表面之間的摩擦，起潤(rùn)滑作用。  ②降低磨削溫度及工作溫度，起直接冷卻的作用。  ③排除切屑，保護(hù)加工表面。  ④有工件防銹作用。  ⑤此外還有提高砂輪壽命和磨削效率，降低功率消耗，達(dá)到改善磨削質(zhì)量等作用。因此要求磨削液有潤(rùn)滑性、冷卻性、防銹性和浸透性潤(rùn)滑?？梢?jiàn)磨削液的選擇是很重要的。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，提高工件表面光潔度，減少表面磨削變質(zhì)層。  一般來(lái)說(shuō)，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。  4.1.3 磨削工藝參數(shù)的選擇  正確的工藝參數(shù)選擇應(yīng)包括合理的進(jìn)給曲線、電主軸功率、工件線速度和砂輪線速度等。  ①進(jìn)給曲線  進(jìn)給曲線對(duì)表面變質(zhì)層影響很大。所謂合理的進(jìn)給，最主要的是合理控制粗磨、精磨、光磨之間余量分配和進(jìn)給速度，并應(yīng)盡量縮短砂輪無(wú)進(jìn)給時(shí)間、砂輪趨近工件時(shí)間，減少空行程和提高有效磨削時(shí)間。  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)層在精磨加工中能夠去除。完全類似，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。  同時(shí)，保證適當(dāng)?shù)墓饽r(shí)間對(duì)保證軸承滾道表面精度、光潔度、波紋度和控制表面變質(zhì)層都是有益的。  ②電主軸功率  合理的進(jìn)給曲線必須有足夠的砂輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)功率做保證，否則將造成大批工件表面嚴(yán)重的磨削燒傷。  此外，機(jī)床的平穩(wěn)性，工藝系統(tǒng)的剛性、震動(dòng)等對(duì)工件表面質(zhì)量都有影響。  ③砂輪速度和工件速度  據(jù)opity等人的試驗(yàn)結(jié)果，隨著磨削速度的提高，磨削力減少，加工面光潔程度提高，無(wú)火花磨削時(shí)間縮短，從而提高了磨削效率。但根據(jù)公式（1），砂輪速度的提高必將造成磨削溫度的增加，砂輪速度和接觸弧長(zhǎng)的乘積達(dá)到一定值（cb）以上就發(fā)生磨削燒傷。所以砂輪速度的提高對(duì)防止磨削表面變質(zhì)層是不利的。  在高速的情況下，適當(dāng)提高工件轉(zhuǎn)速以減少砂輪和工件的接觸時(shí)間及接觸區(qū)溫度，對(duì)改善表面磨削質(zhì)量和提高精度是有利的。  4.2 磨削工藝試驗(yàn)  4.2.1 外套圈滾道的磨削（內(nèi)圓磨）  試驗(yàn)在3mz 1410磨床上進(jìn)行，工藝方案確定采用切入磨，粗精一遍磨削。  ①試驗(yàn)條件的選擇：  a電主軸：采用洛陽(yáng)軸承研究所產(chǎn)生的dz36—30電主軸，振動(dòng)值小，磨削精度較高。轉(zhuǎn)速采用3萬(wàn)轉(zhuǎn)/分，磨削速度提高到55米/秒。  b無(wú)心夾具：前支承改為圓弧浮動(dòng)支撐，提高了溝磨的幾何精度。  ②磨削工藝參數(shù)的選擇：  根據(jù)6206軸承外套圈的現(xiàn)行生產(chǎn)工藝，試驗(yàn)選定七個(gè)因素各三個(gè)水平進(jìn)行正交試驗(yàn)(見(jiàn)表4)  測(cè)試試樣及其補(bǔ)充試樣的選取和試驗(yàn)條件見(jiàn)表5和表6  4.2.2 內(nèi)套圈滾道的磨削（外圓磨）  工藝方案中確定內(nèi)滾道仍用切入磨，粗精一遍磨削。試驗(yàn)在3m137磨床上進(jìn)行。該機(jī)床為精密內(nèi)溝磨床，工藝系統(tǒng)的剛性較差，允許最大進(jìn)給速度0.9mm/min，對(duì)粗精一次磨削不完全適合。為提高磨削質(zhì)量，我們?cè)跈C(jī)床上做了一些改進(jìn)：  ①改進(jìn)固定砂輪的法蘭盤，以便于進(jìn)行整機(jī)平衡，降低了因砂輪不平衡引起的振動(dòng)。②改進(jìn)無(wú)心夾具，設(shè)計(jì)制造了圓弧整體支承，減少了誤差復(fù)映。③提高磨削速度。該機(jī)床砂輪轉(zhuǎn)速為2100r/min，磨削速度為33m/s。為提高磨削能力實(shí)現(xiàn)高磨速，修改了皮帶輪尺寸，砂輪轉(zhuǎn)速提高到3120r/min，磨削速度為49m/s。  為選擇好的磨削工藝參數(shù)，選定以四個(gè)因素各四個(gè)水平進(jìn)行正交試驗(yàn)。見(jiàn)表7  測(cè)試試樣的選取及試驗(yàn)條件見(jiàn)表8。  為了排除熱處理加熱表面脫碳對(duì)試驗(yàn)套圈表面質(zhì)量的影響，磨削工藝試驗(yàn)用的軸承套圈一律采用真空淬火出來(lái)。淬火時(shí)在國(guó)產(chǎn)最新式的zcl-75-13型連續(xù)式真空淬火爐中進(jìn)行的，淬火溫度為840℃，加熱1.5小時(shí)，國(guó)產(chǎn)zz-1真空淬火油中冷卻。低溫回火在160℃恒溫油浴中加熱保溫2小時(shí)。淬回火后的試件，按滾鉻鋼滾動(dòng)軸承零件熱處理質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（jb1255-83）檢驗(yàn)，各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)（包括顯微組織、硬度及硬度均勻性等）均符合標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，經(jīng)表面顯微硬度法和金相分析法測(cè)試，其表面與心部硬度和組織均勻一致，表面質(zhì)量完全符合磨削工藝試驗(yàn)的要求。  5 試驗(yàn)套圈表面的磨削變質(zhì)層分析——顯微硬度分布曲線的測(cè)試  應(yīng)用克努普氏顯微硬度法，選用200克負(fù)荷，在m-tertor型顯微硬度計(jì)上測(cè)量磨削工藝試驗(yàn)的各組6206軸承套圈試件磨削表面的顯微硬度分布曲線，測(cè)試結(jié)果于圖1、圖2中。  從這些測(cè)試結(jié)果中顯然可以看出：  ①在磨削工藝參數(shù)各因素中，砂輪材質(zhì)和制造質(zhì)量對(duì)軸承滾道磨削表面質(zhì)量的影響是顯著的。這與磨削表面形貌分析結(jié)果完全吻合。在磨削工藝試驗(yàn)的各種材質(zhì)砂輪中，以洛陽(yáng)軸承研究所研制的微晶剛玉砂輪磨削效果較好，表面軟化層深度均在40微米以下；而gb砂輪磨削的表面軟化層深度在60微米左右。砂輪的粒度和硬度在試驗(yàn)選定的變化范圍內(nèi)影響不夠明顯。  ②在砂輪材質(zhì)和質(zhì)量相同的條件下，粗磨進(jìn)給量對(duì)磨削表面變質(zhì)層的影響也是呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律性。隨著粗磨進(jìn)給量的增大，其表面磨削變質(zhì)層的厚度也在逐漸增大。在本試驗(yàn)選定的工藝條件下，粗磨進(jìn)給量為1.2mm/min時(shí)往往造成較大的硬度降和較深的磨削表面變質(zhì)層。精磨進(jìn)給量和無(wú)進(jìn)給磨削時(shí)間在本試驗(yàn)中沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性。  ③綜合分析試驗(yàn)結(jié)果可以看出：本試驗(yàn)選試的三種冷卻液相比，h-1高精度磨削液的效果較好。h-1高精度磨削液的效果比69-1防銹乳化油高一倍。由此可知，在軸承套圈生產(chǎn)中，在保持現(xiàn)有生產(chǎn)效率的前提下，提高冷卻液的冷卻效果是減少工件表面磨削變質(zhì)層的有效途徑，也易于為生產(chǎn)單位所接受。  ④外套圈滾道表面的硬度降普遍比內(nèi)套滾道嚴(yán)重得多。這說(shuō)明在軸承套圈滾道磨削加工過(guò)程中，內(nèi)圓磨削加工對(duì)滾道表面變質(zhì)層的影響遠(yuǎn)較外圓磨削加工大得多。內(nèi)圓磨削的砂輪直徑小，接觸弧線廠、散熱慢、冷卻條件差，更易于造成磨削表面的局部瞬時(shí)高溫和高溫回火表面變質(zhì)層。另外，選取各組不同磨削工藝的試件，進(jìn)行滾道表面形貌分析及金相分析，得出了一些與上述分析較一致的結(jié)果  6 影響磨削變質(zhì)層的工藝因素討論  6206單列向心球軸承內(nèi)外套圈工作表面的磨削工藝試驗(yàn)，僅為一例，但其試驗(yàn)方法、參數(shù)選擇、測(cè)試手段、測(cè)試結(jié)果與國(guó)內(nèi)外不同類型軸承的試驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性，因此該試驗(yàn)對(duì)我單位尺寸接近的其他型號(hào)軸承的磨加工藝工具有指導(dǎo)作用。  6.1 影響磨削表面質(zhì)量的主要工藝因素  分析結(jié)果表明，在向心球軸承滾道磨削工藝諸影響因素中，砂輪材質(zhì)、磨削進(jìn)給量和冷卻液的性能是影響軸承套圈溝道表面磨削質(zhì)量的主要工藝因素。例如在向心球軸承試驗(yàn)所選用的三種材質(zhì)的砂輪中，以微晶剛玉砂輪（gw100zr1）的磨削效果最好；在冷卻液的選擇上，以h-1高精度磨削液的效果最好；在磨削進(jìn)給量試驗(yàn)中，粗磨進(jìn)給量的影響最突出，宜選用較小的粗磨進(jìn)給量（0.8mm/min）。這些試驗(yàn)分析結(jié)果可以說(shuō)是滾道軸承套圈滾道表面磨削加工中帶有共性的問(wèn)題。  6.2 主要因素的轉(zhuǎn)換  試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，影響滾道磨削表面質(zhì)量的主要因素在一定條件下是可以轉(zhuǎn)換的。例如：砂輪的修整在一般情況下是作為穩(wěn)定因素來(lái)考慮的，但當(dāng)修整砂輪的金剛石磨損嚴(yán)重時(shí)，必須把砂輪修整情況的變化列為可變化的影響因素之一予以考慮。因?yàn)樯拜喰拚|(zhì)量的下降會(huì)造成工件表面的磨削燒傷。  7 結(jié)束語(yǔ)  試驗(yàn)表明，從現(xiàn)有的試驗(yàn)和生產(chǎn)條件出發(fā)，采取通過(guò)試驗(yàn)優(yōu)化現(xiàn)行磨削工藝，可以減小磨削表面變質(zhì)層，提高磨削表面質(zhì)量，進(jìn)而提高軸承使用壽命，這種措施不需要增加新的精密磨床，因而投資少且收益顯著，在生產(chǎn)上因?yàn)檫x用優(yōu)質(zhì)gw100zr1砂輪及h-1高密度磨削液，生產(chǎn)效率并未降低，不僅軸承工作表面質(zhì)量得到提高，同時(shí)降低了噪聲，精度可達(dá)z1組，使配套主機(jī)的噪聲下降3—5db，受到了用戶的好評(píng)，年銷量增加30萬(wàn)套，年增利潤(rùn)30萬(wàn)元以上。  此項(xiàng)工藝試驗(yàn)結(jié)果在我廠的推廣實(shí)施，不僅提高產(chǎn)品質(zhì)量，同時(shí)激發(fā)了全廠職工的質(zhì)量改進(jìn)積極性。產(chǎn)品質(zhì)量不僅關(guān)乎企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，更關(guān)系整個(gè)社會(huì)效益。  參考文獻(xiàn)：  [1]小野浩二等.《理論切削工學(xué)》現(xiàn)代工學(xué)社出版.  [2]趙傳國(guó)，陳煥中.《磨床與磨削》1986.3.