精研大尺寸鋼球時(shí)表面燒傷的控制

張武虎，那 卓

(沈陽鋼球有限責(zé)任公司，沈陽 110128)

鋼球表面燒傷是鋼球在研磨加工過程中因撞擊、摩擦而使其表面產(chǎn)生瞬時(shí)溫升，發(fā)生熱變質(zhì)的現(xiàn)象。研究表明，鋼球的表面瞬時(shí)溫升達(dá)到一定溫度后，其表面的基體組織馬氏體改變?yōu)辄c(diǎn)狀、片狀或線狀的屈氏體或二次淬火馬氏體組織，使區(qū)域內(nèi)原有的硬度降低2～4 HRC,接觸疲勞強(qiáng)度顯著下降，使用壽命降低約16%[1]。JB/T 10336—2002《滾動(dòng)軸承及其零件 補(bǔ)充技術(shù)要求》中也明確提出“軸承零件工作表面經(jīng)酸洗后不應(yīng)有燒傷”。因此，必須對(duì)鋼球的表面燒傷加以控制。

1 鋼球表面燒傷產(chǎn)生的原因

1.1 點(diǎn)狀燒傷

點(diǎn)狀燒傷是研磨加工中鋼球表面產(chǎn)生的局部、不連續(xù)二次淬火或二次回火燒傷。產(chǎn)生點(diǎn)狀燒傷的主要原因有：

(1)進(jìn)球的工裝分配器松動(dòng)，錯(cuò)位鋼球進(jìn)入磨板前瞬時(shí)停頓被轉(zhuǎn)板撞擊。

(2)磨板的硬度不均勻，鋼球滾動(dòng)至特硬質(zhì)點(diǎn)時(shí)產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)。

(3)磨板的工作表面有鑄造缺陷(如砂眼、氣孔、縮孔等)，當(dāng)鋼球運(yùn)動(dòng)至缺陷處時(shí)與之刮擦產(chǎn)生局部溫升。

(4)當(dāng)磨板轉(zhuǎn)速過高時(shí)輸料盤轉(zhuǎn)速與之不匹配，鋼球在進(jìn)球口處斷流，恢復(fù)進(jìn)球后首粒鋼球在喇叭口處受到轉(zhuǎn)板的瞬間沖擊。

(5)磨床的旋轉(zhuǎn)精度不合格，尤其是轉(zhuǎn)板和定板的同軸度嚴(yán)重不合格時(shí)，鋼球在磨板溝槽內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，由于磨板的嚴(yán)重?cái)[動(dòng)而使鋼球受到?jīng)_擊。

1.2 線狀燒傷

線狀燒傷是鋼球研磨加工中面臨的最棘手的表面質(zhì)量難題。其形成原因是多方面的，主要原因是在研磨加工中鋼球之間的連體滾動(dòng)摩擦和鋼球在磨板溝槽內(nèi)與溝槽壁之間的無自轉(zhuǎn)滑動(dòng)。采用臥式磨床大循環(huán)方法研磨大尺寸鋼球時(shí)，可能產(chǎn)生線狀燒傷的主要原因有:

(1)磨板的轉(zhuǎn)速和壓力選擇設(shè)定不恰當(dāng)。

(2)磨板的硬度選擇過高或過低,或者磨板的工作面有鑄造缺陷。

(3)研磨定板喇叭口的長短、深淺以及磨板溝槽深度與鋼球直徑的比例選擇不當(dāng)；溝槽間距設(shè)計(jì)不合理。

(4)輸料盤的轉(zhuǎn)速調(diào)整不適當(dāng)，各溝槽的進(jìn)球數(shù)量不均勻。

(5)磨板溝槽的圓弧曲率與鋼球的球面曲率吻合度差。

(6)出球口處收球刀板的角度選擇不當(dāng)，出球不暢。

2 精研大尺寸鋼球時(shí)表面燒傷的控制

采用臥式專用磨床加工鋼球，鋼球規(guī)格為：Φ38.10～50.80 mm；研磨劑為：水性精研劑+氧化鉻；研磨工具為鑄鐵盤。

2.1 精研板硬度的影響及確定

精研板的硬度及同一表面硬度差是直接影響鋼球與磨板接觸變形、與溝槽輪廓度和溝槽深度相關(guān)的關(guān)鍵因素[2]。精研板的基體組織鐵素體要致密均勻，無硬質(zhì)相存在，石墨的分布亦應(yīng)均勻而細(xì)小，才能有效避免鋼球在精研板溝槽內(nèi)的接觸弧處產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，在不同溝槽內(nèi)的各個(gè)區(qū)段得到均勻有效的微量研磨，從而獲得理想的幾何精度和表面質(zhì)量。經(jīng)過對(duì)不同硬度精研板的試驗(yàn)，其最佳硬度確定為(150±5)HB；同一表面上的硬度差不得超過6 HB。

2.2 工作壓力和磨板轉(zhuǎn)速的影響及確定

加工不同規(guī)格的鋼球，選擇的工作壓力略有不同。壓力過大，鋼球和溝槽接觸的彈性變形就越大，接觸弧也就越長，鋼球在溝槽內(nèi)滾動(dòng)的阻力矩就會(huì)加大，也就增加了鋼球與溝槽間的無自轉(zhuǎn)滑動(dòng)的可能。壓力過小，鋼球在溝槽內(nèi)滾動(dòng)的阻力矩就小，約束力不足。尤其精研大規(guī)格鋼球時(shí)，因其自身的質(zhì)量大，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，鋼球容易脫離束縛，產(chǎn)生連體滾動(dòng)，出現(xiàn)燒傷。

精研板轉(zhuǎn)速過高時(shí)，若進(jìn)球速度慢，可能會(huì)產(chǎn)生斷流，當(dāng)鋼球再次進(jìn)入溝槽時(shí)受動(dòng)板的沖擊，形成燒傷。精研板轉(zhuǎn)速高就要求料盤的轉(zhuǎn)速快，進(jìn)球速度快，但也可能使進(jìn)入定板喇叭口的鋼球產(chǎn)生彈跳和撞擊，形成燒傷。精研板轉(zhuǎn)速過低時(shí)，鋼球在進(jìn)球口處堆積，連續(xù)無間隔地進(jìn)入溝槽后形成連體滾動(dòng)，也會(huì)產(chǎn)生燒傷。

經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，得出在精研工序避免鋼球表面燒傷的最佳工作壓力和轉(zhuǎn)速以及壓力、轉(zhuǎn)速和產(chǎn)生燒傷幾率的關(guān)系，如表1所示。

表1 最佳的精研工藝參數(shù)

2.3 磨板溝槽深度的影響及確定

精研磨板圓弧形溝槽的深度及其精度影響鋼球的加工精度[2]。精研板圓弧形溝槽的弧形曲率和被加工鋼球球面曲率的吻合度和不同溝槽間的深度差以及同溝槽不同區(qū)段的深度差，是決定精研成品鋼球幾何精度和表面質(zhì)量的關(guān)鍵所在。精研加工中鋼球是在動(dòng)板溝槽的驅(qū)動(dòng)和約束下，沿溝槽曲面的中心線進(jìn)行公轉(zhuǎn)和繞自身球心進(jìn)行自轉(zhuǎn)的復(fù)合運(yùn)動(dòng)。圓弧形溝槽被滾壓修整得不充分，深度不夠時(shí)，鋼球和溝槽的接觸弧較短，而由于自身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，鋼球在溝槽內(nèi)的滾動(dòng)容易失去約束，與板溝之間產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，造成表面燒傷。

精研板超期使用沒有及時(shí)車削修正，溝槽過深時(shí)，鋼球與溝槽的接觸包容弧就會(huì)越長，形成的摩擦阻力矩也就越大，鋼球在溝槽內(nèi)的自轉(zhuǎn)速率會(huì)減緩，這對(duì)改善鋼球的球形誤差極為不利。當(dāng)溝槽達(dá)到一定深度時(shí)，會(huì)出現(xiàn)使鋼球沿溝槽自轉(zhuǎn)的推動(dòng)力矩小于摩擦阻力矩，從而產(chǎn)生鋼球與溝槽之間的無自轉(zhuǎn)滑動(dòng)，出現(xiàn)鋼球之間的連體滾動(dòng)擠壓，造成燒傷。

實(shí)踐證明，定板的起始溝深一般為動(dòng)板起始溝深的1/2，動(dòng)板、定板弧形溝槽的極限深度一般不超過加工球徑的3/7。確定的溝槽深度如表2所示。

表2 精研板溝槽深度 mm

3 進(jìn)球工裝的改進(jìn)

精研加工中，進(jìn)球口的工裝材質(zhì)和結(jié)構(gòu)形狀決定了各溝槽進(jìn)球數(shù)量、間隔距離是否均衡一致；鋼球進(jìn)入溝槽時(shí)速度的快慢和落點(diǎn)位置是否恰當(dāng)；鋼球入口時(shí)與動(dòng)板溝槽產(chǎn)生彈跳撞擊的程度。采用臥式磨床大循環(huán)方法精研時(shí)，鋼球是從料盤經(jīng)流球板、分配器、喇叭口進(jìn)入圓弧形溝槽的。 流球板、分配器結(jié)構(gòu)如圖1 所示。鋼球通過流球板時(shí)，在傾角的作用下有一個(gè)加速的過程，較快的速度和大的自身質(zhì)量必然導(dǎo)致鋼球在入口處和動(dòng)板接觸的瞬間有較大的沖擊，可能產(chǎn)生燒傷。另外，鋼球經(jīng)分配器進(jìn)入定板喇叭口,若喇叭口的長度、深度和寬度打磨不當(dāng),鋼球可能會(huì)在此處瞬間停滯，原地旋轉(zhuǎn)而造成燒傷。

圖1 分配器、流球板結(jié)構(gòu)示意圖

因此，改變進(jìn)球口分配器的材質(zhì)和流球板的安裝位置，改進(jìn)后的進(jìn)球工裝如圖2所示。改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)能使鋼球以非常平緩的、近乎于自由落體的運(yùn)動(dòng)形式進(jìn)入喇叭口。選用柔性材料制作分配器，并且喇叭口開在分配器柔性材質(zhì)的基體上，而非鑄鐵的定板上。改進(jìn)后分配器結(jié)構(gòu)如圖3所示。改進(jìn)進(jìn)球工裝，采用柔性材質(zhì)分配器后可以避免鋼球在這一關(guān)鍵環(huán)節(jié)產(chǎn)生燒傷。

圖2 改進(jìn)后的進(jìn)球工裝示意圖

圖3 柔性材質(zhì)分配器

4 結(jié)束語

精研大尺寸鋼球時(shí)，選擇合適的精研板硬度、溝槽深度，合理的工作壓力及轉(zhuǎn)速，必要的工裝改進(jìn)能夠有效避免鋼球表面燒傷的發(fā)生。實(shí)踐證明，通過采取以上措施，鋼球精研后表面質(zhì)量滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。