軸承工作表面變質(zhì)層的磨削工藝因素分析

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)會導(dǎo)致嚴重的工作表面變質(zhì)層及其它缺陷。

基于上述認識，本文在選定的6206內(nèi)外套圈溝道（工作面）進行磨削工藝試驗與分析，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：滾動軸承 磨削工藝 失效形式

1 滾動軸承的結(jié)構(gòu)及失效形式

1.1 滾動軸承的結(jié)構(gòu)

滾動軸承一般由內(nèi)圈、外圈、滾動體（包括鋼球、滾子、滾柱、滾針等）及保持器等四個重要部分所組成。

近代的研究工作證實，由于受到冷、熱加工和潤滑介質(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 滾動軸承的主要失效形式

滾動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，磨削加工是滾動軸承零件的主要工序，有時甚至是最后工序，試驗表明，磨削變質(zhì)層對滾動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)生機理與磨削熱傳入工件表面造成的局部瞬時高溫及磨削力有關(guān)。

2 軸承滾道磨削變質(zhì)層

參照英國摩擦學(xué)會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)的瞬時高溫使工作表面達到熔融狀態(tài)時，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，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)的瞬時高溫將工件表面加熱到奧體化溫度（AC1）以上時，在隨后的冷卻中又重新淬火為馬氏體組織，時常伴有淬火裂紋，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度而發(fā)生龜裂，表現(xiàn)為細網(wǎng)狀、放射狀或與磨削方向垂直的細微裂紋。屬宏觀熱損傷。

其中③④即通常所說的磨削燒傷或變質(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；t——砂輪深切。

d——工件直徑；D——砂輪直徑。

V——砂輪速度。

公式說明砂輪速度和接觸弧長的乘積達到一定值以上就發(fā)生磨削燒傷。砂輪粒度越細，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都不要過大。由工件材料決定的Cb值見下表：

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，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)重點在于選擇6206滾動軸承進行磨削工藝試驗，并通過比對分析，剖析磨削工藝諸因素對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，在磨粒經(jīng)過磨削區(qū)的一瞬間（0.001s）溫度可升至1000°C以上，加工表面就會引起種種熱損傷，其表面耐磨性、耐腐蝕性和疲勞強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，進而影響工件的工作表面質(zhì)量。

4 磨削工藝試驗及其參數(shù)的選擇

磨削工藝試驗的目的在于探索各磨削工藝參數(shù)對磨削表面變質(zhì)層的影響，優(yōu)化工藝條件，達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)的試驗及選擇是件復(fù)雜而細致的工作，為此，我們磨加工試驗小組利用正交試驗法進行了為期半年的試驗工作，試件選用量大面廣的6206單列向心軸承內(nèi)外圈，試驗后委托洛軸所對試件工作表面質(zhì)量進行分析。

4.1 磨削工藝試驗的參數(shù)選擇

以控制磨削變質(zhì)層為目的的磨削工藝試驗，其實質(zhì)就是控制磨削加工過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考慮。

4.1.1 砂輪的選擇

砂輪的性能對于磨削效果有至關(guān)重要的影響。在實際磨削加工中，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?，能夠滋生鋒利的切削刃；c高溫下的化學(xué)穩(wěn)定性和耐磨性要好。

對于強度高、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。詳見表3。

②砂輪的粒度和硬度

在論及公式（1）時已經(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?。這是因為磨削熱與砂輪表面上磨料的集合形狀、銳利程度和單位時間參加磨削的磨粒數(shù)有關(guān)。磨料太細，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，達到改善磨削質(zhì)量等作用。因此要求磨削液有潤滑性、冷卻性、防銹性和浸透性潤滑?？梢娔ハ饕旱倪x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。

一般來說，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)包括合理的進給曲線、電主軸功率、工件線速度和砂輪線速度等。

①進給曲線

進給曲線對表面變質(zhì)層影響很大。所謂合理的進給，最主要的是合理控制粗磨、精磨、光磨之間余量分配和進給速度，并應(yīng)盡量縮短砂輪無進給時間、砂輪趨近工件時間，減少空行程和提高有效磨削時間。

要合理地選擇粗磨進給量，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，保證適當(dāng)?shù)墓饽r間對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

合理的進給曲線必須有足夠的砂輪驅(qū)動電動機功率做保證，否則將造成大批工件表面嚴重的磨削燒傷。

此外，機床的平穩(wěn)性，工藝系統(tǒng)的剛性、震動等對工件表面質(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，無火花磨削時間縮短，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的乘積達到一定值（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間及接觸區(qū)溫度，對改善表面磨削質(zhì)量和提高精度是有利的。

4.2 磨削工藝試驗

4.2.1 外套圈滾道的磨削（內(nèi)圓磨）

試驗在3MZ 1410磨床上進行，工藝方案確定采用切入磨，粗精一遍磨削。

①試驗條件的選擇：

a電主軸：采用洛陽軸承研究所產(chǎn)生的DZ36—30電主軸，振動值小，磨削精度較高。轉(zhuǎn)速采用3萬轉(zhuǎn)/分，磨削速度提高到55米/秒。

b無心夾具：前支承改為圓弧浮動支撐，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，試驗選定七個因素各三個水平進行正交試驗(見表4)

測試試樣及其補充試樣的選取和試驗條件見表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。試驗在3M137磨床上進行。該機床為精密內(nèi)溝磨床，工藝系統(tǒng)的剛性較差，允許最大進給速度0.9mm/min，對粗精一次磨削不完全適合。為提高磨削質(zhì)量，我們在機床上做了一些改進：

①改進固定砂輪的法蘭盤，以便于進行整機平衡，降低了因砂輪不平衡引起的振動。②改進無心夾具，設(shè)計制造了圓弧整體支承，減少了誤差復(fù)映。③提高磨削速度。該機床砂輪轉(zhuǎn)速為2100r/min，磨削速度為33m/s。為提高磨削能力實現(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)，選定以四個因素各四個水平進行正交試驗。見表7

測試試樣的選取及試驗條件見表8。

為了排除熱處理加熱表面脫碳對試驗套圈表面質(zhì)量的影響，磨削工藝試驗用的軸承套圈一律采用真空淬火出來。淬火時在國產(chǎn)最新式的ZCL-75-13型連續(xù)式真空淬火爐中進行的，淬火溫度為840℃，加熱1.5小時，國產(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。淬回火后的試件，按滾鉻鋼滾動軸承零件熱處理質(zhì)量標準（JB1255-83）檢驗，各項質(zhì)量指標（包括顯微組織、硬度及硬度均勻性等）均符合標準的規(guī)定，經(jīng)表面顯微硬度法和金相分析法測試，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的要求。

5 試驗套圈表面的磨削變質(zhì)層分析——顯微硬度分布曲線的測試

應(yīng)用克努普氏顯微硬度法，選用200克負荷，在M-Tertor型顯微硬度計上測量磨削工藝試驗的各組6206軸承套圈試件磨削表面的顯微硬度分布曲線，測試結(jié)果于圖1、圖2中。

從這些測試結(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。在磨削工藝試驗的各種材質(zhì)砂輪中，以洛陽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，粗磨進給量對磨削表面變質(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。在本試驗選定的工藝條件下，粗磨進給量為1.2mm/min時往往造成較大的硬度降和較深的磨削表面變質(zhì)層。精磨進給量和無進給磨削時間在本試驗中沒有表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性。

③綜合分析試驗結(jié)果可以看出：本試驗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)套滾道嚴重得多。這說明在軸承套圈滾道磨削加工過程中，內(nèi)圓磨削加工對滾道表面變質(zhì)層的影響遠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，僅為一例，但其試驗方法、參數(shù)選擇、測試手段、測試結(jié)果與國內(nèi)外不同類型軸承的試驗結(jié)果具有較好的一致性，因此該試驗對我單位尺寸接近的其他型號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；在磨削進給量試驗中，粗磨進給量的影響最突出，宜選用較小的粗磨進給量（0.8mm/min）。這些試驗分析結(jié)果可以說是滾道軸承套圈滾道表面磨削加工中帶有共性的問題。

6.2 主要因素的轉(zhuǎn)換

試驗中還發(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)定因素來考慮的，但當(dāng)修整砂輪的金剛石磨損嚴重時，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。因為砂輪修整質(zhì)量的下降會造成工件表面的磨削燒傷。

7 結(jié)束語

試驗表明，從現(xiàn)有的試驗和生產(chǎn)條件出發(fā)，采取通過試驗優(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)上因為選用優(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，同時降低了噪聲，精度可達Z1組，使配套主機的噪聲下降3—5dB，受到了用戶的好評，年銷量增加30萬套，年增利潤30萬元以上。

此項工藝試驗結(jié)果在我廠的推廣實施，不僅提高產(chǎn)品質(zhì)量，同時激發(fā)了全廠職工的質(zhì)量改進積極性。產(chǎn)品質(zhì)量不僅關(guān)乎企業(yè)的經(jīng)濟效益，更關(guān)系整個社會效益。

參考文獻：

[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，陳煥中.《磨床與磨削》1986.3.