磨削熱對內(nèi)圈內(nèi)圓磨削尺寸的影響與控制

莊鴻鳴

（福建龍溪軸承（集團(tuán)）股份有限公司，福建漳州，363000）

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磨削熱對內(nèi)圈內(nèi)圓磨削尺寸的影響與控制

莊鴻鳴

（福建龍溪軸承（集團(tuán)）股份有限公司，福建漳州，363000）

摘要：在大型號關(guān)節(jié)軸承內(nèi)圈的精磨內(nèi)圓時，由于磨削熱的影響，內(nèi)徑尺寸在磨加工后無法即時進(jìn)行準(zhǔn)確測量，嚴(yán)重影響了質(zhì)量和生產(chǎn)效率。本論文通過分析、研究磨削熱對軸承內(nèi)圈內(nèi)圓磨削尺寸的影響，提出在中大型號關(guān)節(jié)軸承內(nèi)圈在精磨內(nèi)圓時，減少磨削熱的幾種方法。這對實(shí)際工作是有指導(dǎo)意義的。

關(guān)鍵詞：磨削熱；軸承內(nèi)圈；內(nèi)圓磨削尺寸；控制

引言

在實(shí)踐工作，對中大型號關(guān)節(jié)軸承內(nèi)圈進(jìn)行精磨內(nèi)圓時，由于磨削熱的影響，內(nèi)徑尺寸在磨加工后無法即時進(jìn)行準(zhǔn)確測量，這就意味著質(zhì)量精度無法保證，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)效率[1]。對此，筆者對這一問題進(jìn)行分析研究，從中找出與磨削熱的大小有關(guān)的要素，以便得到較好的解決辦法。

1　磨削熱分析

磨削的過程比金屬切削刀具的切削過程要復(fù)雜得多。砂輪在磨削工件時，磨粒在砂輪表面上所分布的高度是不一致的。比較高的磨粒有較大的切削厚度，產(chǎn)生切削作用，其磨下的切屑有擠裂切屑、帶狀切屑和灰燼。有些磨粒的切削厚度達(dá)不到切削作用的臨界值，不能產(chǎn)生切屑，而是產(chǎn)生劃痕，工件材料被擠向磨粒的兩邊形成隆起，是為刻劃作用。有些磨粒高度更低，不能產(chǎn)生切削作用和刻劃作用，而是產(chǎn)生滑擦作用，這時僅在工件表面上產(chǎn)生彈性變形，而無塑性變形。磨削時，切削作用、刻劃作用和滑擦作用同時產(chǎn)生，由于磨削速度高，滑擦就產(chǎn)生高溫。同時，由于砂輪磨削速度高，磨粒大多為負(fù)前角，單位切削力比較大，故切削溫度很高[2]。

因此在磨削加工過程中，磨削熱是主要熱源之一，磨削時隨著磨屑的形成而產(chǎn)生熱量，在高速磨削中，磨削熱的熱量更大。磨削熱的大小和磨削力的大小及磨削速度的高低有關(guān)，近似地可用下式表示:

式中：

PZ——主切削力，（N）

v——切削速度，（m/min）

Q切——切削熱。（J/min)

根據(jù)文獻(xiàn)資料和實(shí)驗(yàn)可得如下結(jié)論:

（1）磨削的單位切削截面的磨削力遠(yuǎn)比車削，銑削大得多；

（2）磨削的切割線速度也較高，約是其他切削的 10倍，因此單位切削截面的切削功率就大大高于車削、銑削；

（3）干磨時，由于磨削的切削功絕大部分轉(zhuǎn)化為熱，這些熱被帶走的極少，進(jìn)入工件的熱量高達(dá) 80％左右，磨削表面溫度可達(dá) 800～1000℃。這些磨削熱進(jìn)入工件，使工件的溫度升高，工件受熱膨脹產(chǎn)生熱變形就引起工件磨削尺寸的變化。

2　磨削熱的計(jì)算

由于軸承內(nèi)圈內(nèi)徑的尺寸精度和形位精度的要求較高，公差與h 6接近（以E系列為例，φ80mm＜內(nèi)徑dφ120mm的公差值為0.02 mm，φ120mm＜內(nèi)徑dφ180mm的公差值為0.025mm），所以工件的熱變形對加工精度影響較大。因?yàn)楣ぜ念愋投?，形狀各異，所以要從理論上進(jìn)行計(jì)算比較復(fù)雜。只能采用粗略的計(jì)算進(jìn)行分析。

加工過程中存在工件熱變形時，工件的尺寸就會有較大的分散。這主要決定于磨削時傳給工件的磨削熱，如果磨削時，磨削熱的大小和傳給工件的比例有變化，則各個工件的熱變形就不等；另一方面，還與熱的散失速度有關(guān)。

據(jù)文獻(xiàn)[1]：在連續(xù)、均勻受熱的情況下，零件的熱變形可用工件在直徑方向上的熱膨脹來表示：

△d=a·d·△t （m或mm）

式中：

a——工件材料的線膨脹系數(shù)，（X10-5/K）

d——工件熱變形方向的直徑，（m或 mm ）

△t——工件磨削后的溫升。（K）

溫升的大小與磨削時傳給工件的熱量，工件的體積，材料的密度和比熱有關(guān)。

式中：

Q傳入——磨削時傳給工件的熱量，（J）

c——工件材料的比熱容，〔J/（kg·K）〕

ρ——工件材料密度，（kg/m2）

V——工件體積。（m3）

磨削時傳給工件的熱量可由下式?jīng)Q定

式中：

P——z向的磨削分力，即主磨削力，（N）

v——磨削速度，（m/min）

tj——磨削時間，（min）

Ka——磨削熱中傳給工件的比例數(shù)，其大小與加工方式、磨削速度有關(guān)，一般可由實(shí)驗(yàn)求得。

綜合以上各式可得

在上述的計(jì)算中，是假定傳入工件的切削熱全部被工件吸收，但實(shí)際上在加工時工件還有熱量的散失，一部分會被冷卻液帶走，還有一部分會傳到空氣中。當(dāng)傳入的熱量等于散失的熱量時，即為熱平衡，這時的溫升為△t。考慮到在加工時，工件一般都不會達(dá)到熱平衡狀態(tài)，為了計(jì)算方便，忽略工件熱量的散失，只按傳入工件的熱量Q傳入來計(jì)算，因此上述的計(jì)算方法是一種粗略的計(jì)算方法。

以 GE140.02為例，由以上的公式可算得不計(jì)熱散失的變形量 △d1=0.024mm；而采取了以下所介紹的減少磨削熱的措施后，通過試驗(yàn)實(shí)測得到有熱散失的變形量△d2=0.008mm，從而可以求得熱散失比例K=△d2/△d1=0.33。

在工件磨加工余量一致、加工條件相同的情況下，通過對每個系列、型號進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，我們就可以求得各個型號的熱散失比例。進(jìn)而，

以所算的變形量來指導(dǎo)磨加工后的測量。

以 GE140ES.02為例，計(jì)算所得的△d與實(shí)測的數(shù)值基本相符，如表1所示。

表1　計(jì)算數(shù)值與實(shí)測數(shù)值的比較

經(jīng)現(xiàn)場驗(yàn)證，證明以上控制尺寸的方法是有效的。

3　減少磨削熱的措施

雖然用計(jì)算變形量從一定意義上可指導(dǎo)生產(chǎn)，但仍存在誤差，因?yàn)樵趯?shí)際生產(chǎn)過程中，受設(shè)備條件、操作技術(shù)水平等方面因素的影響，軸承內(nèi)圈內(nèi)圓的磨削尺寸仍有較大的離散性，所以目前通過采取措施來盡量減少磨削熱的影響、減少工件的熱變形就顯得更為積極有效。

經(jīng)過以上的分析、研究，可以得出：精磨內(nèi)圓時要盡可能地減少磨削熱對套圈內(nèi)徑尺寸的影響，可采取以下幾個措施：

（1）制定合適的精磨余量，在保證精磨后內(nèi)徑公差、形位精度的前提下，盡可能地減少精磨余量。以便在相同的磨削速度下通過減少磨削時間tj來減少磨削時傳給工件的熱量Q傳入。

由文獻(xiàn)[2]可得：

式中：

l——加工表面長度，（mm）

h——單邊加工余量，（mm）

K——粗糙度修正系數(shù)，

S縱——工件每轉(zhuǎn)砂輪的縱進(jìn)量，（mm/r）

n工——工件每分鐘轉(zhuǎn)速，（r/min）

t——每次往復(fù)行程的磨削深度。（mm）

很明顯，tj與h成正比，在加工條件相同的情況下減小h必將減少tj。

我公司現(xiàn)行工藝中精磨余量為0.08～0.12mm。而由于現(xiàn)有設(shè)備精度的影響，精磨余量也不宜過小，因?yàn)橹写笮吞栞S承內(nèi)圈磨內(nèi)圓工序在磨外球面工序之后，所以內(nèi)圓的形位精度直接受到外球面形位精度的影響。內(nèi)圓精磨余量過小則不利于內(nèi)圓形位誤差的修復(fù)。經(jīng)過對GE90ES～GE120ES等幾種型號軸承內(nèi)圈的試驗(yàn)結(jié)果表明，精磨余量以0.06～0.10mm為佳?，F(xiàn)己應(yīng)用于生產(chǎn)。表2為軸承內(nèi)圈內(nèi)圓精磨余量變化對精磨內(nèi)圓工序廢品率的影響。

表2　精磨余量變化對廢品率的影響

（2）選擇冷卻效果較好的冷卻液，盡可能大面積的對套圈進(jìn)行冷卻，再加大冷卻箱。如有可能，最好采用大循環(huán)，以保證冷卻液溫升越低越好，同時還應(yīng)提高冷卻液壓力，使工件達(dá)到充分冷卻。以此來減少傳入工件的熱量和加大工件的熱量散失。

冷卻液的作用有冷卻、潤滑、清潔、防銹。冷卻潤滑液可以滲入切削切口的裂縫中，幫助金屬被切削時的撕裂作用，減少金屬的內(nèi)摩擦，因而減小了塑性變形。冷卻潤滑液中的活性物質(zhì)會在工件、切屑和砂輪間產(chǎn)生一層極薄的吸附膜而減少工件、切屑和砂輪的摩擦力。冷卻潤滑液還可以降低切削溫度，減少塑性變形，降低切削力。同時冷卻潤滑液還沖走細(xì)小的切屑、砂粒及使工件不受周圍介質(zhì)的腐蝕。所以我們公司綜合各方面的因素考慮一直使用乳化液。因而高壓大流量冷卻就成了改進(jìn)冷卻效果的主要途徑。

因目前中大型關(guān)節(jié)軸承內(nèi)圈采用M2120(A)機(jī)床磨削內(nèi)圓，而冷卻液多為1～2管從外向內(nèi)噴淋，冷卻不夠充分，故我們增加了一條φ10的水管從端面支承方向伸出，從內(nèi)向外噴淋，盡可能直接噴向磨削區(qū)域。同時加大冷卻箱容量，由0.128m3提高到0.24m3；再加大冷卻液抽水泵的功率，由 125W增至400W，從而提高了冷卻液的壓力和流速，盡可能使工件得到充分的冷卻。

（3）合理選用磨削參數(shù)。如可能盡量采用恒功率磨削。從理論上講，通過合理地控制磨削力 P和磨削速度 v的大小可達(dá)到減少磨削熱 Q的目的。但由設(shè)備條件的限制，在這方面筆者還未做過試驗(yàn)，有待進(jìn)一步研究。

4　結(jié)論

經(jīng)過對磨削熱對精磨內(nèi)圓工序的影響的分析研究，從中找到了一些規(guī)律。并把計(jì)算結(jié)果應(yīng)用于實(shí)踐中。經(jīng)過對 GE90ES～GE140ES關(guān)節(jié)軸承內(nèi)圈共四百多個零件進(jìn)行了批量試驗(yàn)，結(jié)果表明：改進(jìn)后零件內(nèi)徑尺寸變形量比改進(jìn)前分別下降了2～3μm。此方法對實(shí)際工作是有指導(dǎo)意義的。

參考文獻(xiàn)

[1]王先逵.機(jī)械制造工藝學(xué)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002.

[2]馬名祥.機(jī)械制造工藝設(shè)計(jì)手冊[M].成都:四川科學(xué)技術(shù)出版社,1988.

莊鴻鳴(1970-)，大學(xué)本科學(xué)歷，工程師?，F(xiàn)在福建龍溪軸承（集團(tuán)）股份有限公司關(guān)節(jié)軸承研究所擔(dān)任主管工程師。主要從事關(guān)節(jié)軸承新產(chǎn)品的研發(fā)工作。

E-mail:homen68@163.com

Influence and Control to Grinding Heat on Size Inner Circle Grinding

HongmingZhuang
(Fujian longxi bearing corporationlimited,Zhanzhou,Fujian,363000,China)

Abstract:Through the analysis and research on the influence of grinding heat on the inner circle grinding dimensions of the bearing inner ring,several methods are proposed to reduce the grinding heat of the inner ring of the middle and large type of the inner ring of the bearing.

Key words:Grinding heat;Bearing inner ring;Inner circle grinding size;Control

作者簡介：

DOI:工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新 URL:http//www.china-iti.com10.14103/j.issn.2095-8412.2016.01.019

中圖分類號：TH133.33

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：2095-8412(2016)01-644-04