與磨削原理和磨削熱缺陷有關(guān)的尺度問(wèn)題

楊俊生，馬元，王玉國(guó)

(1.洛陽(yáng)軸研科技股份有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039；2.河南省高性能軸承技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽(yáng) 471039；3.軸承產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，河南 洛陽(yáng) 471039)

磨削是一種成熟的加工方法，但反復(fù)出現(xiàn)的磨削熱缺陷(燒傷和裂紋)嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量，甚至造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。目前，雖然磨加工行業(yè)已有很多控制磨削裂紋的經(jīng)驗(yàn)和方法，但不能完全避免磨削裂紋的產(chǎn)生。一方面，由于磨削裂紋的產(chǎn)生是材料、鍛造、熱處理及磨削的綜合問(wèn)題；另一方面，磨削裂紋是在磨削過(guò)程中產(chǎn)生的，排除其他過(guò)程的影響后可知，磨削過(guò)程是可以單獨(dú)致裂的。

現(xiàn)以能量流動(dòng)為主線，物理本質(zhì)為基點(diǎn)，實(shí)際現(xiàn)象為解，對(duì)磨削原理和磨削熱缺陷進(jìn)行多尺度分析[1]。

1 磨削原理

1.1 磨削過(guò)程的能量集中

磨削加工的目的是實(shí)現(xiàn)材料的分離。以原子構(gòu)成的物質(zhì)，其分離的本質(zhì)可以歸結(jié)為原子間的相互作用隨距離增加而減弱，要實(shí)現(xiàn)2個(gè)原子的分離只需有足夠破壞兩者間原子鍵的能量。鐵原子金屬鍵能為407 kJ/mol[2],因此要使2個(gè)鐵原子分離，就要在飛秒級(jí)的時(shí)間尺度上提供6.79×10-19J的能量，即能量集中。在磨削過(guò)程中，能量集中通過(guò)碰撞來(lái)實(shí)現(xiàn)。

這一過(guò)程可以實(shí)現(xiàn)是因?yàn)闆](méi)有瞬時(shí)和超距離的相互作用，物體的動(dòng)能只能從接觸點(diǎn)發(fā)生轉(zhuǎn)化。在碰撞過(guò)程尺度時(shí)間區(qū)域內(nèi)，每個(gè)時(shí)間段內(nèi)轉(zhuǎn)化的動(dòng)能的量由2個(gè)物體原本的動(dòng)能決定，其影響因素是2個(gè)物體的速度和質(zhì)量。質(zhì)量顯示了微觀粒子的物質(zhì)的量，原子間的鍵能顯示了能量的量，原子相互作用的時(shí)間是時(shí)間尺度，碰撞點(diǎn)的物質(zhì)所占據(jù)的空間則是空間尺度。而能量流動(dòng)時(shí)，承受能量的物質(zhì)的量的變化、能量存在的空間的變化、能量流動(dòng)的時(shí)間的變化都是尺度的變化，在尺度變化之間實(shí)現(xiàn)了能量密度變化，即能量場(chǎng)強(qiáng)度變化。碰撞體現(xiàn)了各個(gè)尺度因素之間的相互轉(zhuǎn)化。因此，尺度問(wèn)題涉及到空間尺度、時(shí)間尺度、物質(zhì)的量的尺度和能量的量的尺度，以及尺度的變化。

磨削過(guò)程中，通過(guò)磨粒與工件表面干涉點(diǎn)的碰撞實(shí)現(xiàn)能量集中是實(shí)現(xiàn)磨削過(guò)程的前提條件。

1.2 磨削過(guò)程中的摩擦

摩擦把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能，使物質(zhì)的溫度發(fā)生變化。機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能對(duì)磨削過(guò)程是有害的，也是產(chǎn)生磨削熱缺陷的主要原因。

熱量以溫度來(lái)度量，溫度是物質(zhì)原子或分子無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)的表現(xiàn)。在微觀尺度下，即使看似光滑的表面也是凸凹不平的，摩擦使宏觀的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為微觀分子的熱運(yùn)動(dòng)，依靠大量微觀接觸點(diǎn)的焊結(jié)與破壞，以及運(yùn)動(dòng)時(shí)微觀干涉點(diǎn)的相互碰撞[3]，大量的相互作用點(diǎn)產(chǎn)生振動(dòng)，轉(zhuǎn)化為分子的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)[4]。其中作用點(diǎn)的數(shù)量是關(guān)鍵因素。

磨削過(guò)程的能量流動(dòng)(圖1)中，只有磨粒與零件表面被干涉點(diǎn)的碰撞能量是完成磨削的必要過(guò)程；磨粒與零件接觸表面的摩擦，在一定程度上是無(wú)法避免的；而磨屑與零件表面的摩擦是可以避免的，砂輪被堵塞時(shí)，磨屑與工件表面的接觸表面更大，微觀焊點(diǎn)和微觀碰撞點(diǎn)更多，使機(jī)械能到熱能的轉(zhuǎn)化效率更高。

圖1 磨削過(guò)程的能量流動(dòng)圖

1.3 磨削過(guò)程的溫度

磨削時(shí)，磨粒切削點(diǎn)的溫度最高，可達(dá)1 500 ℃左右，在250 ℃以上磨削燒傷便會(huì)產(chǎn)生，但在正常磨削條件下不會(huì)產(chǎn)生燒傷，這是因?yàn)闊崃繌哪ハ鼽c(diǎn)分散到整個(gè)磨削區(qū)域。其中承受熱量的物質(zhì)的量發(fā)生了變化，從而使溫度降低。

溫度是一個(gè)普遍存在的影響因素，溫度變化產(chǎn)生的影響有：1)原子間的距離發(fā)生改變，使分離2個(gè)原子所需要的能量發(fā)生變化；2)軸承鋼組織發(fā)生改變，屬于微觀原子無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為組織整體的能量。能量從原子微觀層面轉(zhuǎn)移到組織層面，溫度的標(biāo)量場(chǎng)轉(zhuǎn)化為組織應(yīng)力的矢量場(chǎng)，局部的組織應(yīng)力在更大范圍內(nèi)經(jīng)過(guò)合成轉(zhuǎn)化為宏觀矢量力。該過(guò)程不僅實(shí)現(xiàn)了能量從微觀向宏觀的轉(zhuǎn)變，還實(shí)現(xiàn)了標(biāo)量場(chǎng)到矢量場(chǎng)的轉(zhuǎn)變。

2 磨削熱缺陷

2.1 磨削燒傷

磨削燒傷是零件組織隨溫度變化的結(jié)果，不同溫度下產(chǎn)生的組織變化見(jiàn)表1。

表1 磨削熱所導(dǎo)致的表層變化

2.2 磨削裂紋的致裂因素

2.2.1 組織應(yīng)力

在產(chǎn)生磨削燒傷的組織變化過(guò)程中，由于溫度的升高，淬火形成的過(guò)飽和碳發(fā)生擴(kuò)散，晶格變形恢復(fù)，其他缺陷消除，使組織的比容減小，從而產(chǎn)生組織應(yīng)力。

2.2.2 熱應(yīng)力

不同位置的溫差會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。軸承鋼淬火后，一般要進(jìn)行回火，預(yù)先完成表1中第1種組織變化，磨削過(guò)程中是否發(fā)生組織變化或產(chǎn)生組織應(yīng)力，取決于溫度是否高過(guò)回火溫度。但無(wú)論是否產(chǎn)生組織變化，磨削熱仍會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。因?yàn)槟ハ鳠嵩诜稚⒌交w材料和被冷卻液帶走之前，集中在零件表面和淺表面。

2.2.3 磨削應(yīng)力

磨削時(shí)，由于磨粒的切削力和磨粒與工件的摩擦力，在磨削表面垂直于磨削方向的為壓應(yīng)力，與磨削方向相同的方向上，接觸點(diǎn)前端為壓應(yīng)力，后端為拉應(yīng)力。

2.2.4 淬火殘余內(nèi)應(yīng)力

軸承鋼一般經(jīng)過(guò)淬火處理，加熱到850 ℃轉(zhuǎn)化成奧氏體+未溶碳化物組織，然后淬火過(guò)程中奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。在此過(guò)程中，晶格發(fā)生畸變，比容增大，硬度增大，強(qiáng)度上升，韌性較差，殘余應(yīng)力較大，其本質(zhì)在于：溫度急劇下降，大部分碳原子保留在晶格中，形成過(guò)飽和固溶體，導(dǎo)致晶格變形，形成固溶強(qiáng)化機(jī)制并產(chǎn)生各種缺陷。

材料的特性源自材料的原子結(jié)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)，淬火使軸承鋼的組織結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，影響磨削過(guò)程，同時(shí)產(chǎn)生3類殘余內(nèi)應(yīng)力：

1)第1類內(nèi)應(yīng)力，又稱宏觀殘余應(yīng)力，由零件不同部位的宏觀變形或組織轉(zhuǎn)變不均勻?qū)е?，其平衡范圍在于整個(gè)零件。經(jīng)過(guò)550 ℃回火可以消除。

2)第2類內(nèi)應(yīng)力，又稱微觀殘余應(yīng)力，由晶?；騺喚ЯＶg的變形不均勻?qū)е?，其平衡范圍在晶?；騺喚ЯＶg。經(jīng)過(guò)500 ℃的回火可以消除。

3)第3類內(nèi)應(yīng)力，又稱點(diǎn)陣畸變，由空穴、間隙原子和位錯(cuò)導(dǎo)致，其平衡范圍只有幾十到幾百納米。經(jīng)過(guò)300 ℃的回火可以消除。

淬火殘余內(nèi)應(yīng)力存在于各個(gè)尺度，其中第2類內(nèi)應(yīng)力會(huì)使產(chǎn)生磨削裂紋需要的額外拉應(yīng)力減少，而在大尺寸的零件中，第1類殘余應(yīng)力不可忽略，在斷裂的大型零件中，其開(kāi)裂處有較寬的裂紋，其中的應(yīng)力經(jīng)淬火后的回火(180 ℃)和軸承磨削工藝之間的附加回火(150 ℃)不能去除。

在組織應(yīng)力、熱應(yīng)力、磨削拉應(yīng)力(只包括磨削的切削力和摩擦力)以及淬火殘余應(yīng)力這些由不同源頭產(chǎn)生、分布在不同尺度的力場(chǎng)的合成下，當(dāng)拉應(yīng)力超過(guò)材料的斷裂強(qiáng)度時(shí)，便產(chǎn)生磨削裂紋，當(dāng)這些因素的致裂貢獻(xiàn)比不同時(shí)，便會(huì)出現(xiàn)不同的裂紋現(xiàn)象。

磨削裂紋的致裂因素體現(xiàn)了物質(zhì)的結(jié)構(gòu)以及所占空間均隨其承受的能量場(chǎng)強(qiáng)度的改變而改變。

2.3 與磨削裂紋有關(guān)的現(xiàn)象分析[5-8]

1)只有硬度大于45 HRC的淬火回火零件，才有被磨裂的危險(xiǎn)。

這體現(xiàn)了淬火后材料性能的變化，以及各種空間尺度范圍內(nèi)存在的殘余內(nèi)應(yīng)力對(duì)材料磨削致裂性的影響。

2)產(chǎn)生嚴(yán)重的磨削裂紋時(shí)，即使非常密集，磨削裂紋之間也存在肉眼可辨的距離。

在磨削原理中有磨削力尺寸效應(yīng)[9]，在磨削裂紋產(chǎn)生時(shí)，該效應(yīng)同樣適用。材料中的缺陷分布需要蘊(yùn)含于一定的物質(zhì)，即需要物質(zhì)的量的尺度，因?yàn)槲镔|(zhì)的存在需要空間，所以也是空間尺度因素。組織應(yīng)力的形成也需要空間尺度和物質(zhì)的量的尺度。GB/T 6394—2002《金屬平均晶粒度測(cè)定法》中規(guī)定8級(jí)粒度以下晶粒的直徑為0.022 mm，嚴(yán)重的磨削裂紋不會(huì)只沿著晶粒內(nèi)擴(kuò)展，磨削裂紋易沿晶界擴(kuò)展，相鄰磨削裂紋之間的距離不等于晶粒的直徑。

3)磨削時(shí)，切削點(diǎn)的溫度雖高，但不一定產(chǎn)生磨削燒傷；有磨削燒傷時(shí)不一定會(huì)有磨削裂紋；磨削面積較大時(shí)，易產(chǎn)生磨削裂紋；有磨削裂紋通常會(huì)伴隨磨削燒傷，但也有無(wú)磨削燒傷的情況。

磨削時(shí)，砂輪磨損面積超過(guò)工作面積的4%時(shí)，零件表面開(kāi)始出現(xiàn)燒傷，這是因?yàn)楫?dāng)砂輪磨損時(shí)，摩擦效應(yīng)增強(qiáng)，產(chǎn)生的熱量才會(huì)導(dǎo)致燒傷；磨削燒傷并不一定引起磨削裂紋，因?yàn)槟ハ髁鸭y的產(chǎn)生需要應(yīng)力強(qiáng)度達(dá)到材料的斷裂強(qiáng)度。磨削燒傷產(chǎn)生的組織應(yīng)力，需要有一定的物質(zhì)的量的尺度和空間尺度，磨削面積增大時(shí)，才能使組織應(yīng)力達(dá)到斷裂需要的強(qiáng)度；有磨削裂紋也不一定有磨削燒傷，磨削裂紋的產(chǎn)生可以由其他致裂因素引起。

4)磨削裂紋較淺，一般不超過(guò)0.50 mm，常見(jiàn)深度0.10～0.20 mm，深度超過(guò)1 mm的裂紋不多見(jiàn)。這是因?yàn)槟ハ鲿r(shí)零件磨削區(qū)的溫度隨深度的增加急劇下降。

5)在磨削裂紋中，大型軸承零件的磨削裂紋有時(shí)較深。這是因?yàn)榇笮土慵慊鸷?，后續(xù)的回火溫度低，無(wú)法消除第1類殘余應(yīng)力，而零件尺寸決定其蘊(yùn)含的第1類殘余應(yīng)力較多，當(dāng)裂紋產(chǎn)生時(shí)，應(yīng)力釋放，裂紋發(fā)生擴(kuò)展并加深。

6)磨削溫度達(dá)到100 ℃時(shí)，零件表面收縮，產(chǎn)生與磨削方向垂直的裂紋，軸承零件經(jīng)過(guò)150 ℃回火可避免此裂紋的產(chǎn)生；零件溫度達(dá)到300 ℃時(shí)，表面繼續(xù)收縮，產(chǎn)生更嚴(yán)重的網(wǎng)狀裂紋，一般裂紋網(wǎng)格越密，裂紋深度越淺。

與磨削方向垂直的磨削裂紋的產(chǎn)生，是由于在與磨削方向平行的拉應(yīng)力和組織應(yīng)力的綜合作用下，拉應(yīng)力的強(qiáng)度優(yōu)先達(dá)到材料的斷裂強(qiáng)度。

裂紋的形成路徑垂直于最大拉應(yīng)力，在裂紋的各種致裂因素中，只有當(dāng)局部組織應(yīng)力方向不同時(shí)，才會(huì)產(chǎn)生網(wǎng)狀裂紋，因此該裂紋的出現(xiàn)說(shuō)明磨削溫度升高到一定階段，組織應(yīng)力成為致裂的主導(dǎo)因素。磨削裂紋網(wǎng)格越密，代表組織應(yīng)力在表層釋放越充分，因此深度越小。

7)有些軸承的擋邊平面較窄，在該平面上很難出現(xiàn)網(wǎng)狀磨削裂紋。

這是因?yàn)榫W(wǎng)狀裂紋的產(chǎn)生需要組織應(yīng)力，而組織應(yīng)力集中需要一定的空間尺度。這也顯示了組織應(yīng)力致裂所需的尺度在窄平面上的缺乏。

8)在撞刀或其他原因產(chǎn)生的磨削裂紋中，有時(shí)可見(jiàn)沿磨削裂紋的凸起，且有剝離的傾向；當(dāng)產(chǎn)生裂紋后的磨削量較小時(shí)，?？梢?jiàn)沿裂紋兩側(cè)的微小平面(寬度通常小于1 mm)。

撞刀或其他因素產(chǎn)生的嚴(yán)重磨削裂紋的組織應(yīng)力較大，在組織應(yīng)力和拉應(yīng)力的作用下，裂紋繼續(xù)被拉寬，兩側(cè)產(chǎn)生凸翹，當(dāng)后續(xù)磨削量不足以消除凸翹時(shí)，便可觀察到沿裂紋兩側(cè)的微小平面。在磁粉檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)該缺陷后，確定位置，擦掉磁痕，可迎光變換角度觀察。

9)只由淬火應(yīng)力引起的開(kāi)裂會(huì)過(guò)渡為淬火裂紋；由于軸承通常較薄，且溫升在表面引起的膨脹(不考慮溫升的組織變化作用)不會(huì)在表面產(chǎn)生拉應(yīng)力，冷卻后表面與心部的溫差較小，因此軸承磨削時(shí)的熱應(yīng)力對(duì)致裂的貢獻(xiàn)比較小，不會(huì)起主導(dǎo)作用或單獨(dú)致裂。

3 磨削裂紋的控制

正確運(yùn)用磨削原理的關(guān)鍵在于對(duì)量的控制，磨削的切削力是磨削的必要因素，磨粒和零件的摩擦力是無(wú)法避免的因素，這2個(gè)因素形成的磨削拉應(yīng)力可單獨(dú)致裂；加上組織應(yīng)力、熱應(yīng)力和淬火殘余應(yīng)力致裂貢獻(xiàn)，要避免磨削裂紋，必須控制所有致裂因素的貢獻(xiàn)比。以能量的流動(dòng)為線索，以物理本質(zhì)為基點(diǎn)，觀察出現(xiàn)裂紋時(shí)的現(xiàn)象，分辨致裂貢獻(xiàn)比失控的因素，在尺度問(wèn)題上消除其存在的源頭，以避免和控制裂紋產(chǎn)生。

需要注意的是，在軸承的機(jī)械加工過(guò)程中，不僅僅是磨削過(guò)程會(huì)導(dǎo)致缺陷，凡是會(huì)產(chǎn)生能量集中的過(guò)程，都可能導(dǎo)致裂紋和熱缺陷，常見(jiàn)的情形如下：

1)零件過(guò)重和磁極發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，合金支承件與零件的嚴(yán)重摩擦?xí)?dǎo)致裂紋；

2)成形車刀車削倒角時(shí)，由于接觸面積大，熱量的轉(zhuǎn)化效率達(dá)到一定程度會(huì)出現(xiàn)燒傷；

3)車刀與零件發(fā)生嚴(yán)重干涉時(shí)也會(huì)導(dǎo)致裂紋；

4)軸承材料在未淬火前硬度低、塑性大，車削時(shí)更易出現(xiàn)與車削方向垂直的細(xì)微塑性撕裂裂紋，這些裂紋沿著加工條帶連續(xù)分布，在淬火前危害不大；當(dāng)軸承材料經(jīng)過(guò)淬火后，脆性變大，形成的撕裂裂紋的危險(xiǎn)性基本等同于磨削裂紋。由于不銹鋼材料的淬硬性、導(dǎo)熱性和高溫強(qiáng)度等原因，更易在淬火后的車、磨加工中出現(xiàn)細(xì)小的撕裂裂紋。導(dǎo)致撕裂產(chǎn)生的主要原因是沿加工方向的切向力，而無(wú)其他裂紋產(chǎn)生過(guò)程中的組織力和熱應(yīng)力。

應(yīng)將以上裂紋與磨削裂紋進(jìn)行區(qū)分，防止在分析磨削裂紋時(shí)產(chǎn)生根源性的錯(cuò)誤。

4 結(jié)束語(yǔ)

原子間的有效作用距離為納米尺度，沒(méi)有超距離和瞬時(shí)的相互作用，這是由于物質(zhì)的性能取決于其結(jié)構(gòu)，以及能量在宏觀和微觀傳遞時(shí)因尺度變化產(chǎn)生的能量集中。裂紋的危害性也基于相同的原因。

尺度的跨越需以能量的流動(dòng)為主線，以物理本質(zhì)為基點(diǎn)，以現(xiàn)象為解，在了解材料結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對(duì)磨削過(guò)程的原理和磨削裂紋的產(chǎn)生過(guò)程進(jìn)行分析。