G95Cr18軸承套圈溝道磨削燒傷的試驗分析

王玉飛,劉兢,寧晉,張中元

(1.洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039； 2.河南省高性能軸承技術(shù)重點實驗室，河南 洛陽 471039；3.滾動軸承產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，河南 洛陽 471039)

G95Cr18不銹鋼主要用于腐蝕介質(zhì)中，其經(jīng)熱處理后具有較高的強度、硬度、耐磨性和接觸疲勞壽命，以及很好的抗大氣、海水、水蒸氣及酸的腐蝕能力和較好的低溫穩(wěn)定性[1]。但是該材料的韌性、塑性變形力及摩擦均較大，磨削時會產(chǎn)生大量的磨削熱，而材料自身的熱導(dǎo)率較低，致使磨削區(qū)的熱量不易傳導(dǎo)，容易產(chǎn)生磨削燒傷[2]。

磨削燒傷會引起軸承表面組織變化，表面硬度嚴(yán)重下降，還可能產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致軸承在運轉(zhuǎn)時發(fā)生早期疲勞與磨損，嚴(yán)重影響軸承的使用性能和壽命。因此，選用2個型號軸承進(jìn)行溝道磨削工藝試驗，對影響溝道磨削燒傷的工藝參數(shù)進(jìn)行定性和定量的分析，調(diào)整和細(xì)化工藝參數(shù)，解決G95Cr18鋼套圈溝道磨削燒傷質(zhì)量問題。

1 溝道磨削燒傷的原因分析

套圈在溝道磨削加工中，由于磨粒對溝道的切削、刻劃和摩擦作用，使金屬表面產(chǎn)生塑性變形，由溝道內(nèi)部金屬分子間相對位移產(chǎn)生內(nèi)摩擦而發(fā)熱；磨削時，砂輪相對于溝道的轉(zhuǎn)速很高，與溝道表面產(chǎn)生劇烈的外摩擦而發(fā)熱，在磨削區(qū)域瞬時溫度較高，一般可達(dá)800～1 500 ℃。如果冷卻不及時或不充分，磨削熱的傳導(dǎo)措施不好，很容易造成溝道表面的燒傷，在溝道的表層(一般為幾十微米到幾百微米)發(fā)生高溫回火或退火，破壞溝道表面的組織[3]。磨削時必須采用磨削液進(jìn)行冷卻，散熱良好時磨削液能夠帶走90%以上的磨削熱，其余的磨削熱傳遞給工件和砂輪。

對于外圈溝道，磨削時溝道表面包裹著砂輪，與內(nèi)圈溝道磨削相比冷卻更加不利，更容易發(fā)生燒傷。特別是G95Cr18鋼的特殊性，生產(chǎn)實踐證明，G95Cr18鋼套圈比一般軸承鋼套圈更難磨削，產(chǎn)生燒傷的機(jī)率更大。

套圈在溝道磨削加工中影響溝道燒傷的工藝參數(shù)有：砂輪材料、砂輪轉(zhuǎn)速、工件轉(zhuǎn)速、加工留量的磨削分配、進(jìn)給速度、進(jìn)給量以及光磨時間，此外還包括砂輪的修整頻率以及切削液等，各因素之間相互關(guān)聯(lián)。

2 溝道磨削的試驗研究

選用2個型號軸承內(nèi)、外圈分別進(jìn)行磨削工藝試驗，探索G95Cr18鋼套圈溝道在磨削加工中不產(chǎn)生表面磨削燒傷的工藝參數(shù)。

2.1 61916/HVP4軸承外圈溝道磨削試驗

該型號軸承屬于薄壁系列，熱處理后的變形和翹曲比正常尺寸系列大，所以套圈留磨量稍大?？紤]到軸承的尺寸、精度和所屬系列，套圈溝道的磨加工工序分為粗磨、細(xì)磨和終磨。外圈溝道的成品尺寸和磨加工中各工序的尺寸要求見表1。

表1 61916/HVP4軸承外圈溝道直徑及各工序尺寸

2.1.1 砂輪的選擇

根據(jù)生產(chǎn)實踐經(jīng)驗，外圈溝道磨削選用單晶、微晶混合磨料作為砂輪的材料，即SA/MA混合磨料，具有強度高、韌性和自銳性良好的特點，特別適合磨削不銹鋼類軸承零件。

砂輪粒度根據(jù)套圈加工工序的不同進(jìn)行選擇，粗磨工序為了高效率地去除加工留量，一般選用粗粒度砂輪；細(xì)磨、終磨工序中，為了達(dá)到較高的表面質(zhì)量和精度要求應(yīng)選用細(xì)粒度砂輪。試驗中，粗磨工序選用80#粒度，細(xì)磨和終磨工序選用120#粒度，砂輪采用陶瓷結(jié)合劑。2種砂輪的具體牌號分別為SA/MA80K6V60和SA/MA120K6V60，砂輪規(guī)格均為P70 mm×10 mm×10 mm。

2.1.2 砂輪轉(zhuǎn)速與工件轉(zhuǎn)速的確定

根據(jù)生產(chǎn)實踐經(jīng)驗，選用3種不同的砂輪轉(zhuǎn)速、工件轉(zhuǎn)速以確定合適的線速度比及砂輪轉(zhuǎn)速范圍。在3MZ1410A外溝磨床上，粗磨工序使用SA/MA80K6V60砂輪，總磨削量為0.25 mm，磨削外圈203件后的試驗結(jié)果見表2。

表2 砂輪轉(zhuǎn)速與工件轉(zhuǎn)速對比

由表2可知，砂輪轉(zhuǎn)速較低，修整時砂輪線速度低，砂輪修整不好、表面不夠鋒利，磨削時溝道表面粗糙度值大，工件圓度不好，溝形誤差大，尺寸不統(tǒng)一；砂輪轉(zhuǎn)速的提高會使砂輪在切削中表現(xiàn)出變硬的現(xiàn)象，同時會使工藝系統(tǒng)產(chǎn)生振動，導(dǎo)致溝道表面產(chǎn)生振紋。通過比較分析，最終確定砂輪的轉(zhuǎn)速為13 200 r/min，工件轉(zhuǎn)速為495 r/min。

2.1.3 套圈磨削留量的分配

外圈溝道分多次加工，將溝道的全部加工留量分配到各個工序中，并在整個磨加工過程中進(jìn)行2次(130±5)℃的回火穩(wěn)定處理。

由表1可知，粗磨工序套圈溝道的理論加工留量為0.29～0.44 mm，由于實際熱處理后套圈會產(chǎn)生橢圓和翹曲變形，套圈溝道粗磨加工的實際留量比理論值要大。粗磨工序要去除全部加工留量的70%左右，因此，如果磨削留量分配不合理，很容易產(chǎn)生溝道表面燒傷。

原磨加工工藝編制過程中，對溝道磨加工過程中單個工序內(nèi)留量的磨削分配過程沒有作具體的規(guī)定，操作工通常采用一步到位的方法去除留量，導(dǎo)致產(chǎn)生大批套圈溝道表面燒傷，因此，此次試驗中重點考慮了單個工序內(nèi)加工留量的磨削分配過程，根據(jù)編制的磨加工工藝中粗磨和細(xì)磨各工序的留量不同，將單個工序內(nèi)的磨削留量再細(xì)分為多個工步，以防止套圈溝道的磨削燒傷。其中，終磨工序留量小(一般不大于0.1 mm)，沒有必要再細(xì)分。

61916/HVP4軸承外圈在細(xì)化工藝和確定參數(shù)之后，分別在粗磨(留量0.4 mm)和細(xì)磨(留量0.13 mm)工序中對加工留量的磨削分配進(jìn)行試驗，結(jié)果見表3、表4。

表3 粗磨工序加工留量的磨削分配

表4 細(xì)磨工序加工留量的磨削分配

由試驗結(jié)果可知，粗磨工序內(nèi)加工留量的磨削分配比例大致為65%，25%和10%；細(xì)磨工序內(nèi)的磨削分配比例大致為75%和25%時，套圈在每次加工后經(jīng)過首件酸洗，中間抽檢酸洗后均未出現(xiàn)燒傷的情況，套圈磨削后的形位公差滿足工藝要求。

2.1.4 進(jìn)給速度、進(jìn)給量和光磨時間的確定

由于G95Cr18材料韌性大，磨加工性能差，加工中只能采用較低的進(jìn)給速度，且光磨時間要嚴(yán)格控制。選用砂輪牌號為SA/MA120k6V60,采用2種方案進(jìn)行工藝試驗(表5)，結(jié)果表明：方案2所采用的參數(shù)合適。在合理的分配粗精磨進(jìn)給量后，選擇粗磨速度為3 μm/s，精磨速度為2 μm/s，光磨時間為3 s的磨削工藝參數(shù)，套圈溝道可獲得良好的表面磨削質(zhì)量。

表5 進(jìn)給速度、進(jìn)給量和光磨時間對比

2.2 CZYS-614軸承內(nèi)圈溝道磨削試驗

該型號軸承尺寸小，為正常系列，套圈溝道的磨加工工序分為粗磨和終磨。內(nèi)圈溝道的成品尺寸和工藝中各工序的溝道尺寸要求見表6。

2.2.1 砂輪的選擇

內(nèi)溝磨削的效率比外溝高，磨削熱傳導(dǎo)好，溝道燒傷機(jī)率較小，試驗中選用單晶磨料即SA磨料進(jìn)行粗磨，砂輪牌號為SA80J6V60；用棕白混合磨料，即A/WA磨料進(jìn)行終磨，砂輪牌號為A/WA120J6V60；砂輪尺寸均為P500 mm×12 mm×203 mm。

表6 CZYS-614軸承內(nèi)圈溝道直徑及各工序尺寸

2.2.2 工件轉(zhuǎn)速的確定

內(nèi)圈溝道磨床的砂輪直徑為φ500 mm，轉(zhuǎn)速為2 290 r/min，新砂輪線速度為60 m/s，選用3種工件轉(zhuǎn)速以確定合適的匹配。在3MK133B內(nèi)溝磨床上，粗磨工序選用SA80J6V60砂輪，總磨削量為0.23 mm的磨削試驗結(jié)果見表7。

表7 砂輪轉(zhuǎn)速與工件轉(zhuǎn)速對比

由表7可知，內(nèi)溝機(jī)床調(diào)整比外溝機(jī)床方便，砂輪轉(zhuǎn)速不變，只需調(diào)整工件的轉(zhuǎn)速進(jìn)行匹配，確定的工件轉(zhuǎn)速為620 r/min。

2.2.3 套圈磨削留量的分配

粗磨工序套圈溝道的理論加工留量為0.17～0.30 mm，將本工序內(nèi)的總磨量(0.23 mm)再細(xì)分為2個工步，結(jié)果見表8。

由試驗可知，粗磨工序內(nèi)加工留量的磨削分配比例大致為80%和20%時，本批次套圈磨削后經(jīng)首件酸洗，中間抽檢酸洗，無燒傷現(xiàn)象，溝道表面質(zhì)量符合要求。

表8 粗磨工序加工留量的磨削分配

2.2.4 進(jìn)給速度、進(jìn)給量和光磨時間的確定

選用2種方案進(jìn)行加工試驗，在終磨工序用A/WA120J6V60砂輪進(jìn)行磨削，2種方案的對比結(jié)果見表9。

由表9可知，方案2合適，在粗磨速度2 μm/s、精磨速度2 μm/s、光磨時間2 s下，套圈溝道終磨后可獲得良好的表面磨削質(zhì)量。

表9 進(jìn)給速度、進(jìn)給量和光磨時間對比

3 與溝道磨削工藝參數(shù)相關(guān)的其他因素

軸承套圈磨削加工的工藝參數(shù)除了上述試驗參數(shù)外，砂輪修整頻率、切削液等也與磨削加工的工藝參數(shù)有關(guān)，影響套圈的磨削質(zhì)量。

3.1 砂輪修整頻率

G95Cr18鋼材料韌性大，磨屑容易與磨粒產(chǎn)生化學(xué)親和作用，使磨屑粘附在砂輪表面，并堵塞砂輪孔隙，排屑比較困難，若不及時修整砂輪，勢必增大磨粒與套圈溝道表面摩擦和擠壓，溝道表面熱量大量聚集，產(chǎn)生燒傷。根據(jù)生產(chǎn)實踐經(jīng)驗和磨削試驗，確定磨削G95Cr18鋼套圈溝道時，應(yīng)根據(jù)套圈尺寸和加工留量靈活修整砂輪，砂輪的修整頻率應(yīng)不低于1次/件。

3.2 切削液

切削液可以帶走絕大部分的磨削熱，降低磨削區(qū)域的溫度，避免套圈溝道產(chǎn)生燒傷。為了分析集中式大循環(huán)冷卻系統(tǒng)和單機(jī)小循環(huán)冷卻系統(tǒng)對套圈溝道燒傷的影響，將內(nèi)圈和外圈溝道磨床各1臺改為單機(jī)小循環(huán)冷卻系統(tǒng)，與目前的集中式大循環(huán)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行對比試驗，結(jié)果表明：當(dāng)集中式大循環(huán)冷卻系統(tǒng)切削液的成分在有效期內(nèi)，單機(jī)小循環(huán)和大循環(huán)冷卻系統(tǒng)的切削液對套圈溝道磨削燒傷沒有影響。

4 結(jié)論

通過2種型號軸承內(nèi)、外圈溝道磨削的工藝參數(shù)對比試驗，及其他因素對溝道磨削燒傷的影響分析，可知：

1)G95Cr18鋼外圈溝道磨削選用SA/MA磨料砂輪較為合適，G95Cr18鋼內(nèi)圈溝道的粗磨和終磨選用SA磨料和A/WA混合磨料砂輪較為合適。

2)砂輪轉(zhuǎn)速和工件轉(zhuǎn)速的選擇必須協(xié)調(diào)，兩者的線速度比必須匹配，否則在磨削中，砂輪轉(zhuǎn)速低、工件轉(zhuǎn)速高時出現(xiàn)溝道表面紋路重，溝道表面粗糙度不符合要求；或者砂輪轉(zhuǎn)速高、工件轉(zhuǎn)速低時出現(xiàn)溝道表面有振紋，酸洗后出現(xiàn)振紋、燒傷。

3)G95Cr18鋼軸承套圈溝道加工留量的磨削分配必須根據(jù)被加工軸承套圈的特點，確定溝道磨削的次數(shù)，除終磨工序外，不管留量的大小，在各工序內(nèi)采用一步到位的方法去除留量是不合理的，必須根據(jù)編制的磨加工工藝中溝道磨削各工序的留量不同，將單個工序內(nèi)的加工留量再按合適的比例細(xì)分，由多個工步逐步去除，才能有效控制溝道磨削燒傷的發(fā)生。

4)G95Cr18鋼磨削過程中必須經(jīng)常修整砂輪，使砂輪保持切削鋒利，提高加工效率。加工中應(yīng)根據(jù)套圈尺寸和加工留量嚴(yán)格控制質(zhì)量，靈活地修整砂輪，修整頻率應(yīng)不低于1次/件。

5)保持集中式大循環(huán)冷卻系統(tǒng)切削液的成分有效，不變質(zhì)，采用單機(jī)小循環(huán)和大循環(huán)冷卻系統(tǒng)的切削液對套圈溝道磨削燒傷沒有影響。

總之，G95Cr18鋼軸承套圈溝道磨削中，避免燒傷的根本方法是減少磨削熱的產(chǎn)生和加速熱量的散發(fā)。通過細(xì)化、優(yōu)化工藝，不斷地完善各工藝參數(shù)，相互協(xié)調(diào)一致，選用合適的工藝參數(shù)和方法，以減少產(chǎn)生磨削熱并加快散熱，從而避免溝道磨削燒傷質(zhì)量問題的出現(xiàn)。