探究關(guān)節(jié)軸承磨削裂紋產(chǎn)生的原因與對(duì)策

鄭志耀

摘 要：文章結(jié)合生產(chǎn)實(shí)例，探究關(guān)節(jié)軸承套圈磨削裂紋產(chǎn)生的原因，提出防患措施，防止磨削裂紋產(chǎn)生。

關(guān)鍵詞：關(guān)節(jié)軸承套圈；磨削裂紋；原因；對(duì)策

中圖分類號(hào)：TG52；TG71 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2016）21-0109-01

1 關(guān)節(jié)軸承

關(guān)節(jié)軸承屬于滑動(dòng)軸承，由一個(gè)外球面內(nèi)圈和一個(gè)內(nèi)球面外圈組成。一般用于低速重載的擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)、傾斜運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。相對(duì)于滾動(dòng)軸承，其結(jié)構(gòu)簡單，體積小，承載能力大，廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械、重型汽車、農(nóng)業(yè)機(jī)械、航空航天、礦山冶金、印刷、紡織、鐵路、船舶等領(lǐng)域。近幾年關(guān)節(jié)軸承應(yīng)用領(lǐng)域不斷延伸，在建筑、橋梁上也大量使用。

關(guān)節(jié)軸承使用材料Gcr15、Gcr15SiMn高碳鉻軸承鋼。關(guān)節(jié)軸承生產(chǎn)，一般經(jīng)鍛造、退火、車加工、熱處理（淬、回火）、磨削加工等工序，磨加工是后道工序。經(jīng)過淬火的高碳鉻軸承鋼，在磨削過程容易產(chǎn)生磨削裂紋，這在日常生產(chǎn)和質(zhì)量處理中常會(huì)發(fā)生。磨削裂紋形狀特別，僅發(fā)生在磨削面上，與淬火裂紋在宏觀上觀察明顯不同，磨削裂紋深度較淺，其深度大致為0.05～0.20 mm。用酸浸蝕后裂紋更加明顯易見，如圖1和圖2所示。較輕的磨削裂紋垂直于或接近垂直于磨削方向呈平行分布，稱之為第Ⅰ類裂紋。較嚴(yán)重的裂紋呈龜甲狀，稱之為第Ⅱ類裂紋，習(xí)慣上叫做龜裂。磨加工過程，一旦出現(xiàn)磨削裂紋，往往造成批量的廢品，損失嚴(yán)重；有些磨削裂紋很細(xì)小，不易被發(fā)現(xiàn)，一旦流入客戶手中，將造成嚴(yán)重的后果，是致命的缺陷。因此，研究磨削裂紋的產(chǎn)生原因，并采取防患措施，避免其發(fā)生，具有十分重要的意義。

2 關(guān)節(jié)軸承套圈磨削裂紋的產(chǎn)生機(jī)理

關(guān)節(jié)軸承經(jīng)熱處理淬火后，再進(jìn)行磨削加工，磨削時(shí)砂輪的切削速度很高，砂粒與工件表面因劇烈摩擦而發(fā)熱，如果冷卻液供給不充分，磨削產(chǎn)生的熱量不能快速擴(kuò)散，溫度快速降低，則在磨削區(qū)域的瞬間溫度可高達(dá)800～1 000度，這么高的溫度勢(shì)必造成工件表面的溫度過高。工件表面的瞬時(shí)溫度很容易導(dǎo)致工件表面燒傷。

除此之外，高碳鉻合金（軸承鋼材質(zhì)）組織在高溫下，必然再次奧氏體化，在冷卻過程中又轉(zhuǎn)變?yōu)楸热葺^大的馬氏體，這種情況和鋼在淬火時(shí)的加熱、冷卻過程一樣，勢(shì)必產(chǎn)生熱應(yīng)力和組織應(yīng)力。當(dāng)應(yīng)力大于鋼的抗拉強(qiáng)度極限時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致磨削裂紋產(chǎn)生。由于磨削層很薄，且瞬間磨削區(qū)域很小。形成的裂紋較淺。一般磨削裂紋深度在0.05～0.2 mm，用酸腐蝕時(shí)，裂紋明顯可見。因此高磨削熱是產(chǎn)生磨削裂紋的根源。

3 分析磨削裂紋產(chǎn)生的原因

根據(jù)磨削裂紋產(chǎn)生的機(jī)理，高磨削熱、磨削熱不能快速擴(kuò)散、材料抗拉強(qiáng)度低。圍繞這3點(diǎn)，結(jié)合加工的經(jīng)驗(yàn)，從來料、磨削加工方面進(jìn)行分析，找尋磨削裂紋產(chǎn)生的原因。

3.1 來料（待磨加工的套圈）質(zhì)量

關(guān)節(jié)軸承套圈進(jìn)入磨削加工前，需經(jīng)原材料準(zhǔn)備、鍛造、退火、車加工、熱處理（淬、回火）工序。這些工序一旦沒有控制好，勢(shì)必影響到材料抗拉強(qiáng)度。

①鋼材本身成份均勻性差，影響到材料抗拉強(qiáng)度；

②鍛加工如果停鍛溫度偏高，冷卻過慢，組織過熱形成粗大封閉的二次碳化物網(wǎng)，碳化物網(wǎng)較脆，造成套圈抗拉強(qiáng)度低；

③車加工尺寸控制不好，橢圓、錐度大的部位，在磨削時(shí)會(huì)加劇磨削熱，使溫度瞬間升高；

④淬火回火組織級(jí)別過高，其馬氏體針狀越粗，材料的韌性下降，淬火加熱溫度高和保溫時(shí)間長，將導(dǎo)致熱處理產(chǎn)品發(fā)生較大的變形，這也可能間接產(chǎn)生磨削裂紋等。

另外，時(shí)效不夠，連續(xù)疲勞作業(yè)，應(yīng)力來不及釋放，影響材料抗拉強(qiáng)度等。

3.2 磨削加工方面

①進(jìn)刀不穩(wěn)，一次進(jìn)刀量過大。

進(jìn)刀速度過快，不穩(wěn)，容易使磨削區(qū)域溫度瞬間升高，造成磨削裂紋。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)手動(dòng)進(jìn)給的半自動(dòng)內(nèi)圓磨床、搖擺式的球面磨床、立式的平面磨、無形磨床加工，最容易產(chǎn)生磨削裂紋，占到磨削裂紋50%。

②砂輪選用不當(dāng)。

砂輪硬度選擇太高。自脫性差，鈍化的磨粒不易脫落，使砂輪與工作表面的摩擦作用增強(qiáng)；砂輪級(jí)別號(hào)選擇過小，磨粒間的容屑空間小，砂輪屑易被堵塞，影響切削性能。這2種情況都會(huì)導(dǎo)致磨削過程嚴(yán)重發(fā)熱。

③機(jī)床壓力不穩(wěn)定，跳動(dòng)大，加劇磨削熱。

④切削液未冷卻到位，磨削熱不能快速擴(kuò)散，使磨削區(qū)域的溫度瞬間升高。

⑤使用的工裝、支撐塊太硬，太尖，劃傷套圏的表面，嚴(yán)重產(chǎn)生裂紋。這也是造成磨削裂紋的一種。這種情況在磨削裂紋時(shí)容易遺漏。前不久，筆者公司就發(fā)生一起這方面質(zhì)量事故，磨GEZ101XS/K（S）.01球面時(shí)，支撐架刮傷套圈的外徑表面，產(chǎn)生外徑磨削裂紋。

⑥磨削不規(guī)范，如工件轉(zhuǎn)速過慢，這也不利于磨削熱快速擴(kuò)散。在大型號(hào)圈套加工中，這種情況較突出。

還有，金剛筆鈍、砂輪沒有及時(shí)修整，也會(huì)影響切削性能，導(dǎo)致磨削過程發(fā)熱嚴(yán)重。

4 采取的措施

根據(jù)磨削裂紋產(chǎn)生的原因，采取如下的應(yīng)對(duì)對(duì)策，來避免其發(fā)生。

①原材料方面：把好原材料的質(zhì)量關(guān)。對(duì)成分不均勻、夾雜物超標(biāo)、顯微裂紋、碳化物形態(tài)及其分布不良的原材料，要嚴(yán)禁投產(chǎn)。

②鍛造時(shí)，嚴(yán)格按加熱、冷卻規(guī)范進(jìn)行，控制好鍛造加熱溫度及鍛后冷卻速度，杜絕鍛造過熱、過燒及網(wǎng)狀碳化物產(chǎn)生。

③退火工序要嚴(yán)格把關(guān)，避免過熱或欠熱退火組織產(chǎn)生，確保工件淬火前具備良好的金相組織、狀態(tài)。

④車加工要確保加工的尺寸、精度。

⑤熱處理方面：

其一，產(chǎn)生磨削裂紋的根本原因在于淬火件的馬氏體組織是一種膨脹狀態(tài)，有應(yīng)力存在，要減少和消除這種應(yīng)力，應(yīng)進(jìn)行去應(yīng)力回火即淬火后應(yīng)馬上進(jìn)行回火處理。

其二，第一種磨削裂紋是工件在快速加熱至100 ℃左右，并迅速冷卻而產(chǎn)生的。所以，為防止這第一種磨削裂紋，工件應(yīng)在150～200 ℃左右回火。第二種磨削裂紋是工件在磨削中繼續(xù)升溫至300 ℃時(shí)，表面再次產(chǎn)生收縮而產(chǎn)生的。

所以，為防止這第二種磨削裂紋，則應(yīng)將工件在300 ℃左右回火，回火時(shí)間必須在4 h以上。應(yīng)該注意工件在300 ℃回火時(shí)會(huì)使工件硬度下降，有時(shí)不宜采用。

其三，有時(shí)經(jīng)過一次回火后仍可能產(chǎn)生磨削裂紋，這時(shí)可以進(jìn)行二次回火或人工時(shí)效，這個(gè)方法非常有效。

⑥磨加工方面：

其一，在條件允許的情況下，可以考慮采用以車代磨的工藝。特別是大型號(hào)關(guān)節(jié)軸承，如內(nèi)徑d>φ300，外徑D>Φ430 mm的向心關(guān)節(jié)軸承產(chǎn)品；或厚薄相差較大推力關(guān)節(jié)軸承、角接觸關(guān)節(jié)軸承。

其二，合理選擇磨削進(jìn)刀量，多遍磨，以降低磨削熱的產(chǎn)生。

其三，采用良好的冷卻措施，如加大磨削液流量、提高噴射壓力、改進(jìn)噴嘴結(jié)構(gòu)、噴霧冷卻等，以保證磨削液能最大限度的進(jìn)入磨削接觸區(qū)并帶走大部分磨削熱量。適當(dāng)提高磨削液溫度，以降低熱應(yīng)力產(chǎn)生.

其四，合理選用砂輪硬度和粒度，并及時(shí)進(jìn)行工作面修整，以減小磨削熱和磨削應(yīng)力。在質(zhì)量可達(dá)要求的前提下，可以選用硬度較軟、粒度較粗的砂輪來磨削。

其五，熱處理剛出爐的工件，必須待工件自然冷卻后（冷卻到常溫）才能進(jìn)行磨削。如果在時(shí)間允許的情況下，最好讓工件自然時(shí)效1～2個(gè)月，消除應(yīng)力后再進(jìn)行磨削，這也會(huì)收到很好的效果。

其六，大型號(hào)的套圈在磨削過程，可以考慮增加一道互加回火，消除套圈磨削產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。

其七，避免注意使用的工裝、支撐塊，太尖硬，劃傷套圏的表面，造成裂紋。

5 結(jié) 語

總之，只要我們?cè)谠牧腺|(zhì)量方面、鍛造、車加工、熱處理、磨削加工方面加強(qiáng)控制；針對(duì)磨削裂紋出現(xiàn)時(shí)，表面必定存在有磨削燒傷這一現(xiàn)象，在磨削過程，通過加強(qiáng)工件冷酸洗檢查，便可以有效地防止磨削裂紋的產(chǎn)生。

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