精密硬車加工軸承套圈的表面完整性試驗(yàn)研究

丁紅漢　杭魯濱　陳有光

1.上海工程技術(shù)大學(xué)，上海，201620　　2.上海市軸承技術(shù)研究所，上海，200031

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精密硬車加工軸承套圈的表面完整性試驗(yàn)研究

丁紅漢1杭魯濱1陳有光2

1.上海工程技術(shù)大學(xué)，上海，2016202.上海市軸承技術(shù)研究所，上海，200031

針對磨削加工中套圈精密加工存在的不足，進(jìn)行精密硬車削加工軸承套圈新工藝的開發(fā)，通過加工試驗(yàn)分析了精密硬車加工軸承套圈的表面完整性，探究了基準(zhǔn)面平面度、刀具磨損量等工藝參數(shù)與加工精度的對應(yīng)關(guān)系?；诰苡曹囅魈兹υ嚇拥谋砻娲植诙?、溝道圓度、顯微硬度、熱損傷、金相組織、殘余應(yīng)力分布、加工效率等方面的研究，得出了精密硬車削可達(dá)到磨削加工精度的結(jié)論，且金相組織穩(wěn)定，不易存在熱損傷，具有可控的殘余應(yīng)力分布和較高的加工效率，有利于產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)高精密軸承。利用磁性卡盤裝夾套圈，分析試樣基準(zhǔn)面平面度對精密硬車削套圈溝道圓度的影響，發(fā)現(xiàn)提高基準(zhǔn)面平面度可以有效提高加工套圈的溝道圓度；分析了刀具磨損對硬車削套圈加工精度的影響，得出在精密加工階段刀具磨損量是控制套圈圓度的重要監(jiān)控工藝參數(shù)的結(jié)論。

滾動(dòng)軸承；精密硬車削；磨削；表面完整性

0　引言

硬切削是指使用立方氮化硼(CBN)刀具對淬硬鋼(58～64 HRC )進(jìn)行切削加工，是一種加工精度非常高的硬態(tài)切削加工方式。近年來，精密硬車削因其具有高加工精度、良好的工藝柔性和經(jīng)濟(jì)性，在齒輪、汽車和航空航天等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

表面完整性是對工件加工精度和表面質(zhì)量的綜合評價(jià)，包括工件的表面粗糙度、硬度、硬化層深度、金相組織和殘余應(yīng)力等因素。大量研究表明，在表面完整性方面，工件加工表面形成的殘余應(yīng)力對工件疲勞強(qiáng)度和疲勞壽命具有直接影響，其中殘余壓應(yīng)力可以明顯改善加工表面的抗疲勞和磨損的性能，而拉應(yīng)力則相反，不同的加工方式會影響殘余應(yīng)力分布[1-3]。Thiele等[4]研究了外圓車削軸承鋼AISI52100過程中材料硬度和刀具修整的參數(shù)對殘余應(yīng)力的影響，結(jié)果表明無論是軸向還是環(huán)向的殘余應(yīng)力，材料硬度57HRC的工件其加工表面殘余應(yīng)力比硬度44HRC的工件要大。Hua等[5]進(jìn)一步指出當(dāng)材料硬度較高時(shí)，在環(huán)向和軸向兩個(gè)方向上的最大殘余應(yīng)力不僅在數(shù)值上顯著增加，而且殘余應(yīng)力分布的深度更深。Matsumoto等[6]介紹了硬車削對工件加工表面殘余應(yīng)力的影響。謝華永等[7]從加工效率和精度方面介紹了硬車削和磨削加工的特點(diǎn)。岳彩旭等[8]運(yùn)用仿真方法分析了硬車削產(chǎn)生的表面微觀變質(zhì)層對加工工件表面殘余應(yīng)力分布的影響。

在軸承領(lǐng)域，大多數(shù)軸承套圈的精密加工采用磨削完成，雖然軸承內(nèi)外圈的磨削加工技術(shù)和加工工藝都很成熟，但其加工過程較復(fù)雜，如所要求的性能指標(biāo)多、精度高，加工成形機(jī)理復(fù)雜，加工參數(shù)檢測困難。因此，這會不可避免地給工件帶來表面損傷。另外，在軸承生產(chǎn)中，磨削加工勞動(dòng)量約占總勞動(dòng)量的60%，所用磨床數(shù)量也占全部切削機(jī)床數(shù)量的60%左右，磨削加工的成本占整個(gè)軸承生產(chǎn)成本的15%以上。在高精度軸承的磨削加工中，這些因素所占的比例更大，加工效率更低。

本文針對磨削加工精密軸承套圈的不足，為探究精密加工軸承套圈的新工藝，以試驗(yàn)分析了精密硬車削對精密加工軸承套圈表面完整性的影響，并探究了在使用磁性卡盤裝夾套圈時(shí)，試樣基準(zhǔn)面平面度和刀具的磨損對精密硬車削套圈溝道圓度的影響。

1　試樣選擇及試驗(yàn)工藝參數(shù)設(shè)置

角接觸球軸承套圈是典型的薄壁零件，在裝夾過程中容易發(fā)生裝夾變形，選擇角接觸球軸承套圈作為精密硬車削試樣在軸承加工行業(yè)具有一定的代表性。

1.1試樣確定

試驗(yàn)試樣為經(jīng)過熱處理的7016AC/TA內(nèi)圈，硬度為60～64HRC，材料為GCr15，化學(xué)成分如表1所示。為驗(yàn)證精密硬車削可達(dá)到磨削加工精度，進(jìn)一步研究硬車加工工藝，將試樣分為兩組，分別標(biāo)記為磨削試樣組和精密硬車削試樣組，磨削試樣通過磨削完成精密加工(精密加工指套圈熱處理之后及超精研之前的工序)，精密硬車削試樣通過精密硬車削完成精密加工。

表1　試樣的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))　%

1.2試驗(yàn)條件

根據(jù)試樣化學(xué)成分和加工性能分析[9-10]，試驗(yàn)選用CBN或PCBN刀具。選擇磁性卡盤裝夾7016AC/TA套圈試樣，避免夾緊力引起淬火軸承鋼薄壁零件的變形。

為避免車削過程中刀具磨損對試驗(yàn)的影響，在加工試樣時(shí)，加工每個(gè)試樣的刀具都選用鋒利的新刀具。試驗(yàn)中選用Hemburg公司生產(chǎn)的精密硬車削機(jī)床。該精密硬車削機(jī)床主要應(yīng)用于環(huán)類、盤類、棒料等淬火后回轉(zhuǎn)體零件，以及同類零件的超精密加工及超高光潔度加工。

基于試驗(yàn)準(zhǔn)確性和有效性的考慮，本試驗(yàn)采用磨削和精密硬車削完成試樣非基準(zhǔn)面、溝道和套圈內(nèi)外徑面的加工。

試驗(yàn)中，使用磁性卡盤把待加工試樣固定在卡盤上，精密硬車削組各試樣在精密硬車削機(jī)床上使用CBN刀具完成精密加工，精密硬車削軸承套圈的加工過程如圖1所示。

圖1　精密硬車削套圈

2　表面完整性檢測與分析

2.1表面粗糙度檢測及分析

表面粗糙度的測量方式有很多種，本試驗(yàn)采用泰勒粗糙度儀檢測加工面的粗糙度。根據(jù)GB/T1031-2009《產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范(GPS)表面結(jié)構(gòu)輪廓法表面粗糙度參數(shù)及其數(shù)值》選定取樣長度為0.8 mm。各試樣加工表面粗糙度檢測結(jié)果如表2所示。

表2　試樣加工面粗糙度檢測結(jié)果　μm

由表2可知，磨削加工試樣的端面粗糙度Ra約為0.145 μm，精密硬車削試樣的非基準(zhǔn)面粗糙度Ra約為0.102 μm。檢測結(jié)果表明：在表面粗糙度方面，精密硬車削可以達(dá)到磨削的加工精度，在當(dāng)前切削參數(shù)下，精密硬車削加工試樣的表面粗糙度略低于磨削加工試樣的表面粗糙度；在試樣加工表面粗糙度方面，硬車削呈現(xiàn)較高的加工精度。

2.2試樣溝道圓度檢測及分析

針對加工試樣，利用馬爾MMQ400圓度儀檢測加工試樣的溝道圓度，套圈溝道圓度檢測方式如圖2所示，檢測結(jié)果如表3所示。

圖2　套圈溝道圓度檢測

表3　試樣溝道圓度檢測結(jié)果　μm

檢測結(jié)果表明磨削加工試樣的溝道圓度約為1.01 μm，而精密硬車削試樣溝道圓度為0.376 μm。檢測結(jié)果表明精密硬車削溝道的圓度明顯小于磨削加工的溝道圓度，數(shù)值分布密度較高，且一致性較好。

2.3試樣顯微硬度檢測及分析

磨損和疲勞脫落是滾動(dòng)軸承的主要失效形式，兩種失效形式主要發(fā)生在接觸表面，接觸表面的顯微硬度對接觸表面的工作性能具有直接影響[11]。針對不同組的試樣采用硬度儀測量加工表面的硬度，試驗(yàn)載荷為9.807 N，保持載荷時(shí)間為15 s，測得試樣的硬度如表4所示。

表4　試樣表面硬度檢測結(jié)果　MPa

檢測結(jié)果表明，磨削試樣加工表面的顯微硬度約為62.8HRC，精密硬車削的試樣加工表面顯微硬度約為63.0HRC。試驗(yàn)結(jié)果表明精密硬車削或磨削對加工試樣表面的顯微硬度影響沒有明顯的差別。精密硬車削試樣加工表面硬度分布如圖3所示，精密硬車削試樣表層硬度分布較磨削試樣[12]穩(wěn)定，有利于保證接觸表面穩(wěn)定的工作性能。

圖3　精密硬車削試樣表面硬度分布

2.4試樣燒傷檢測及分析

滾動(dòng)軸承套圈在磨削加工過程中會產(chǎn)生大量的磨削熱，磨削產(chǎn)生的熱量大部分傳入工件，給工件的加工表面帶來一定的熱損傷，裂紋和磨削燒傷等均是軸承加工中最常見的一種表面缺陷。磨削燒傷引起軸承表面組織變壞，加速了軸承在工作過程中的疲勞與磨損，嚴(yán)重影響了軸承的使用壽命。精密硬車削較磨削加工產(chǎn)生的熱量少，且產(chǎn)生的熱量大部分傳入切屑，被切屑帶走，傳入工件的熱量較少，不易給工件加工表面帶來熱損傷。

利用巴克豪森應(yīng)力儀ROLLSCAN200對精密硬車削和磨削軸承試樣進(jìn)行檢測，巴克豪森噪聲(BN)[13]分析法用磁致彈性參數(shù)(magnetoelas-ticity parameter，MP)衡量加工套圈的燒傷情況。精密硬車削試樣和磨削燒傷試樣溝道燒傷檢測情況如圖4所示。

圖4　精密硬車削、磨削燒傷試樣溝道燒傷檢測情況

由圖4可知MP隨時(shí)間(即檢測位置)的變化情況，由MP的最大值、平均值和最小值可判定所檢測試樣是否存在燒傷[14]，精密硬車削試樣和磨削試樣溝道的燒傷情況檢測結(jié)果如表5所示。

表5　試樣溝道燒傷檢測結(jié)果

此外，對工件加工表面采用酸蝕法進(jìn)一步檢測燒傷和未燒傷試樣組織變化情況，腐蝕液為4%硝酸酒精溶液，腐蝕時(shí)間2～5 s，然后使用奧林巴斯BX51M金相顯微鏡觀察試樣的金相組織如圖5～圖8所示。

圖5　精密硬車削試樣1顯微組織　　　圖6　精密硬車削試樣1中碳化物尺寸

圖7　磨削試樣2電子顯微組織(4000×2)　　　圖8　磨削試樣3電子顯微組織(4000×2)

軸承在正常淬火工藝(1050 ℃淬火，150～160 ℃回火)后顯微組織由隱晶狀細(xì)小結(jié)晶馬氏體(回火馬氏體)、均勻分布的細(xì)小殘留碳化物、一次碳化物和殘余奧氏體組成。圖5表明車削加工試樣表面無燒傷，試樣組織分布均勻。試樣碳化物尺寸如圖6所示，形狀規(guī)則，分布均勻。從磨削試樣橫截面的金相組織檢測可知，由于磨削熱引起表面的溫度升高，出現(xiàn)了二次淬火馬氏體和高溫回火組織。二次淬火馬氏體是由于磨削熱使表層溫度升高至相變點(diǎn)溫度TAc1以上，致使局部區(qū)域轉(zhuǎn)變成奧氏體，在隨后磨削液的急速冷卻下淬火而形成的，它不易被侵蝕，在金相組織中呈白色。如試樣表層溫度升高到TAc1(鋼加熱時(shí),開始形成奧氏體的溫度)和TAcm(即TAc3，表示加熱時(shí)鐵素體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的終了溫度)之間，則在受冷卻淬火后，組織中除有二次淬火馬氏體和殘余奧氏體外，還有部分殘余碳化物，見圖7表面白層。當(dāng)試樣表層溫度升高至TAcm以上，殘余碳化物全部溶解，受冷卻淬火后，其金相組織為二次淬火馬氏體和部分殘余奧氏體，見圖8表面的白層[15]。

由表5檢測結(jié)果可知，精密硬車削試樣較磨削試樣不易產(chǎn)生加工表面熱損傷，且加工后試樣金相組織均勻，對提高加工試樣內(nèi)在質(zhì)量具有顯著作用。

2.5試樣殘余應(yīng)力檢測及分析

精密硬車削與磨削軸承套圈的加工表面殘余應(yīng)力檢測方式如圖9所示，殘余應(yīng)力分布情況如圖10所示[16]。試驗(yàn)采用加拿大的PROTO殘余應(yīng)力儀檢測試樣表面的殘余應(yīng)力情況，檢測結(jié)果如表6所示。

圖9　殘余應(yīng)力檢測

圖10　精密硬車削與磨削試樣的表面殘余應(yīng)力分布

表6　試樣加工表面殘余應(yīng)力檢測結(jié)果　MPa

表6所示的檢測結(jié)果表明，精密硬車削和磨削的試樣表面均為殘余壓應(yīng)力，精密硬車削試樣表面具有較磨削更大的殘余壓應(yīng)力。磨削后工件的最大壓應(yīng)力主要集中在工件表面，其殘余壓應(yīng)力影響區(qū)深度較淺，在磨削過程中，砂輪與工件接觸面的冷熱交替和熱循環(huán)導(dǎo)致壓應(yīng)力與拉應(yīng)力交替變化，導(dǎo)致離散型較大。而精密硬車削克服了磨削加工的這些缺點(diǎn)，其殘余壓應(yīng)力值較大，深度較深，且殘余應(yīng)力可控。

2.6加工效率分析

為探究針對同一種試樣精密硬車削和磨削兩種加工方式的加工效率，采用兩種加工方式完成相同的工序(即完成同一種試樣的內(nèi)徑、外徑、溝道和端面的加工)比較分析。

試驗(yàn)結(jié)果表明，針對同一種試樣，在加工效率方面，精密硬車削具有明顯的優(yōu)勢。在精密硬車削機(jī)床上，可以實(shí)現(xiàn)一次裝夾即可完成所有精密加工工序。對于磨削加工來說，完成試樣的精密加工要經(jīng)過三道磨削工序，效率較低。對于中批量、大批量的生產(chǎn)，精密硬車削具有較高的加工效率。

3　試樣基準(zhǔn)面平面度對溝道圓度的影響

精密硬車削試樣采用磁性卡盤裝夾，對試樣基準(zhǔn)面的平面度有一定的要求，研究基準(zhǔn)面平面度對精密車削加工試樣溝道圓度的有重要意義。選取平面度不同的兩種試樣，分別標(biāo)記為A、B，在采用同樣的切削參數(shù)完成試樣的精密加工條件下，其基準(zhǔn)面平面度和加工后溝道圓度檢測結(jié)果如表7所示。

表7　試樣A、B基準(zhǔn)面平面度和加工后試樣溝道圓度檢測結(jié)果　μm

由表7知試樣A、B基準(zhǔn)面平面度分別為1.50 μm、0.44 μm，精密車削后溝道的圓度分別為1.73 μm、0.24 μm。檢測結(jié)果揭示采用磁性卡盤裝夾試樣時(shí)，在相同的切削參數(shù)條件下，試樣基準(zhǔn)面平面度越小，精密硬車削試樣溝道圓度越小。究其原因，一方面，當(dāng)采用磁性卡盤裝夾試樣時(shí)，磁性吸盤磁性一定，基準(zhǔn)面平面度較小的試樣，基準(zhǔn)面與吸盤的接觸面積較大，氣隙較小，吸附力較大且一致性好，試樣在加工過程中，不易發(fā)生微振動(dòng)，故加工后溝道的圓度較小；另一方面，當(dāng)利用磁性卡盤裝夾試樣時(shí)，試樣與卡盤的形位相對關(guān)系如圖11所示，理想裝夾狀態(tài)是溝道的軸線與卡盤的吸附面垂直，當(dāng)試樣的基準(zhǔn)面(即與卡盤的吸附面)平面度較大時(shí)，可能會出現(xiàn)溝道軸線與卡盤吸附面的垂直度與理想垂直度誤差較大的情況，在此狀態(tài)下加工溝道時(shí)，刀尖與溝道某一截面接觸時(shí)，接觸面是橢圓，故檢測精密硬車削加工后試樣溝道的圓度比較大。因此，提高基準(zhǔn)面平面度可以顯著提高精密硬車削的加工精度，對生產(chǎn)高精密的軸承具有重要意義。

圖11　試樣與卡盤的形位相對關(guān)系

4　刀具磨損對試樣溝道圓度的影響

刀具是精密硬車削重要的工藝參數(shù)，尤其是刀具的磨損，對試樣的表面完整性和加工精度有直接影響[17]，及時(shí)更換刀具是加工精度的重要保證。

使用一把CBN新刀具精密加工10個(gè)試樣，通過檢測每個(gè)試樣車削后刀具切削刃的磨損情況研究刀具磨損隨精密硬車削試樣溝道圓度的變化，圓度變化情況如表8所示。

表8　套圈溝道圓度隨試樣加工個(gè)數(shù)的變化　mm

用體式顯微鏡(50倍)分別測得刀具在加工前切削刃的形貌和刀具在加工三個(gè)試樣后切削刃的形貌，結(jié)果分別如圖12、圖13所示。在加工三個(gè)試樣后，測得刀具的后刀面磨損量為0.06 mm，其所加工第三個(gè)試樣溝道圓度為0.68 μm。試驗(yàn)研究表明刀具切削刃的磨損會影響加工試樣的加工精度，在精密加工階段欲嚴(yán)格控制試樣的表面完整性和加工精度，車削刀具是一個(gè)重要的工藝參數(shù)，應(yīng)在刀具磨損到一定程度后及時(shí)更換刀具，以保證加工試樣良好的表面完整性和較高的加工精度。

圖12　新刀具切削刃形貌圖13　加工三個(gè)試樣后刀具切削刃形貌

5　結(jié)論

(1)精密硬車削的試樣加工表面具有較磨削加工試樣更大的表面殘余壓應(yīng)力值和殘余壓應(yīng)力峰值，且最大殘余應(yīng)力峰值更深。

(2)在表面粗糙度、溝道圓度和加工效率方面，精密硬車削均可達(dá)到或略高于磨削的加工精度。

(3)提高基準(zhǔn)面平面度可以顯著改善精密硬車削套圈溝道的圓度；刀具切削刃的磨損會影響加工試樣的加工精度和表面完整性，因此需要監(jiān)控刀具切削刃的磨損。

(4)精密硬車削、磨削兩種加工方式對套圈表面顯微硬度沒有明顯影響，在文中的試驗(yàn)條件下，精密硬車削試樣加工表面不存在燒傷。

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(編輯王旻玥)

Experimental Research of Surface Integrity for Precision Hard Turning Finished Bearing Rings

Ding Honghan1Hang Lubin1Chen Youguang2

1.Shanghai University of Engineering Science,Shanghai,210620 2.Shanghai Bearing Technology Research Institute,Shanghai,20031

In order to avoid the shortcomings appeared in grinding and to explore new processing technology of hard turning finished bearing rings, the surface integrity of hard turning rings was studied by experimental method, and the relationship among the flatness of datum surface, the tool wear of cutting edge and the precision of hard turning was investigated. Based on the researches of surface roughness, roundness of raceway, micro-hardness, heat damage, microstructure, residual stress distribution and processing efficiency of the samples, it is found that the processing accuracy of hard turning is as high as that of grinding, while the micro-structure of hard turning remains stable, heat damage does not generate easily, the residual stress distribution is controllable and the processing efficiency is higher. These results are conducive to the industrialization of high precision bearing production. Furthermore, the influences of flatness of datum surface on the roundness of raceway were analyzed while the ring was clamped by magnetic chuck on hard turning machine tools. The results show that better flatness will produce better roundness of hard turning raceway. At last, the influences of tool wear on the processing accuracy of hard turning were analyzed, which reveals that the tool wear is an important cutting parameter to be controlled strictly in finish stage to get better roundness of raceway.

rolling bearing; precision hard turning; grinding; surface integrity

丁紅漢，男，1990年生。上海工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生。主要研究方向?yàn)楦呔茌S承設(shè)計(jì)、制造。杭魯濱(通信作者)，男，1966年生。上海工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授。陳有光，男，1954年生。上海市軸承技術(shù)研究所教授級高級工程師。

2015-05-22

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51475050)；上海市科學(xué)技術(shù)委員會重點(diǎn)支撐項(xiàng)目(12510501100)

TH113

10.3969/j.issn.1004-132X.2016.08.013