硬態(tài)切削軸承套圈近表層殘余應(yīng)力分布及性能

薛 宇, 巴發(fā)海

(上海材料研究所, 上海 200437)

專題報(bào)道

硬態(tài)切削軸承套圈近表層殘余應(yīng)力分布及性能

薛 宇, 巴發(fā)海

(上海材料研究所, 上海 200437)

通過對(duì)硬態(tài)切削軸承套圈和磨削軸承套圈進(jìn)行對(duì)比，分析了硬態(tài)切削軸承套圈近表層殘余應(yīng)力的分布、溝道表面形貌、硬度和粗糙度。結(jié)果表明：與磨削軸承套圈相比，硬態(tài)切削軸承套圈能夠獲得更大的近表層殘余壓應(yīng)力和更深的壓應(yīng)力層，以及較好的表面形貌和較高的表面硬度。

硬態(tài)切削；磨削；軸承套圈；殘余應(yīng)力；性能

硬態(tài)切削是采用超硬刀具對(duì)硬度大于50 HRC的淬硬鋼進(jìn)行精密切削加工的工藝。與傳統(tǒng)磨削技術(shù)相比，硬態(tài)切削技術(shù)以其良好的加工柔性、較高的加工效率和較低的加工成本等優(yōu)勢(shì)，在發(fā)達(dá)國(guó)家超精密軸承的生產(chǎn)中有較為普遍的應(yīng)用[1]。一般認(rèn)為：殘余拉應(yīng)力不利于疲勞壽命的提高；而殘余壓應(yīng)力能夠增加微裂紋閉合能力，阻滯裂紋擴(kuò)展，從而延長(zhǎng)零件的疲勞壽命，超精硬態(tài)切削工藝能夠在已加工表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。

目前，針對(duì)硬態(tài)切削軸承方面的研究主要集中在切削機(jī)理與模擬方面，而對(duì)超精密軸承硬態(tài)切削加工殘余應(yīng)力分布的研究還較少。為此，筆者采用超精密硬態(tài)切削工藝對(duì)GCr15鋼軸承套圈進(jìn)行加工，從表層殘余應(yīng)力的分布與表面形貌等方面與P4級(jí)進(jìn)口德國(guó)舍弗勒集團(tuán)(FAG)磨削軸承進(jìn)行了對(duì)比，以期為硬態(tài)切削技術(shù)在精密軸承生產(chǎn)的實(shí)際應(yīng)用提供參考。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

為了對(duì)比硬態(tài)切削加工工藝與磨削加工工藝，使用PCBN刀具按照表1所示的切削加工工藝參數(shù)對(duì)GCr15鋼軸承內(nèi)圈進(jìn)行加工試驗(yàn)，加工軸承為7016C角接觸球軸承(圖1)，熱處理工藝見圖2。對(duì)比材料同樣為進(jìn)口材料7016C角接觸球軸承FAG磨削軸承，如圖3所示。試驗(yàn)中采用國(guó)產(chǎn)X-350A型X射線應(yīng)力儀測(cè)定殘余應(yīng)力，使用側(cè)傾固定ψ法。測(cè)試參數(shù)為：輻射材料CrKα，準(zhǔn)直管直徑2 mm，X光管電壓25.0 kV，X光管電流5.0 mA，2θ為169.00°～142.00°，ψ為0°，24.2°，35.3°，45.0°，應(yīng)力常數(shù)-318 MPa/(°)，測(cè)試部位為內(nèi)圈溝道底部。為測(cè)得近表層應(yīng)力分布，采用電解拋光剝層的方法對(duì)試樣進(jìn)行腐蝕，腐蝕深度為20 μm，然后采用X射線應(yīng)力儀對(duì)剝層表面的殘余應(yīng)力進(jìn)行測(cè)試[2]。

表1 軸承套圈硬態(tài)切削工藝參數(shù)

圖1 7016C角接觸球軸承結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the 7016C angular contact ball bearing

圖2 軸承套圈熱處理工藝Fig.2 Heat treatment process of the bearing rings

圖3 進(jìn)口FAG磨削軸承外觀Fig.3 Appearance of the imported FAG grinding bearing

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 軸承套圈表面殘余應(yīng)力

對(duì)軸承進(jìn)行電解拋光，每次剝層厚度20 μm，采用X射線應(yīng)力儀對(duì)剝層表面進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)試[2]。不同加工方法得到的軸承溝道的殘余應(yīng)力梯度分布曲線如圖4所示。

圖4 硬態(tài)切削軸承與磨削軸承的殘余應(yīng)力分布(每次剝層厚度20 μm)Fig.4 Residual stress distribution of the hard cutting bearing and the grinding bearing(stripping layer thickness being 20 μm each time)

由圖4可知：硬態(tài)切削軸承最表層的殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力，為-758 MPa(負(fù)號(hào)表示壓應(yīng)力)，且隨著距離軸承表面深度的增加而減小，壓應(yīng)力層深度大約為80 μm；而磨削軸承最表層的殘余壓應(yīng)力較小，為-558 MPa，同樣隨著距離軸承表面深度的增加而減小，壓應(yīng)力層深度僅為30 μm左右。

由于20 μm的拋光剝層間距較大，無法精細(xì)地反應(yīng)軸承近表面層殘余應(yīng)力的分布狀況。因此對(duì)硬態(tài)切削軸承和磨削軸承采用每次剝層5 μm的電解拋光方法，逐層測(cè)試殘余應(yīng)力分布，測(cè)得的軸承溝道殘余應(yīng)力梯度分布如圖5所示。

圖5 硬態(tài)切削軸承與磨削軸承的殘余應(yīng)力分布(每次剝層厚度5 μm)Fig.5 Residual stress distribution of the hard cutting bearing and the grinding bearing(stripping layer thickness was 5 μm each time)

由圖5可以看出：硬態(tài)切削軸承距表面10 μm處的殘余壓應(yīng)力最大，約為-740 MPa，最表層的殘余壓應(yīng)力為-640 MPa，壓應(yīng)力層深度為80 μm左右，硬態(tài)切削軸承的殘余應(yīng)力分布呈勺型；而磨削軸承的壓應(yīng)力隨著深度的增加而不斷減小，在40 μm處應(yīng)力趨于零，應(yīng)力增長(zhǎng)速率趨于零。軸承表面壓應(yīng)力的產(chǎn)生是加工過程中熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力共同作用的結(jié)果[3]，熱效應(yīng)使軸承表層產(chǎn)生拉應(yīng)力，機(jī)械效應(yīng)使軸承表層產(chǎn)生壓應(yīng)力。由于硬態(tài)切削過程中，刀具與工件接觸區(qū)域的平均壓應(yīng)力比磨削的要高，所以其工件表面有著更深的殘余壓應(yīng)力層；而與硬態(tài)切削相比，磨削過程中砂輪與工件表面摩擦擠壓產(chǎn)生的熱效應(yīng)要大[4]，接觸面積也明顯更大，產(chǎn)生的熱量更多。磨削熱量由砂輪與工件的接觸面相互摩擦擠壓產(chǎn)生，大部分熱量傳入工件中，只有少部分熱量被磨屑帶走，而硬態(tài)切削過程中產(chǎn)生的切削熱大部分被切屑帶走，僅有少部分熱量傳入工件[5]，因此硬態(tài)切削軸承的表層壓應(yīng)力要比磨削軸承的大得多。

殘余壓應(yīng)力更有利于提高軸承的疲勞壽命，這是因?yàn)闅堄鄩簯?yīng)力不僅可以提高疲勞裂紋萌生壽命，而且可以提高疲勞裂紋擴(kuò)展壽命。表面殘余壓應(yīng)力越大，越有利于阻礙表面起源型疲勞破壞；殘余壓應(yīng)力層越深，越有利于提高軸承的疲勞壽命。研究表明，硬態(tài)切削軸承表面的殘余應(yīng)力可使軸承疲勞壽命提高約10%～30%[6]。

2.2 軸承套圈溝道表面形貌

圖6 硬態(tài)切削軸承溝道的表面形貌Fig.6 Surface morphology of grooves of the hard cutting bearing

圖7 磨削軸承溝道的表面形貌Fig.7 Surface morphology of grooves of the grinding bearing

對(duì)硬態(tài)切削軸承和磨削軸承溝道進(jìn)行掃描電鏡觀察，得到的表面形貌如圖6和圖7所示。從圖6可以看出，硬態(tài)切削軸承套圈的加工表面光滑規(guī)整，紋理清晰。而磨削軸承加工表面出現(xiàn)了局部微小的缺陷和隆起，有少量的顆粒犁出劃痕，劃痕寬度約為2 mm，如圖7所示。這是由于砂輪是由粘結(jié)劑和許多微小鋒利的磨粒組成，磨粒作為切削刃具有較大的隨機(jī)性[7]。

2.3 軸承套圈表面硬度

對(duì)硬態(tài)切削軸承和磨削軸承的表面硬度進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表2所示。可以看出，硬態(tài)切削軸承的表面硬度略高于磨削軸承的，這是由于磨削加工溫度較高，材料的加工硬化效果較弱，而硬態(tài)切削加工區(qū)域的熱效應(yīng)較小，同時(shí)產(chǎn)生更大的機(jī)械應(yīng)力使得工件材料發(fā)生了更大的塑性變形，加工硬化效果更明顯，導(dǎo)致表面硬度比磨削時(shí)的有所提高。

表2 軸承套圈表面硬度

2.4 軸承套圈表面粗糙度

對(duì)硬態(tài)切削軸承和磨削軸承的表面粗糙度進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表3所示?？梢钥闯?，硬態(tài)切削軸承的表面粗糙度基本達(dá)到與磨削軸承的相近水準(zhǔn)，滿足P4級(jí)軸承所要求的溝道表面粗糙度水平(0.1～0.2 μm)。

表3 軸承套圈表面粗糙度

3 結(jié)論

精密硬態(tài)切削軸承可以獲得比精密磨削軸承更大的表面壓應(yīng)力和更深的壓應(yīng)力層，從而提高軸承的疲勞壽命。硬態(tài)切削軸承還可以獲得良好的表面形貌和略高于磨削軸承的表面硬度，表面粗糙度也能達(dá)到與磨削軸承相近的水準(zhǔn)。因此，硬態(tài)切削軸承的性能優(yōu)于磨削軸承的，在精密軸承生產(chǎn)中，硬態(tài)切削技術(shù)值得推廣和應(yīng)用。

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Residual Stress Distribution and Performance of Near Surface of Hard Cutting Bearing Rings

XUE Yu, BA Fahai

(Shanghai Research Institute of Materials, Shanghai 200437, China)

By comparing hard cutting bearing rings and grinding bearing rings, the residual stress distribution, groove surface morphology, hardness and roughness of the near surface of hard cutting bearing rings were analyzed. The results show that: compared with grinding bearing rings, hard cutting bearing rings could obtain higher residual stress and deeper compressive stress layer on the near surface, as well as better surface morphology and larger surface hardness.

hard cutting; grinding; bearing ring; residual stress; performance

10.11973/lhjy-wl201707004

2016-05-24

薛 宇(1991—)，男，碩士研究生，主要從事材料學(xué)方面的研究，499729191@qq.com

TG115.2

A

1001-4012(2017)07-0474-03