軸承圈加熱切削加工表面質(zhì)量研究

徐蘭英 伍 強 覃孟揚 湯 勇

1.廣東技術師范學院機電學院，廣州,510635 2.廣東技術師范學院汽車與交通工程學院,廣州,510635 3.華南理工大學機械與汽車工程學院,廣州,510640

軸承圈加熱切削加工表面質(zhì)量研究

徐蘭英1伍 強2覃孟揚1湯 勇3

1.廣東技術師范學院機電學院，廣州,510635 2.廣東技術師范學院汽車與交通工程學院,廣州,510635 3.華南理工大學機械與汽車工程學院,廣州,510640

針對軸承圈易出現(xiàn)疲勞破壞的問題，提出采用預加熱硬態(tài)切削加工軸承圈外表面的方法。普通硬態(tài)切削和預加熱硬態(tài)切削試驗結果表明，將工件內(nèi)圈預先加熱到160 ℃進行硬態(tài)切削加工，有助于減小加工表面的粗糙度，由于內(nèi)圈加熱減小了軸承圈內(nèi)外表面的溫度差，故加工后的表面殘余應力顯著減小，其值可達-50 MPa，加工得到的表面紋理清晰，形貌光滑、規(guī)整，刀具進給運動軌跡清晰；加熱切削得到的是均勻的鋸齒形切屑，并且切屑形態(tài)呈螺旋狀，與普通硬態(tài)切削相比，加熱切削過程較為平穩(wěn)，說明加熱切削可獲得良好的表面完整性，且不會引來額外的加工硬化。

硬態(tài)車削；殘余應力；加熱；表面質(zhì)量；軸承

Abstract:In view of hard turning processes of bearings, the processing surface morphology of the outer rings of the bearings was obtained after the ordinary hard cutting and the pre-heating hard machining. Experimental results show that heated hard turning will help to reduce the roughness of the machined surface when the inner rings of workpieces are pre-heated to 160℃, due to the inner ring’s heatings reduce the temperature difference between inner and outer rings of the bearings, the surface residual stress decreases significantly, its value is up to -50 MPa, the processed surface textures are smooth and neat, tracks of tool feed motion are clear; there are no obvious changes in the surface hardnesses of the workpieces obtained separately by heated cutting and ordinary cutting. The heated cutting method obtains a uniform saw tooth shaped chip, and the chip shape is in a spiral shape, which shows that the heated cutting processes of bearing rings are relatively stable., it is beneficial to the formation of smooth surface, which may be used to improve the performance of the bearing rings.

Keywords:hard turning; residual stress; heating; surface quality; bearing

0 引言

在使用滾動軸承的旋轉(zhuǎn)機械中大約有40%的機械故障是由軸承引起的。滾動軸承在使用過程中疲勞剝落是常見的失效形式，產(chǎn)生部位主要有套圈滾道和滾動體表面[1-2]，滾動軸承的滾道作為工作表面，微米級缺陷都會影響整個系統(tǒng)的性能[3-4]。軸承套圈表面的質(zhì)量對軸承在復雜工況下的正常運轉(zhuǎn)影響重大，嚴重磨損會導致軸承很快失效，將影響軸承的正常使用壽命和耐用度[5]。

國內(nèi)外學者對改進軸承加工后的表面質(zhì)量進行了大量研究。DENKENA等[6-7]通過嘗試硬態(tài)車削和深滾的混合加工方法分析了切削刃半徑對滾動軸承內(nèi)圈表面完整性的影響；黃向明等[8]通過實驗研究了淬硬軸承鋼GCr15在磨削加工過程中產(chǎn)生的白層結構及其特性；李秦峰等[9]研究了在線電解修整(ELID)內(nèi)圓磨削軸承外圈時，磨削深度和砂輪進給速度對磨削表面波紋度的影響。在加熱切削方面,石良[10]、劉新等[11]探討了采用導電加熱切削技術對NAK80模具鋼和GH4169鎳基高溫合金進行加工的可行性；趙學智等[12]研究了導電加熱切削時加熱切削區(qū)的電阻模型；徐蘭英等[13-14]對導電加熱鉆削不銹鋼1Cr18Ni9Ti小孔的溫度場進行了模擬擬合和試驗研究；張棟林[15]通過對工件待加工表面進行局部激光輔助加熱，改變常溫下脆性斷裂的材料去除機理，達到對ZrO2陶瓷進行高效、高精度加工的目的；吳林濤等[16]在銑削過程中采用了通電加熱方法并對銑削過程進行了監(jiān)測研究。

本文在上述研究的基礎上提出采用預加熱切削的新方法,在將軸承圈內(nèi)表面加熱到不同的溫度(小于300 ℃)時，對軸承圈外表面進行硬態(tài)車削試驗,探討預加熱切削對加工表面質(zhì)量的影響機理,研究預加熱切削對表面殘余應力、表面粗糙度、硬度及切屑形態(tài)等的影響規(guī)律。

1 試驗條件及方法

加熱切削是提高材料切削加工性能的綠色切削技術[14-16],其原理是，材料受熱發(fā)生軟化，使金屬硬度降低或金屬材料屈服強度降低引起流動應力減小，從而減小了材料的剪切抗力，使切削變得順利，并能獲得相當于磨削的表面粗糙度，而且已加工表面無硬化或軟化現(xiàn)象。本文采用預加熱方法對軸承套圈進行硬態(tài)切削,分析加熱硬態(tài)切削后的加工表面形態(tài)，包括表面殘余應力σ、表面粗糙度Ra、表面硬化層和加工表面形貌以及切屑形貌等。

本試驗中機床采用數(shù)控車床,在軸承套內(nèi)部通過尾架深入放置電阻絲加熱管進行預加熱, 采用滑動變阻器改變加熱電路中的阻值來調(diào)節(jié)加熱溫度，內(nèi)置的加熱電阻絲外面涂上硅油，硅油具有較高的耐熱性和電絕緣性，同時可作為高級潤滑油，使加熱絲工作時并不影響軸承套的快速旋轉(zhuǎn)。溫度測量采用紅外測溫儀。對軸承套外圓進行精車削，精加工采用同一把PCBN車刀，刀具調(diào)整到位后，機床自動進給。

PCBN刀具的參數(shù)如表1所示。軸承內(nèi)套圈的材料Gr15軸承鋼具有高而均勻的硬度和耐磨性，Gr15鋼材料的化學組成和機械物理性能分別見表2和表3。

表1 刀具幾何參數(shù)

表2 GCr15鋼(HRC62)材料的化學組成Tab.2 Chemical composition of GCr15 steel(HRC62) %

表3 GCr15鋼(HRC62)的機械物理性能Tab.3 Mechanical and physical properties of GCr15 steel

表4 正交試驗表

續(xù)表

軸承套車削過程中采用2個紅外測溫儀實時采集溫度數(shù)據(jù)，一個紅外測溫儀測量軸承套內(nèi)表面的加熱溫度，另一個測量軸承套外表面的切削溫度。

殘余應力σ的測試方法可分為有損檢測和無損檢測兩大類。無損檢測方法主要有X射線衍射法、中子衍射法、同步衍射法、超聲波法、電子散斑干涉法和磁性法。其中X射線衍射法的工程應用最為廣泛，本試驗根據(jù)GB/T 7704-2008《無損檢測X射線應力測定方法》,采用STRESS3000 X射線應力分析儀。圖1為硬態(tài)車削后的軸承殘余應力測試現(xiàn)場圖。

圖1 殘余應力測試現(xiàn)場Fig.1 Residual stress test site

2 試驗分析

2.1 殘余應力測量及分析

切削過程中的殘余應力由機械應力和熱應力兩種外因引起。機械應力是切削力使零件表層金屬產(chǎn)生塑性變形，切削完成后又受到里層未變形金屬牽制而殘留的應力。切削熱也引起殘余應力，切削中表面層金屬因熱膨脹產(chǎn)生的塑性變形受里層低溫金屬阻礙而產(chǎn)生應力，在切削后的冷卻過程中，表層金屬體積收縮受里層金屬阻礙也產(chǎn)生殘余應力。

軸承套圈在半精車后產(chǎn)生的殘余應力對后續(xù)的加工不利，因此要及時消除或減小本道工序中產(chǎn)生的殘余應力。從表4中方差的大小可以看出，影響殘余應力σ因素最大的是加熱溫度，其次是進給量和切削速度，這是由于軸承套圈外表面車削時有切削熱產(chǎn)生，導致外表面溫度升高，當軸承套圈內(nèi)表面加熱時內(nèi)表面溫度也升高，這樣軸承內(nèi)表面和外表面的溫度差減小，軸承套內(nèi)外表面同時收縮,減少了熱應力產(chǎn)生的機會,殘余應力值會大大減小。

不同切削參數(shù)和加熱溫度下的殘余應力如圖2所示。從圖2中可以看出，不同情況下獲得的硬態(tài)車削加工后的表面殘余應力σ均是負值，即加工表面以壓應力為主。當橫軸分別選取進給量、切削速度和被吃刀量(切削深度)時,隨著軸承套內(nèi)表面加熱溫度的增加，由于內(nèi)外表面的溫度差減小,殘余應力σ的絕對值逐漸變小,在正常情況即室溫20 ℃時車削獲得的加工表面殘余應力σ在-400 MPa左右；但內(nèi)圈加熱溫度在160 ℃時殘余應力的絕對值達到最小值50 MPa左右，即殘余應力大大減小，大約為正常情況下殘余應力值的八分之一；但溫度繼續(xù)升高時，殘余應力σ的絕對值反而繼續(xù)增大，這是因為150～200 ℃正是碳鋼的低溫回火溫度，低溫回火后能獲得很好的力學性能，能降低壓力和脆性，特別是對滾動軸承鋼，能維持高硬度和高耐磨性，而當內(nèi)表面加熱溫度繼續(xù)升高時只是提高材料的彈性極限，而對殘余應力σ減小沒明顯效果。

2.2 已加工表面粗糙度的分析

影響工件已加工表面粗糙度Ra值的因素很多，從表4中可以看出，切削深度對表面粗糙度Ra的影響程度最大，其次是切削速度和進給量，對加工后的軸承套表面采用TR200接觸式表面粗糙度測量儀進行測量，圖3和圖4分別為不同切削參數(shù)下軸承圈外表面的粗糙度曲線。

為了更好地研究軸承套內(nèi)表面的加熱溫度對切削外表面時獲得的表面粗糙度的影響，以軸套已加工表面粗糙度Ra值最小為考核指標，采用單因素法分別考慮切削參數(shù)在普通切削和加熱切削條件下對表面粗糙度的影響。各影響曲線如圖5所示，可看出，當切削用量中各參數(shù)選取最大值時，表面粗糙度Ra值達到最大；同時還可看出加熱切削比普通切削獲得了更小的表面粗糙度值，這是因為加熱切削時，內(nèi)外表面溫度差變小，材料層之間因膨脹或收縮而導致的牽扯力變小，材料屈服強度將小于斷裂強度，剪切強度和切削抗力減小，刀具和工件之間的相對運動就較為穩(wěn)定，切削過程比較平穩(wěn)，因而有利于表面粗糙度值減小。

(a)不同溫度下殘余應力隨進給量的變化

(b)不同溫度下殘余應力隨切削速度的變化

(c)不同溫度下殘余應力隨切削深度的變化圖2 不同切削參數(shù)和加熱溫度下的殘余應力Fig.2 Residual stress at different cutting parameters and heating temperatures

圖3 普通硬態(tài)切削外圈表面的粗糙度曲線Fig.3 Roughness curve of the outer ring surface of ordinary hard cutting

圖4 加熱切削外圈表面的粗糙度曲線(t=160℃)Fig.4 Roughness curve of the outer surface of the heated cutting(t=160 ℃)

(a)表面粗糙度隨切削速度的變化(f=0.10 mm/r,ap=0.15 mm)

(b)表面粗糙度隨切削深度的變化(v=300 m/min,f=0.15 mm/r)

(c)表面粗糙度隨進給量的變化(v=300 m/min,ap=0.15 mm)圖5 不同切削參數(shù)和加熱溫度下的表面粗糙度Fig.5 Surface roughness at different cutting parameters and heating temperatures

在圖5a中，表面粗糙度Ra值隨切削速度v變化呈波動性增大，切削速度v=400 m/min 時，Ra值達到最大值，即v=400 m/min、t=20 ℃時獲得的Ra最大值為1.19 μm,在加熱到160 ℃時獲得的Ra最大值為0.79 μm；在圖5b中，Ra值隨切削深度ap的變化關系是上凹曲線，從最小切削深度開始，隨著切削深度ap加大，Ra值緩慢減小，在切削深度ap=0.15 mm處，曲線下降到最低點，隨后，Ra值隨切削深度ap增大而增大，即在ap=0.15 mm、t=20 ℃時獲得的表面粗糙度Ra最小值為0.7 μm，在160 ℃時獲得的Ra最小值為0.625 μm；圖5c曲線顯示，Ra值隨著進給量f的增大幾乎呈線性增大，當進給量f=0.20 mm/r時，在20 ℃獲得的Ra達到最大值0.855 μm，在160 ℃時獲得的Ra達到最大值0.895 μm，兩者的最大值比較接近。

研究還發(fā)現(xiàn)，無論是普通車削還是加熱車削，切削深度ap與表面粗糙度Ra關系曲線均出現(xiàn)了變化趨勢的轉(zhuǎn)折點，即在ap=0.15 mm處Ra達到最小值，這是由于隨著ap的增大，切削溫度升高使得工件表面材料迅速軟化，已加工表面上就出現(xiàn)了材料快速熔融及涂抹、燒蝕產(chǎn)生的坑斑和材料黏附等現(xiàn)象，這樣就會惡化工件的已加工表面質(zhì)量，故Ra值會增大。

此外，隨著進給量f加大，表面粗糙度值也增大。這是因為當進給量f加大時，單位時間材料的去除率增大，導致切削功耗增加，從而切削力增大，表面粗糙度值也增大，但由于進給量的改變對切削熱的產(chǎn)生及變化影響較小，所以已加工表面粗糙度值隨進給量f變化的幅度也相對較小。

2.3 表面硬度檢測及硬化層的分析

顯微硬度的測試儀器采用HV-1000維氏硬度計,載荷為100 g砝碼，將硬態(tài)切削后的軸承圈采用線切割方法沿軸向剖開，在剖面上用一個金剛石壓頭壓入待測金屬表面，經(jīng)規(guī)定的保荷時間后卸載，通過測量試樣表面的正方形壓痕對角線長度可求出硬度值，檢測結果如表5所示。測試條件如下：Ra=0.83 μm,v=300 m/min,f=0.15 mm/r,ap=0.08 mm。

表5 顯微硬度測試數(shù)據(jù)表Tab.5 Microhardness test data

表5中的數(shù)據(jù)是內(nèi)表面加熱溫度為160 ℃時車削獲得的，從表中可以看出，從加工表面到距離表面約0.55 mm的長度內(nèi)硬度值變化范圍不大，基本上集中在700 HV左右，說明加熱硬態(tài)切削沒有改變表面層的硬度值，也沒有帶來額外的加工硬化。

在硬態(tài)切削過程中，已加工表面的硬度變化會受到刀具和切削參數(shù)及切削環(huán)境等的影響[17]。在刀具參數(shù)確定的條件下，從切削條件的角度看，切削速度對加工表面的硬度影響最為顯著，隨著切削速度的增加，已加工表面硬度增大，硬化層的深度也相應增大。

將硬態(tài)切削后的軸承圈采用線切割方法沿軸向剖開，經(jīng)研磨、拋光后采用硝酸溶液進行分步腐蝕。切削條件如下：v=300 m/min,ap=0.15 mm,f=0.10 mm/r。在NEOPHOT型金相顯微鏡上進行顯微觀察，圖6分別代表兩種方案的切削層剖面顯微照片。圖中剖面最上面的白色薄層是材料的表層，白色薄層的以下部分為金屬基體層。從圖6中可以看到，兩個方案的表層組織和基體組織沒有明顯的差異，二者加工表面都存在一定的塑性變形層深度，變形層的分界線不是特別明顯，此白色薄層即為加工硬化層，加熱切削過程中產(chǎn)生的加工硬化薄層主要是切削刃口與工件的擠壓、摩擦以及切削過程中發(fā)生的塑性變形和剪切變形的綜合作用而形成的。

(a)普通硬態(tài)切削

(b)加熱160 ℃時的硬態(tài)切削圖6 兩種方案的切削層剖面的金相組織Fig.6 Metallographic structure of the cutting section at two different schemes

2.4 已加工表面形貌分析

將軸承套圈的加工表面進行電子掃描電鏡觀察，得到兩種方案已加工表面掃描電鏡照片，如圖7所示?？梢钥闯?，加熱后硬態(tài)車削方案的加工表面紋理清晰，刀具進給運動軌跡清晰，已加工表面形貌光滑、規(guī)整。這是由于預加熱后軸承圈內(nèi)外溫差減小，在加工軸承圈時有助于材料軟化，金屬材料屈服強度降低，流動應力減小，從而加工后產(chǎn)生的殘余應力也大大減小，此時切削過程中表面層金屬順利成為切屑并快速流走，從而有利于已加工表面的良好形貌的形成。

(a)普通硬態(tài)切削

(b)加熱160 ℃硬態(tài)切削圖7 已加工表面SEM照片F(xiàn)ig.7 SEM photographs of machined surfaces

2.5 切屑形態(tài)的分析

硬態(tài)切削加工中表層材料受到刀具的擠壓作用而產(chǎn)生彈塑性變形，在第一變形區(qū)開始沿剪切面向上滑移，并在切削刃前端與基體材料分離，一部分沿著前刀面繼續(xù)擠壓、摩擦而形成切屑，另一部分與刀具后刀面摩擦擠壓形成已加工表面。硬態(tài)切削容易產(chǎn)生鋸齒形切屑，切屑的形成伴隨著切削力各個分量的波動，可以觀察到加熱硬態(tài)切削得到的是更加均勻的鋸齒形切屑，并且切屑形態(tài)呈螺旋狀，如圖8所示。兩種方案獲得的切屑掃描電子顯微鏡(SEM)照片見圖9，說明軸承套圈的預加熱硬態(tài)切削的切削過程較為平穩(wěn)，有利于光滑加工表面的形成。

(a)螺旋狀切屑宏觀

(b)加熱切削的切屑形態(tài)(×50)圖8 螺旋狀切屑Fig.8 Spiral chip

(a)加熱160 ℃硬態(tài)切削的切屑正面和反面(×100)

(b)普通硬態(tài)切削的切屑正面和反面(×100)圖9 切屑SEM照片F(xiàn)ig.9 SEM photos of chip

3 結論

(1)加熱到160℃時的切削與普通硬態(tài)切削相比，能獲得大約只有-50 MPa的殘余應力。

(2)加熱切削比普通切削能獲得較小的表面粗糙度，其最小值可達0.58 μm。

(3)加熱切削可獲得形貌規(guī)整和紋理清晰的加工表面，且不會帶來額外的加工硬化。

(4)加工軸承鋼時，與普通硬態(tài)切削相比，加熱硬態(tài)切削可得到更加均勻的鋸齒形切屑。

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(編輯袁興玲)

ResearchonSurfaceQualityofHeatedCuttingBearingRings

XU Lanying1WU Qiang2QIN Mengyang1TANG Yong3

1.School of Mechatronic Engineering,Guangdong Polytechnic Normal University,Guangzhou,5106352.School of Automotive and Transport Engineering, Guangdong Polytechnic Normal University,Guangzhou,5106353.School of Mechanical & Automotive Engineering, South China University of Technology,Guangzhou,510640

TH133.33;TG506.1

10.3969/j.issn.1004-132X.2017.19.009

2016-06-23

國家自然科學基金資助項目(51375101)；廣東省自然科學基金資助項目(2014A030313638，2015A030313673)；廣東省科技計劃資助項目(2014A010104014)

徐蘭英，女，1971年生。廣東技術師范學院機電學院教授、博士后研究人員。主要研究方向為金屬切削機理及加工質(zhì)量。發(fā)表論文20余篇。伍強(通信作者)，男，1967年生。廣東技術師范學院汽車與交通工程學院教授、博士后研究人員。覃孟揚，男，1972年生。廣東技術師范學院機電學院講師、博士。湯勇，男，1962年生，華南理工大學機械與汽車工程學院教授、博士研究生導師。