磨削定位支承裂紋的形成原因及分析

楊俊生，葉健熠，夏謙，崔旋，胡敬原

(1.洛陽(yáng)軸承研究所有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039；2.高性能軸承數(shù)字化設(shè)計(jì)國(guó)家國(guó)際科技合作基地，河南 洛陽(yáng) 471039；3.河南省高性能軸承技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽(yáng) 471039)

1 磨削定位支承裂紋

1.1 磨削定位支承

磨削過程中對(duì)軸承零件起定位或支承作用的附件統(tǒng)稱為磨削定位支承，其作用是保證軸承零件在磨削時(shí)的姿態(tài)和轉(zhuǎn)動(dòng),從而保證磨削過程的順利進(jìn)行。

軸承零件在磨削過程中常處于轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，一方面是為了形成軸承零件要求的回轉(zhuǎn)表面，另一方面是為了避免誘發(fā)磨削熱缺陷的時(shí)間敏感性[1]問題導(dǎo)致的磨削裂紋。

軸承行業(yè)常用臥式機(jī)床對(duì)軸承零件的內(nèi)徑面、外徑面、滾道或溝道面以及擋邊等位置進(jìn)行磨削，無(wú)論是中小型軸承零件磨削時(shí)采用的無(wú)心磁極吸附定位還是大型軸承采用的機(jī)械壓板式定位，均需在軸承零件的外表面設(shè)置輔助支承進(jìn)行定位。其中，磨削定位支承與支承面相對(duì)運(yùn)動(dòng)，磨削定位支承處于運(yùn)動(dòng)副上。

1.2 磨削定位支承裂紋產(chǎn)生機(jī)理

1.2.1 磨削裂紋

磨削裂紋的產(chǎn)生原因?yàn)椋涸谀ハ鬟^程中，砂輪與零件之間的非正常接觸導(dǎo)致砂輪的機(jī)械能大量轉(zhuǎn)化為熱能，從而誘發(fā)組織變化，在組織應(yīng)力及其他應(yīng)力的聯(lián)合作用下，局部拉應(yīng)力大于材料的斷裂強(qiáng)度，在零件磨削表面形成裂紋。

在磨削裂紋的產(chǎn)生過程中，零件與砂輪的相對(duì)運(yùn)動(dòng)及接觸是砂輪動(dòng)能到磨削表面熱能轉(zhuǎn)化的必要條件[2]，也是導(dǎo)致磨削裂紋產(chǎn)生的必要條件。

1.2.2 磨削定位支承裂紋

將磨削過程中由磨削定位支承與軸承零件的摩擦磨損而導(dǎo)致的裂紋定義為磨削定位支承裂紋。磨削定位支承裂紋的產(chǎn)生機(jī)理與由砂輪磨削導(dǎo)致的磨削裂紋的產(chǎn)生機(jī)理相似。在磨削過程中，軸承零件處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，磨削定位支承與軸承接觸時(shí)必然會(huì)產(chǎn)生摩擦磨損，尤其是當(dāng)磨削定位支承產(chǎn)生磨損后，初始摩擦阻力小的點(diǎn)接觸和線接觸逐漸累積并變成面積更大的接觸面，這時(shí)的接觸條件比鈍化的砂輪磨削時(shí)更惡劣，摩擦發(fā)熱導(dǎo)致組織變化從而產(chǎn)生高溫回火和二次淬火帶[3]。而且，當(dāng)磨削定位支承的硬度高時(shí)，還會(huì)在接觸凸點(diǎn)產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力集中，在組織應(yīng)力和機(jī)械接觸應(yīng)力的耦合作用下產(chǎn)生裂紋。

2 磨削支承裂紋案例及形貌特征

2.1 圓柱滾子外徑面磨削定位支承裂紋

某大尺寸的圓柱滾子經(jīng)雙端面機(jī)床磨削[4]后的表面形貌如圖1所示：在滾動(dòng)面出現(xiàn)磁粉探傷裂紋，裂紋繞滾子圓周方向平行分布，長(zhǎng)度僅2 mm左右；滾子整體冷酸洗后可看到大量周向的黑色燒傷條紋，在2個(gè)箭頭之間的區(qū)域繞圓周分布，分析確定為摩擦造成的磨損變質(zhì)帶；磨損變質(zhì)帶的局部形貌中可以看到黑色變質(zhì)層以及白色耐蝕變質(zhì)層，這與由砂輪磨削導(dǎo)致的高溫回火層和二次淬火層相似；滾子進(jìn)行切樣熱酸洗后，裂紋直接顯示出來，由此可以確定圖1a中微小的磁粉探傷顯示痕跡為裂紋。

圖1 圓柱滾子外徑面磨削定位支承裂紋的表面形貌Fig.1 Surface morphology of cracks caused by grinding positioning support of cylinder roller outer diameter surface

圓柱滾子通常采用雙端面機(jī)床進(jìn)行平面磨削，磨削時(shí)先將料筒通過螺栓固定在料盤上，然后將滾子放入料筒內(nèi)并將料盤旋入磨削區(qū)，砂輪在兩端對(duì)滾子端面同時(shí)進(jìn)行磨削。磨削過程中，滾子外徑面與料筒內(nèi)表面之間存在接觸和相對(duì)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致滾子外徑面出現(xiàn)磨損變質(zhì)層和細(xì)小裂紋，在料筒內(nèi)表面也可以觀察到相應(yīng)的磨損痕跡(圖2)。另外，圖1c中滾子酸洗變質(zhì)區(qū)域的寬度與料筒寬度存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此可確認(rèn)滾子外徑面上平行短線裂紋的產(chǎn)生原因是滾子與套筒的摩擦磨損，與文獻(xiàn)[5]的研究結(jié)果(裂紋和變質(zhì)層產(chǎn)生原因?yàn)殡p端面磨削中料套將滾子拉傷)一致。

圖2 雙端面磨削中的料筒Fig.2 Sleeve of paralled surface grinding machine

2.2 套圈端面磨削定位支承裂紋

雙端面機(jī)床磨削套圈時(shí)，套圈在進(jìn)入磨削區(qū)之前(未發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng))由擋板對(duì)套圈端面進(jìn)行軸向定位，進(jìn)入磨削區(qū)后則由兩側(cè)砂輪垂直套圈端面的磨削力進(jìn)行軸向定位。在套圈磨削完成后，若未停止旋轉(zhuǎn)就退出工作位置，套圈會(huì)因失去砂輪的軸向定位而發(fā)生歪斜，與擋板相互摩擦并造成磨損。

雙端面機(jī)床擋板對(duì)軸承套圈端面造成的磨損痕跡以及由此導(dǎo)致的裂紋如圖3所示，磨損痕跡沿圓周方向且與磨削痕跡有明顯區(qū)別。由磨損痕跡與磨削痕跡的交錯(cuò)關(guān)系看，磨削紋路在磨損痕跡處突然中止，說明磨削在先，磨損在后[6]。與擋板上的磨損痕跡(圖4)比對(duì)分析可知，零件上的磨損和裂紋是其與擋板發(fā)生嚴(yán)重的摩擦磨損所導(dǎo)致，與上述分析一致。

圖3 軸承外圈端面磨損痕跡及裂紋(MT)Fig.3 Wear trace and crack on bearing outer ring end surface(MT)

圖4 雙端面套圈磨削機(jī)床擋板Fig.4 Dam board of paralled surface grinding machine

2.3 套圈外徑面磨削定位支承裂紋

2.3.1 套圈外徑面磨削定位支承類型

在臥式磨床對(duì)軸承套圈的磨削過程中，外徑面的輔助定位支承會(huì)使套圈產(chǎn)生裂紋。臥式磨床常見的定位支承類型有以下5種：

1)膠木支承。膠木支承耐磨損且不易對(duì)軸承支承面產(chǎn)生磨損，但是摩擦阻力大，容易使軸承磨削時(shí)產(chǎn)生停轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

2)尼龍支承。尼龍支承不易對(duì)軸承支承面產(chǎn)生磨損，但尼龍塊自身磨損速度快，更換周期短，磨損嚴(yán)重時(shí)摩擦阻力過大會(huì)導(dǎo)致零件停轉(zhuǎn)或間歇轉(zhuǎn)動(dòng)，從而引發(fā)嚴(yán)重的磨削事故。

3)合金支承。合金支承耐磨損，對(duì)軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)阻力小，但磨損后會(huì)使軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)阻力增大，并磨損軸承被支承位置。由于合金支承的硬度高，可將軸承被支承表面對(duì)磨的非常粗糙，甚至?xí)霈F(xiàn)機(jī)械性撕裂。

4)陶瓷合金復(fù)合支承。通常是在合金條上覆蓋陶瓷層作為陶瓷復(fù)合支承(圖5)，其硬度高，耐磨損，磨損后產(chǎn)生的結(jié)果與合金支承相似。

圖5 陶瓷條支承Fig.5 Ceramic bar support

5)小軸承支承。用小軸承外徑面作為支承進(jìn)行磨削的示意圖如圖6所示，小軸承的承載力大，轉(zhuǎn)動(dòng)阻力小，但整個(gè)結(jié)構(gòu)需要一定的空間，且磨削液中混合的磨屑容易在小軸承處堆積，即使選用帶密封蓋的軸承，也會(huì)由于磨屑進(jìn)入產(chǎn)生卡死失效而導(dǎo)致非正常接觸。

圖6 小軸承支承Fig.6 Small bearing support

在以上5種定位支承中，即使硬度最高、最耐磨的陶瓷合金復(fù)合支承，不僅陶瓷層被磨損，而且露出來的合金也被磨損，由其磨損狀態(tài)可知，由于軸承零件的硬度很高，上述所有支承材質(zhì)均會(huì)在軸承磨削加工過程中產(chǎn)生磨損。支承發(fā)生磨損后，軸承零件與支承之間的接觸由理想的點(diǎn)接觸和線接觸變?yōu)槊娼佑|，導(dǎo)致支承位置的摩擦阻力增大，從而使軸承被支承位置產(chǎn)生摩擦磨損、機(jī)械損傷，甚至出現(xiàn)變質(zhì)層和裂紋。

2.3.2 套圈外徑面磨削定位支承裂紋案例

1)四列圓柱滾子軸承內(nèi)圈的磨削過程中，其滾道面支承位置磨損后出現(xiàn)毛澀狀的磨損變質(zhì)帶及細(xì)小的近似平行裂紋，如圖7所示。

圖7 四列圓柱滾子軸承內(nèi)圈滾道面支承處的磨損及裂紋(MT)Fig.7 Wear trace and crack on raceway surface support of four row cylindrical roller bearing inner ring(MT)

2)調(diào)心滾子軸承內(nèi)圈支承處的磨損和短小裂紋如圖8所示，磨損痕跡肉眼觀察不明顯，但經(jīng)冷酸洗后可以看到黑色及白色的磨損變質(zhì)帶，說明局部磨損嚴(yán)重。裂紋、酸洗變質(zhì)形貌與雙端面機(jī)床磨削滾子時(shí)產(chǎn)生的裂紋和變質(zhì)帶相似。

圖8 調(diào)心滾子軸承內(nèi)圈外徑面處的磨損形貌(垂直磨損方向)Fig.8 Wear morphology on inner ring outer diameter surface of spherical roller bearing(vertical to wear direction)

3)調(diào)心滾子軸承內(nèi)圈支承處的磨損和長(zhǎng)裂紋如圖9所示，其與圖8為同一型號(hào)的軸承零件，區(qū)別是其磨損區(qū)域的寬度更大，裂紋更長(zhǎng)且裂紋長(zhǎng)度超出支承邊界處有輕微的擴(kuò)展。

圖9 調(diào)心滾子軸承內(nèi)圈外徑面處的長(zhǎng)裂紋和磨損形貌(垂直磨損方向，MT)Fig.9 Long crack and wear morphology on inner ring outer diameter surface of spherical roller bearing(vertical to wear direction，MT)

4)調(diào)心滾子軸承內(nèi)圈外徑面支承處的磨損狀態(tài)以及沿支承痕跡產(chǎn)生的周向裂紋如圖10所示，圖中可以觀察到磨損變質(zhì)帶，其中部有輕微凹下去的磨損接觸線，裂紋沿著磨損凹線產(chǎn)生。磨損表面及裂紋通過酸洗磁粉探傷復(fù)合顯示的效果如圖11所示，將裂紋在箭頭右側(cè)的磁粉顯示痕跡擦除，可以看到裂紋完全沿著支承接觸產(chǎn)生的繞圓周方向的線性變質(zhì)層分布，說明二者具有明顯的相關(guān)性。

圖10 調(diào)心滾子軸承內(nèi)圈外徑面處的長(zhǎng)裂紋和磨損形貌(平行磨損方向，MT)Fig.10 Long crack and wear morphology on inner ring outer diameter surface of spherical roller bearing(parallel to wear direction,MT)

圖11 圖10中的裂紋與支承痕的相關(guān)性(酸洗和MT復(fù)合)Fig.11 Correlation of crack and support trace(compound of pickling and MT)of fig.10

5)大型四列圓柱滾子軸承外圈外徑面處的支承裂紋如圖12所示，裂紋沿圓周方向分布。大型四列圓柱滾子外圈的特點(diǎn)是大而重，更容易導(dǎo)致軸承在磨削支承處產(chǎn)生摩擦磨損和裂紋。

圖12 大型四列圓柱滾子軸承外圈外徑面支承裂紋(MT)Fig.12 Support crack on outer diameter surface of large size four row cylindrical roller bearing outer ring(MT)

3 磨削定位支承裂紋形貌特征分類及鑒別

由上述分析可知，雙端面磨削產(chǎn)生的裂紋形貌都是固定的，而軸承套圈外徑面定位支承類型多樣，所產(chǎn)生的裂紋形貌變化較大，因此，著重對(duì)其進(jìn)行分析。

3.1 磨削支承裂紋的形貌特征分類

3.1.1 裂紋方向

磨削定位支承裂紋的方向有垂直和平行磨損變質(zhì)帶2個(gè)方向。

垂直磨損變質(zhì)帶的磨削定位支承裂紋是磨損變質(zhì)裂紋的主要形式，其與垂直于磨削方向裂紋的產(chǎn)生原因相似，主要受組織應(yīng)力和切向接觸應(yīng)力的影響。

平行磨損變質(zhì)帶的磨削定位支承裂紋較少見，本質(zhì)上屬于脆性材料被局部壓迫導(dǎo)致變形，塑性耗盡后被壓裂。磨損造成高溫回火變質(zhì)帶，使變質(zhì)帶區(qū)呈拉應(yīng)力狀態(tài)，如果高硬度的磨削支承在某一點(diǎn)有應(yīng)力集中而達(dá)到足以驅(qū)動(dòng)塑性變形的程度，就會(huì)在塑性變形點(diǎn)產(chǎn)生巨大的拉應(yīng)力，與高溫回火產(chǎn)生的拉應(yīng)力疊加從而導(dǎo)致塑性變形點(diǎn)產(chǎn)生裂紋，裂紋產(chǎn)生后隨應(yīng)力集中點(diǎn)的移動(dòng)而繼續(xù)擴(kuò)展，逐步演變?yōu)槿鐖D10所示的周向裂紋。

3.1.2 裂紋長(zhǎng)度

沿圓周方向平行于磨損變質(zhì)帶的磨削定位支承裂紋的長(zhǎng)度很長(zhǎng)且不斷擴(kuò)展；垂直于磨損變質(zhì)帶的磨削定位支承裂紋基本上會(huì)局限在磨損變質(zhì)帶的寬度范圍之內(nèi)，或者裂紋主體在磨損變質(zhì)帶之內(nèi)，在磨損變質(zhì)帶邊界外有輕微擴(kuò)展。

3.1.3 裂紋分布密集程度

磨削定位支承裂紋的產(chǎn)生表明定位支承對(duì)軸承的摩擦磨損已達(dá)到很嚴(yán)重的程度。定位支承在對(duì)軸承造成磨損的同時(shí)自身也在不斷地磨損，最初理想的接觸點(diǎn)和接觸線逐漸變?yōu)槊娣e越來越大的磨損面。定位支承磨損后，除增加摩擦阻力外，還會(huì)使軸承表面的單個(gè)點(diǎn)位在單次運(yùn)轉(zhuǎn)圓周內(nèi)的對(duì)磨長(zhǎng)度增加，從而使磨損熱量累積，增加單位區(qū)域的組織拉應(yīng)力，并在切向磨削機(jī)械接觸應(yīng)力的疊加下在更小的范圍內(nèi)產(chǎn)生裂紋，使裂紋密集化。簡(jiǎn)而言之，裂紋密集表明摩擦磨損在單位表面更為劇烈。

3.1.4 裂紋分布特征

磨削定位支承裂紋的分布特征是局部的單條裂紋與局部磨損變質(zhì)帶相關(guān)，而所有裂紋作為一個(gè)整體時(shí)則與整體磨損變質(zhì)帶相關(guān)。由于軸承零件表面的磨損變質(zhì)帶都是圓周運(yùn)轉(zhuǎn)過程中受定位支承磨損而產(chǎn)生，因此磨損變質(zhì)帶和磨削定位支承裂紋在整體上均處于定位支承范圍內(nèi)，沿零件表面圓周方向分布在繞零件磨削轉(zhuǎn)動(dòng)軸心的圓上。

3.2 磨削定位支承裂紋的鑒別

磨損變質(zhì)帶在未經(jīng)后續(xù)加工覆蓋時(shí)通常十分明顯，磁粉探傷狀態(tài)下裂紋與磨損變質(zhì)帶的相關(guān)性也很明顯。磨損變質(zhì)帶在批量生產(chǎn)中具有相對(duì)固定的位置，即使不與機(jī)床磨削定位支承的位置進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)比對(duì)，也可以識(shí)別磨損變質(zhì)帶是否由磨削定位支承導(dǎo)致。如果磨損變質(zhì)帶的位置經(jīng)過后續(xù)加工覆蓋，可以用酸洗的方法顯示磨損變質(zhì)帶后進(jìn)行識(shí)別。

4 結(jié)束語(yǔ)

磨削定位支承裂紋產(chǎn)生的根本原因是軸承磨削定位的特殊性，即軸承零件與定位支承之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)。位于運(yùn)動(dòng)副上的定位支承難以避免摩擦磨損問題，從而進(jìn)一步導(dǎo)致機(jī)械損傷、組織變化以及裂紋，這都是非常自然的過程。

文中僅分析了軸承零件在3種加工情形下的磨削定位支承裂紋，從磨削定位支承裂紋產(chǎn)生的原理推論，軸承加工中的所有運(yùn)動(dòng)接觸副都有產(chǎn)生磨削定位支承裂紋的基礎(chǔ)。磨削定位支承在磨削過程中的作用與軸承在機(jī)械中的作用類似，磨損不可避免，潤(rùn)滑自然也是必要的，但是磨削液的潤(rùn)滑作用被忽視是一個(gè)比較普遍的問題，同時(shí)，為避免磨削定位支承嚴(yán)重磨損后對(duì)軸承被支承面造成損傷，有必要對(duì)磨削定位支承的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，磨削時(shí)的肉眼觀察和酸洗是有效的措施。