淬硬軸承鋼磨削溫度及其熱損傷研究

孫鵬程

摘 要：為了研究磨削溫度對淬硬GCr15軸承鋼磨削質量的影響，利用可磨式K型熱電偶來測量磨削溫度，觀察磨削工件的表面狀態(tài)與截面組織，探究磨削溫度的變化規(guī)律和其對工件加工質量的影響。研究表明，磨削切深對磨削溫度有著顯著的影響，過高的磨削溫度會使工件表面產(chǎn)生嚴重的燒傷現(xiàn)象，工件表面粗糙度急劇增大。當磨削溫度超過材料相變溫度時，磨削工件表面和亞表面還會產(chǎn)生大量的白層，從而嚴重影響工件表面的磨削加工質量。

關鍵詞：淬硬軸承鋼;磨削;磨削溫度;熱損傷;表面粗糙度

中圖分類號：TG580 ? ? ?文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1003-5168（2022）11-0034-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.11.007

Research on the Grinding Temperature and Thermal Damage of

Hardened Bearing Steel

SUN Pengcheng

（School of Automotive and Mechanical Engineering，Changsha University of Science & Technology，Changsha 410114，China）

Abstract：In order to study the effect of grinding temperature on grinding quality of hardened GCr15 bearing steel，the grinding temperature was measured by grindable K-type thermocouple，the surface state and section structure of the workpiece were observed，and the changing rule of grinding temperature and its influence on workpiece machining quality were revealed.The results show that the cutting depth has a significant effect on grinding temperature.High grinding temperature causes serious burning on the workpiece surface，the roughness of the workpiece surface increases sharply.When the grinding temperature exceeds the material transformation temperature，a large number of white layers are generated on the grinding surface and sub-surface of the workpiece，which seriously affect the grinding quality of the workpiece surface.

Keywords：hardened bearing steel;grinding;grinding temperature;ghermal damage;surface roughness

0 引言

淬硬GCr15軸承鋼是一種性能良好、應用廣泛的高碳鉻軸承鋼，其具有硬度大、耐磨性能好以及接觸疲勞強度高等優(yōu)點，在航空航天、軌道交通及工程機械等行業(yè)有著廣泛的應用[1-2]。磨削加工是淬硬GCr15軸承鋼的重要精加工手段[3]，但該材料自身具有高硬度、高耐磨性等特點，給精密磨削加工帶來了很多困難[4]。相比于其他類型的材料，金屬材料在磨削加工過程中的熱量積累效應更加明顯，磨削溫度上升速度更快[5]，過高的磨削溫度會使得金屬材料表面發(fā)生燒傷[6-7]，并且其亞表面組織也會發(fā)生相變[8]，從而導致工件表面的質量大幅度降低，減少軸承類工件的使用壽命[9-11]。所以，研究淬硬GCr15軸承鋼的磨削溫度，分析磨削溫度隨磨削參數(shù)的變化規(guī)律，揭示磨削溫度造成熱損傷的微觀機理，對優(yōu)化淬硬GCr15軸承鋼的磨削加工工藝、提高淬硬GCr15軸承鋼工件的表面質量與加工效率具有重要的意義。

本研究對淬硬GCr15軸承鋼平面進行磨削試驗。通過測量不同磨削條件下的磨削溫度，結合相應磨削溫度下的表面狀態(tài)、亞表面組織結構與粗糙度來分析磨削工件的熱損傷情況，為提高淬硬GCr15軸承鋼磨削加工質量提供理論支持。

1 試驗方案

磨削試驗是在MGK7120×6型高精密數(shù)控磨床上進行的，試驗材料為淬硬GCr15軸承鋼。由于本研究加工的材料為鐵基金屬材料，所以在加工刀具的選擇上，應選用非金剛石磨料的砂輪，考慮到加工性能與成本，本次試驗的砂輪應選用樹脂結合劑立方氮化硼（CBN）砂輪，砂輪目數(shù)為160#。試驗前對砂輪進行修整，使得砂輪的徑向跳動小于1 μm。采用K型可磨式熱電偶對試驗過程中的磨削溫度進行測量，用NI-cDAQ9171型系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行采集。試驗裝置如圖1所示。磨削方式為逆磨，無冷卻劑，切深ap為10～40 μm，砂輪轉速Vs分別設置為18.8 m/s、31.4 m/s，工作臺的進給速度Vw為0.1 m/s。

用LEICA S9i型體視鏡與SE2600型粗糙度輪廓測試儀來觀察磨削后的工件表面狀態(tài)，并測量工作表面的粗糙度。隨后用電火花線切割將其橫向剖開，依次使用400#、800#、1 500#、2 000#目數(shù)的金相砂紙對工件截面進行拋光，最后使用0.5 μm的氧化鋁拋光膏進行精拋，直到整個工件截面光潔無痕。隨后將工件置于超聲波清洗儀中進行洗凈，用4%的稀硝酸金相腐蝕劑對工件截面蝕刻35 s左右，利用光學金相顯微鏡對工件截面組織結構進行觀察。67AFF4B9-3131-4509-9B83-4B82DAE0F3EC

2 試驗結果與分析

2.1 不同磨削狀態(tài)下的磨削溫度

在磨削加工過程中，磨削溫度受磨削加工參數(shù)、磨削加工方式、砂輪磨粒屬性、幾何形態(tài)、砂輪磨損狀態(tài)以及工件材料特性等因素的影響。本次磨削試驗主要是為了測量不同磨削狀態(tài)下的磨削溫度，即研究單因素的磨削參數(shù)對磨削溫度的影響。

圖2為典型磨削溫度原始信號（Vs=31.4 m/s，ap=20 μm）。從圖2可以看出，在時間t為0.05 s時，砂輪開始接觸工件，磨削溫度開始急劇升高;在時間t約為0.09 s時，磨削溫度接近最大值，在該時刻附近，磨削溫度存在巨大的波動，磨削溫度的最大值約為850 ℃;隨后磨削溫度開始急劇下降，在時間t約為0.13 s時，溫度下降速率開始變小，磨削溫度進入平緩下降階段。由于砂輪上的磨粒是隨機分布的，當單顆磨粒接觸到熱電偶節(jié)點時，溫度信號會出現(xiàn)劇烈的波動，但是單顆磨粒所導致的瞬時溫度變化并不能代表整個工件的磨削溫度，所以對原始信號需要進行濾波處理，得到磨削溫度趨勢曲線，用此時的最高溫度代表磨削溫度。

用上述分析方法，研究不同砂輪轉速下磨削溫度隨切深的變化規(guī)律，如圖3所示。由圖3可知，切深ap對磨削溫度的影響非常大，隨著切深的增大，磨削工件的表面溫度會出現(xiàn)100～200 ℃的增幅，這是因為隨著切深的增大，磨削過程中的切削力與摩擦力也同時增大，單位時間內磨削所做的功也越多，比磨削能也隨之增大，增大的能量一部分用于塑性去除，其他的則全部轉化溫磨削熱，所以磨削溫度才會快速增大。當工件的切深ap值在10～20 μm時，此時溫度變化曲線的斜率較大;繼續(xù)增大切深，溫度變化曲線的斜率會相對變小，這是因為當磨削表面溫度升高到一定程度時，金屬材料會發(fā)生軟化，金屬材料與砂輪磨粒之間的擠壓效應會減弱，磨削力做功的增幅相對減小，所以在磨削溫度達到一定值后，切深增大所帶來的溫度增幅會減弱。另外，對于淬硬GCr15軸承鋼而言，當磨削溫度超過相變溫度TAc1（TAc1=745 ℃）時，工件表面還會發(fā)生相變，此過程也會吸收掉一部分的磨削熱，從而導致磨削溫度增幅的降低。對比Vs=31.4 m/s與Vs=18.8 m/s時的磨削溫度，可以發(fā)現(xiàn)砂輪轉速越大，磨削溫度也越高，這是因為轉速的增大，單位磨削時間內工作的磨粒數(shù)量也越多，耕犁與滑擦效應也越明顯，所以摩擦產(chǎn)生的熱量也越多，從而導致磨削溫度升高。

2.2 磨削溫度對工件表面狀態(tài)的影響

由磨削原理可知，加工工件的磨削表面是由很多顆磨粒在工件表面重復切削形成的劃痕組成的。當砂輪狀態(tài)良好且切深較淺時，去除效果明顯，材料表面光整。隨著切深的增大，磨削加工過程中的切削去除效果逐漸減弱，耕犁與滑擦效應則不斷增強，磨削工況逐漸惡化，使得磨削工件表面的溫度迅速升高，嚴重時甚至會導致工件表面發(fā)生燒傷現(xiàn)象，造成磨削顫振。由于磨削顫振與磨削方向是交錯的，所以會嚴重影響磨削表面的精度。圖4顯示了切深ap為10 μm、40 μm時的磨削工件表面的狀態(tài)。

從圖4可以看出，每一個工件表面從顏色上都能夠劃分出兩個區(qū)域，這是因為本次試驗的磨削方式是無冷卻液的逆向平面磨削，工作臺的進給方向已在圖中標出。當砂輪剛開始接觸工件時，工件表面的溫度還比較低，隨著磨削試驗的進行，磨削溫度逐漸升高，工件左側部分開始累積熱量。當磨削進行到工件左半部分時，磨削溫度會進一步升高，導致工件表面出現(xiàn)溫度梯度，進而形成不同的表面狀態(tài)。對圖4中不同切深下的工件表面情況進行分析可以發(fā)現(xiàn)，在切深ap為10 μm時，磨削最高溫度約為445 ℃，工件左側大部分表面已經(jīng)帶有少量的灰黑色斑紋，可見工件表面已經(jīng)發(fā)生了一定程度的回火，但除了靠近邊緣的位置，整個表面還是較為平整，這表明材料還是通過切削作用去除，表面的狀態(tài)并未出現(xiàn)明顯惡化。但當切深ap為40 μm時，工件表面開始出現(xiàn)明顯泛藍。特別是，工件左側邊緣處出現(xiàn)了十分嚴重的燒傷痕跡。同時，沿著磨削方向上出現(xiàn)了極其明顯的劃痕。這是因為在大切深的前提下，磨粒切入材料的深度也在逐漸變大，使得磨粒與工件材料之間表現(xiàn)出粘連性。在磨粒切削材料時，磨粒與工件的摩擦效應會變得十分明顯，工件表面產(chǎn)生了很大拉應力，又因為磨削工件表面溫度的升溫速率與降溫速率極大，在快速的溫度變化中，原有劃痕持續(xù)擴大，使得工件表面質量變差。

為了進一步研究工件表面的狀態(tài)，本次試驗測量了砂輪轉速Vs為31.4 m/s時不同切深下的工件表面粗糙度，工件表面磨削溫度與粗糙度的關系如圖5所示。

從圖5可以看出，工件表面的磨削溫度越高，其對應的表面粗糙度也越大。磨削溫度較低時，磨削工件表面只出現(xiàn)一定程度的回火現(xiàn)象。在低溫區(qū)域內，隨著磨削溫度的增加，表面粗糙度變化不大，此時磨削溫度對磨削表面精度的影響較小，表面粗糙度的大小主要取決于砂輪工作面的微觀幾何形貌與工件表面的初始狀態(tài)。當磨削溫度高于800 ℃時，隨著磨削溫度的增加，表面粗糙度會迅速增大，這說明當磨削表面的溫度值過高時，工件表面會出現(xiàn)明顯的燒傷現(xiàn)象，磨粒與工件材料之間的粘連性進一步增大，磨削的穩(wěn)定性下降，同時金屬材料的組織結構也發(fā)生劇烈變化，極大地影響工件磨削表面的精度。所以，磨削溫度和工件表面的粗糙度有著十分緊密的聯(lián)系，控制磨削過程中工件表面的磨削溫度對保證工件加工質量、提高工件生產(chǎn)效率有著重要意義。

2.3 磨削溫度對工件截面組織的影響

圖6為砂輪轉速Vs為31.4 m/s、切深ap分別為10 μm、40 μm時的磨削工件截面組織。從圖中可以看出，當切深ap為10 μm時，工件截面組織沒有出現(xiàn)太大的變化，而當切深ap為40 μm時，工件截面出現(xiàn)了大量的白層。由圖3可知，在切深為10 μm與40 μm時，對應的磨削溫度分別為445 ℃、1 102 ℃，后者磨削溫度很高，遠大于淬硬GCr15軸承鋼的相變溫度，所以磨削工件表面的材料發(fā)生了相變，轉化為奧氏體。磨削后，工件表面的溫度又急劇下降，使得奧氏體轉化為隱晶馬氏體。白層的高脆性使得工件在運轉時形成微觀裂紋[12]，所以控制加工過程中的磨削溫度對工件的高質量生產(chǎn)極為重要。67AFF4B9-3131-4509-9B83-4B82DAE0F3EC

3 結論

①在其他參數(shù)不變時，磨削溫度隨著切深的增大而增大，隨著砂輪轉速的增大而增大。相比于砂輪轉速，也磨削切深對磨削溫度的影響更為顯著。

②磨削溫度對工件的表面狀態(tài)有著顯著影響。在高溫狀態(tài)下，也隨著磨削溫度的增加，工件表面的粗糙度也隨之增加，且增幅更大，合理控制磨削溫度能夠提高磨削加工的質量。

③當磨削溫度超過工件相變溫度時，工件表面以及亞表面會形成大量白層，控制磨削溫度，避免白層的產(chǎn)生，也是提高工件加工質量的關鍵。

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