轴承工作表面变质层的磨削工艺因素分析

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摘要：影响滚道轴承精度、使用寿命的因素有很多，而轴承工作表面的几何粒度、组织结构对其影响至关重要。作为轴承生产的最后环节——磨加工，其工艺参数直接决定着轴承工作表面的质量，不恰当的工艺参数会导致严重的工作表面变质层及其它缺陷。 

基于上述认识，本文在选定的6206内外套圈沟道（工作面）进行磨削工艺试验与分析，以期得到理想的砂轮（材质、硬度、粒度）、加工方法、冷却液、磨削进给量等工艺参数，最终减少或避免轴承工作表面的磨削变质层。  关键词：滚动轴承  磨削工艺  失效形式  1 滚动轴承的结构及失效形式  1.1 滚动轴承的结构  滚动轴承一般由内圈、外圈、滚动体（包括钢球、滚子、滚柱、滚针等）及保持器等四个重要部分所组成。  近代的研究工作证实，由于受到冷、热加工和润滑介质等因素的影响，金属零件表面层的组织结构、物理、化学性质和机械性能等往往与其心部有很大的不同，称为表面变质层。若变质层是由磨削加工引起的，就称为磨削变质层。  1.2 滚动轴承的主要失效形式  滚动轴承的主要失效形式是疲劳和磨损，而它们又总是发生在工作表面或表面层，磨削加工是滚动轴承零件的主要工序，有时甚至是最后工序，试验表明，磨削变质层对滚动轴承工作表面性能影响极大，而且直接影响并决定轴承的使用寿命。其产生机理与磨削热传入工件表面造成的局部瞬时高温及磨削力有关。  2 轴承滚道磨削变质层  参照英国摩擦学会j•halling提出的金属精密磨削表面结构模型及形成原因，轴承磨削变质层可形成以下几种：  2.1 磨削热所形成的变质层  磨削热所形成的变质层，即表面热损伤，包括：  ①表面氧化层（20-30nm），在磨削热的瞬时高温作用下，刚的表面发生氧化作用产生的氧化层。  ②毕氏层（-10nm），磨削区的瞬时高温使工作表面达到熔融状态时，熔融金属分子流涂敷在基体上形成的组织层。  ③高温回火层（10-100微米），磨削区的瞬时高温可使表面一定深度（10-100微米）内被加热到回火温度以上时，该表层组织将发生相应温度的回火组织转变，硬度随之降低。  ④次淬火层，当磨削区的瞬时高温将工件表面加热到奥体化温度（ac1）以上时，在随后的冷却中又重新淬火为马氏体组织，时常伴有淬火裂纹，其次表面必定是硬度极低的高温回火层。  ⑤磨削裂纹：工件表面因磨削或表层相变产生的内应力若大于该材料的强度而发生龟裂，表现为细网状、放射状或与磨削方向垂直的细微裂纹。属宏观热损伤。  其中③④即通常所说的磨削烧伤或变质层，属微观热损伤。小野浩二等在研究了磨削烧伤的发生条件之后，提出磨削烧伤一般在以下条件下发生：  vl=■≥cb       （1）  式中：cb——由材料和砂轮种类决定的常数。  l——接触弧长；t——砂轮深切。  d——工件直径；d——砂轮直径。  v——砂轮速度。  公式说明砂轮速度和接触弧长的乘积达到一定值以上就发生磨削烧伤。砂轮粒度越细，硬度越高，cb常数就越小。所谓cb值越小就是不发生烧伤的条件范围小，容易烧伤。因此，为防止磨削烧伤，选择砂轮的粒度要适当的粗，硬度要适当的低，砂轮速度和接触弧长都不要过大。由工件材料决定的cb值见下表：  轴承工件表面除上述变质层外，还可能残留有因锻造和热处理等热加工形成的表面贫碳软化层。  磨削加工变质层中以磨削高温回火软化变质层为最常见，其厚度随磨削加工条件而变化，列表如下：  2.2 磨削力所造成的变质层  ①冷塑性变质层②热塑性变质层③加工硬化层。  造成磨削变质层的决定性影响因素是磨削工艺及其诸影响因素。本文的主要侧重点在于选择6206滚动轴承进行磨削工艺试验，并通过比对分析，剖析磨削工艺诸因素对轴承工作表面磨削变质层的影响，优化磨削工艺，减少或消除表面变质层。  3 磨削加工及其工艺因素  磨削加工是用高速回转的砂轮，以微小的切削深度进行精加工的一种切削加工方法，其最突出的特征是使用砂轮。砂轮是具有大量微细而形状不规则的磨粒切削刃的多刃工具。因此，磨削作用可以看成是大量磨粒切削刃群的切削作用的聚集。磨削速度即砂轮的圆周速度非常大，一般为切削速度的10-50倍。所以加工温度高，加工面容易烧伤或产生磨削表面变质层。  3.1 磨削温度  磨削温度的影响因素主要有砂轮特性、砂轮速度、砂轮深度，工件速度和工件材料特性等，淬回火钢在磨削时，在磨粒经过磨削区的一瞬间（0.001s）温度可升至1000°c以上，加工表面就会引起种种热损伤，其表面耐磨性、耐腐蚀性和疲劳强度等一系列表面特性都变差。尤其是淬回火后的gg15轴承零件，由于材料强度高、韧性大、导热率又低、不易散热，在工件磨削表面聚集的热量多，使磨削温度升高，更易于造成表面热损伤。  3.2 工艺因素  包括：①磨削力②砂轮速度③工件速度④磨削宽度⑤砂轮切深。  这些因素将直接影响磨削能量、磨削温度，进而影响工件的工作表面质量。  4 磨削工艺试验及其参数的选择  磨削工艺试验的目的在于探索各磨削工艺参数对磨削表面变质层的影响，优化工艺条件，达到尽可能减少甚至消除磨削表面变质层的目的，但磨削工艺对轴承滚道磨削表面质量的影响因素是相当复杂的，诸如砂轮的材质、粒度、硬度、切削性能，冷却液的种类、冷却能力，工件转速，磨削进给速度以及砂轮的修整质量等都直接影响工件表面的磨削质量，因此，最佳磨削工艺参数的试验及选择是件复杂而细致的工作，为此，我们磨加工试验小组利用正交试验法进行了为期半年的试验工作，试件选用量大面广的6206单列向心轴承内外圈，试验后委托洛轴所对试件工作表面质量进行分析。  4.1 磨削工艺试验的参数选择  以控制磨削变质层为目的的磨削工艺试验，其实质就是控制磨削加工过程中砂轮和工件的接触面温度。根据磨削理论分析和推算，可以从砂轮、磨削液和工艺参数这三大因素的最佳选择来考虑。  4.1.1 砂轮的选择  砂轮的性能对于磨削效果有至关重要的影响。在实际磨削加工中，首先要选择好砂轮。磨粒、粘结剂、气孔是砂轮构成的三要素，它们的性质能使砂轮性能发生大幅度变化。尤其是砂轮的磨料、粒度、硬度、组织和粘结剂，是关系到砂轮磨削性能的五大因素。  ①磨粒的种类和性质  在砂轮上，磨粒起着形成切削刃切除材料的作用。对磨粒的要求主要是：  a硬度高，容易切入工件材料；b有适当的破碎性，能够滋生锋利的切削刃；c高温下的化学稳定性和耐磨性要好。  对于强度高、韧性好的轴承钢而言，主要适于选用氧化物系或者碳化物系的立方碳化硅等磨料。详见表3。  ②砂轮的粒度和硬度  在论及公式（1）时已经谈到，为防止淬火轴承钢磨削烧伤，选择砂轮的粒度应适当的粗，硬度要适当的低。这是因为磨削热与砂轮表面上磨料的集合形状、锐利程度和单位时间参加磨削的磨粒数有关。磨料太细，磨削能力变差，排屑不利，磨削热增加，易造成工件表面磨削变质层加厚，热损伤增加。因此在保证几何精度和表面粗糙度要求的前提下，宜选用粗粒度的磨料，这样对表面层磨削质量有利。  轴承钢零件磨削加工在现行工艺条件下，经常选用的砂轮硬度为zr。  4.1.2 磨削液的选择  磨削过程中，磨削液的主要作用是：  ①减少磨拉、粘合剂和切屑、加工表面之间的摩擦，起润滑作用。  ②降低磨削温度及工作温度，起直接冷却的作用。  ③排除切屑，保护加工表面。  ④有工件防锈作用。  ⑤此外还有提高砂轮寿命和磨削效率，降低功率消耗，达到改善磨削质量等作用。因此要求磨削液有润滑性、冷却性、防锈性和浸透性润滑。可见磨削液的选择是很重要的。不同的磨削液，其磨削效果差别很大，选择适宜的磨削液可以提高生产率，减少砂轮的消耗，降低工件表面温升，提高工件表面光洁度，减少表面磨削变质层。  一般来说，磨削液应以冷却为主，并应大量使用。轴承生产中，主要选用水溶性磨削液，例如69-1乳化油，加适量的添加剂。  4.1.3 磨削工艺参数的选择  正确的工艺参数选择应包括合理的进给曲线、电主轴功率、工件线速度和砂轮线速度等。  ①进给曲线  进给曲线对表面变质层影响很大。所谓合理的进给，最主要的是合理控制粗磨、精磨、光磨之间余量分配和进给速度，并应尽量缩短砂轮无进给时间、砂轮趋近工件时间，减少空行程和提高有效磨削时间。  要合理地选择粗磨进给量，使其产生的表面磨削变质层在精磨加工中能够去除。完全类似，精磨进给量的选取也必须依其可能产生的磨削变质层能够在以后的光磨加工中被去除为好。  同时，保证适当的光磨时间对保证轴承滚道表面精度、光洁度、波纹度和控制表面变质层都是有益的。  ②电主轴功率  合理的进给曲线必须有足够的砂轮驱动电动机功率做保证，否则将造成大批工件表面严重的磨削烧伤。  此外，机床的平稳性，工艺系统的刚性、震动等对工件表面质量都有影响。  ③砂轮速度和工件速度  据opity等人的试验结果，随着磨削速度的提高，磨削力减少，加工面光洁程度提高，无火花磨削时间缩短，从而提高了磨削效率。但根据公式（1），砂轮速度的提高必将造成磨削温度的增加，砂轮速度和接触弧长的乘积达到一定值（cb）以上就发生磨削烧伤。所以砂轮速度的提高对防止磨削表面变质层是不利的。  在高速的情况下，适当提高工件转速以减少砂轮和工件的接触时间及接触区温度，对改善表面磨削质量和提高精度是有利的。  4.2 磨削工艺试验  4.2.1 外套圈滚道的磨削（内圆磨）  试验在3mz 1410磨床上进行，工艺方案确定采用切入磨，粗精一遍磨削。  ①试验条件的选择：  a电主轴：采用洛阳轴承研究所产生的dz36—30电主轴，振动值小，磨削精度较高。转速采用3万转/分，磨削速度提高到55米/秒。  b无心夹具：前支承改为圆弧浮动支撑，提高了沟磨的几何精度。  ②磨削工艺参数的选择：  根据6206轴承外套圈的现行生产工艺，试验选定七个因素各三个水平进行正交试验(见表4)  测试试样及其补充试样的选取和试验条件见表5和表6  4.2.2 内套圈滚道的磨削（外圆磨）  工艺方案中确定内滚道仍用切入磨，粗精一遍磨削。试验在3m137磨床上进行。该机床为精密内沟磨床，工艺系统的刚性较差，允许最大进给速度0.9mm/min，对粗精一次磨削不完全适合。为提高磨削质量，我们在机床上做了一些改进：  ①改进固定砂轮的法兰盘，以便于进行整机平衡，降低了因砂轮不平衡引起的振动。②改进无心夹具，设计制造了圆弧整体支承，减少了误差复映。③提高磨削速度。该机床砂轮转速为2100r/min，磨削速度为33m/s。为提高磨削能力实现高磨速，修改了皮带轮尺寸，砂轮转速提高到3120r/min，磨削速度为49m/s。  为选择好的磨削工艺参数，选定以四个因素各四个水平进行正交试验。见表7  测试试样的选取及试验条件见表8。  为了排除热处理加热表面脱碳对试验套圈表面质量的影响，磨削工艺试验用的轴承套圈一律采用真空淬火出来。淬火时在国产最新式的zcl-75-13型连续式真空淬火炉中进行的，淬火温度为840℃，加热1.5小时，国产zz-1真空淬火油中冷却。低温回火在160℃恒温油浴中加热保温2小时。淬回火后的试件，按滚铬钢滚动轴承零件热处理质量标准（jb1255-83）检验，各项质量指标（包括显微组织、硬度及硬度均匀性等）均符合标准的规定，经表面显微硬度法和金相分析法测试，其表面与心部硬度和组织均匀一致，表面质量完全符合磨削工艺试验的要求。  5 试验套圈表面的磨削变质层分析——显微硬度分布曲线的测试  应用克努普氏显微硬度法，选用200克负荷，在m-tertor型显微硬度计上测量磨削工艺试验的各组6206轴承套圈试件磨削表面的显微硬度分布曲线，测试结果于图1、图2中。  从这些测试结果中显然可以看出：  ①在磨削工艺参数各因素中，砂轮材质和制造质量对轴承滚道磨削表面质量的影响是显著的。这与磨削表面形貌分析结果完全吻合。在磨削工艺试验的各种材质砂轮中，以洛阳轴承研究所研制的微晶刚玉砂轮磨削效果较好，表面软化层深度均在40微米以下；而gb砂轮磨削的表面软化层深度在60微米左右。砂轮的粒度和硬度在试验选定的变化范围内影响不够明显。  ②在砂轮材质和质量相同的条件下，粗磨进给量对磨削表面变质层的影响也是呈现出明显的规律性。随着粗磨进给量的增大，其表面磨削变质层的厚度也在逐渐增大。在本试验选定的工艺条件下，粗磨进给量为1.2mm/min时往往造成较大的硬度降和较深的磨削表面变质层。精磨进给量和无进给磨削时间在本试验中没有表现出明显的规律性。  ③综合分析试验结果可以看出：本试验选试的三种冷却液相比，h-1高精度磨削液的效果较好。h-1高精度磨削液的效果比69-1防锈乳化油高一倍。由此可知，在轴承套圈生产中，在保持现有生产效率的前提下，提高冷却液的冷却效果是减少工件表面磨削变质层的有效途径，也易于为生产单位所接受。  ④外套圈滚道表面的硬度降普遍比内套滚道严重得多。这说明在轴承套圈滚道磨削加工过程中，内圆磨削加工对滚道表面变质层的影响远较外圆磨削加工大得多。内圆磨削的砂轮直径小，接触弧线厂、散热慢、冷却条件差，更易于造成磨削表面的局部瞬时高温和高温回火表面变质层。另外，选取各组不同磨削工艺的试件，进行滚道表面形貌分析及金相分析，得出了一些与上述分析较一致的结果  6 影响磨削变质层的工艺因素讨论  6206单列向心球轴承内外套圈工作表面的磨削工艺试验，仅为一例，但其试验方法、参数选择、测试手段、测试结果与国内外不同类型轴承的试验结果具有较好的一致性，因此该试验对我单位尺寸接近的其他型号轴承的磨加工艺工具有指导作用。  6.1 影响磨削表面质量的主要工艺因素  分析结果表明，在向心球轴承滚道磨削工艺诸影响因素中，砂轮材质、磨削进给量和冷却液的性能是影响轴承套圈沟道表面磨削质量的主要工艺因素。例如在向心球轴承试验所选用的三种材质的砂轮中，以微晶刚玉砂轮（gw100zr1）的磨削效果最好；在冷却液的选择上，以h-1高精度磨削液的效果最好；在磨削进给量试验中，粗磨进给量的影响最突出，宜选用较小的粗磨进给量（0.8mm/min）。这些试验分析结果可以说是滚道轴承套圈滚道表面磨削加工中带有共性的问题。  6.2 主要因素的转换  试验中还发现，影响滚道磨削表面质量的主要因素在一定条件下是可以转换的。例如：砂轮的修整在一般情况下是作为稳定因素来考虑的，但当修整砂轮的金刚石磨损严重时，必须把砂轮修整情况的变化列为可变化的影响因素之一予以考虑。因为砂轮修整质量的下降会造成工件表面的磨削烧伤。  7 结束语  试验表明，从现有的试验和生产条件出发，采取通过试验优化现行磨削工艺，可以减小磨削表面变质层，提高磨削表面质量，进而提高轴承使用寿命，这种措施不需要增加新的精密磨床，因而投资少且收益显著，在生产上因为选用优质gw100zr1砂轮及h-1高密度磨削液，生产效率并未降低，不仅轴承工作表面质量得到提高，同时降低了噪声，精度可达z1组，使配套主机的噪声下降3—5db，受到了用户的好评，年销量增加30万套，年增利润30万元以上。  此项工艺试验结果在我厂的推广实施，不仅提高产品质量，同时激发了全厂职工的质量改进积极性。产品质量不仅关乎企业的经济效益，更关系整个社会效益。  参考文献：  [1]小野浩二等.《理论切削工学》现代工学社出版.  [2]赵传国，陈焕中.《磨床与磨削》1986.3.