轴承工作表面变质层的磨削工艺因素分析.doc

182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滚动轴承的结构及失效形式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轴承滚道磨削变质层参照英国摩擦学会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表面氧化层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毕氏层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183高温回火层微米磨削区的瞬时高温可使表面一定深度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式中由材料和砂轮种类决定的常数接触弧长砂轮深切工件直径砂轮直径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常数就越小所谓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磨削力所造成的变质层冷塑性变质层热塑性变质层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184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温度可升至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工艺因素包括磨削力砂轮速度工件速度磨削宽度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砂轮的选择185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硬度高容易切入工件材料有适当的破碎性能够滋生锋利的切削刃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砂轮的粒度和硬度在论及公式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磨削液的选择磨削过程中磨削液的主要作用是减少磨拉粘合剂和切屑加工表面之间的摩擦起润滑作用降低磨削温度及工作温度起直接冷却的作用排除切屑保护加工表面有工件防锈作用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186一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乳化油加适量的添加剂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砂轮速度和工件速度据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磨削工艺试验外套圈滚道的磨削内圆磨试验在磨床上进行工艺方案确定采用切入磨粗精一遍磨削187试验条件的选择电主轴采用洛阳轴承研究所产生的电主轴振动值小磨削精度较高转速采用万转分磨削速度提高到米秒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磨削工艺参数的选择根据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测试试样及其补充试样的选取和试验条件见表和表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改进无心夹具设计制造了圆弧整体支承减少了误差复映提高磨削速度该机床砂轮转速为磨削速度为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磨削速度为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测试试样的选取及试验条件见表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型连续式真空淬火炉中进行的淬火温度为加热小时国产真空淬火油中冷却低温回火在恒温油浴中加热保温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克负荷在型显微硬度计上测量磨削工艺试验的各组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图中188从这些测试结果中显然可以看出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微米以下而砂轮磨削的表面软化层深度在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高精度磨削液的效果较好高精度磨削液的效果比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影响磨削变质层的工艺因素讨论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的磨削效果最好在冷却液的选择上以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主要因素的转换189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砂轮及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组使配套主机的噪声下降受到了用户的好评年销量增加万套年增利润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