轴承工作表面变质层的磨削工艺因素分析

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。