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轴承套圈的磨削裂纹形成与控制

发布时间：2013-01-29 浏览次数：793

作者：赵景周
（洛阳LYC轴承有限公司大型轴承厂）

　　摘　要：介绍轴承套圈磨削裂纹的产生机理和磨削裂纹的形貌特征及引起磨削裂纹的冷热加工因素，提出防止磨削裂纹的办法。
　　关键词：套圈磨削裂纹的产生机理；防止方法
　　1　概述
　　磨削加工是轴承生产加工的关键重要工序。轴承的精度等级和使用寿命与轴承零件的磨削质量息息相关。在磨削加工中，磨削裂纹是常见的废品种类，也是造成轴承零件成为废品和影响轴承寿命的主要原因。轴承零件在生产加工中，一旦产生较深的磨削裂纹，就没有返修的余地而成为废品。控制、预防磨削裂纹的产生，对轴承的生产加工非常重要。本文就针对轴承套圈在磨削加工中产生裂纹的材料内部原因和磨削加工工艺参数选取的外部因素进行分析，探讨磨削裂纹的产生机理，提出防止磨削裂纹的方法措施，从而提高轴承产品的加工质量，降低产品加工的废品率，降低生产成本。
　　2　磨削裂纹的产生机理及产生原因
　　所谓的裂纹是指完整的金属在应力，温度，时间和环境共同作用下产生的局部断裂。磨削裂纹是指在磨削加工中，因磨削参数选择、控制不当，在磨削加工的表面上出现的较大的热应力和组织应力作用下而产生的裂纹；或由于原材料的冶金因素或和热处理加工因素而产生裂纹源，在磨削加工中诱发形成裂纹。前者是由于磨削加工中的磨削参数选择不合理原因造成,而后者则与材料的内部组织有关。
　　轴承套圈淬火后（淬火钢）材料的内部组织一般都是细针状的马氏体。磨削加工时，由于磨削热的存在，零件表面层可能回火转化成为接近珠光体的屈氏体或索氏体组织，因马氏的体积较其它组织的体积大，组织转变，体积要缩小，表面层就产生残余拉应力。如果表面层出现超过750° 以上的高温，则除了稍深处有回火现象外，表面由于冷却速度快还可能出现二次淬火，其体积比里层的回火组织大，因而表层产生压应力里层产生拉应力。在磨削加工中，由于磨削热较多造成加工表面温度较高。金属加工表面常以相变和热塑性变形为主，所以表面常带有残余拉应力，轴承工作表面残余应力的存在，造成轴承的工作表面过早地出现疲劳剥落，将降低轴承的使用寿命，同时残余拉应力的存在将会影响轴承成品的尺寸稳定性。当表面层的残余拉应力超过材料的强度极限时，零件表面将会产生裂纹。
　　轴承套圈的磨削裂纹，是套圈磨削加工中常见的废品种类。由于其产生原因较复杂，致使其在加工中的预防裂纹工作较为被动。在磨削加工中，常见的裂纹种类有下列几种：（1）因材料中杂质造成的裂纹。（2）热处理造成的裂纹。（3）真正的磨削参数选择不当造成的磨削裂纹。
　　磨削裂纹应该只存在于被磨削加工的表面上，但因轴承套圈的所有表面几乎都要磨削（一般除倒角，油沟，油槽外,其它表面都要磨削）加工，致使裂纹有可能互相渗透，（如平面磨削产生的裂纹有可能渗透到外经或内经上）从而给裂纹的判断造成一定的困难。磨削裂纹的形貌特征有：平形条状裂纹，弧状裂纹，长方网格状裂纹，其方向一般都是垂直于磨削方向。产生群状的磨削裂纹分布时，其磨削裂纹的深度一般较浅，只有0.01-0.2mm深。一般是由于磨削工艺和操作不当造成；当有超过1mm深的裂纹一般为热处理所致，由于淬火温度过高，马氏体粗大，残余奥氏体过多，碳化物成网状，条状或回火不充分，甚至已经有了严重的显微裂纹源等原因，经磨削加工而诱发出来的裂纹。淬硬工件在磨削时，容易发生退火降低表面硬度。更为严重的是引起局部组织转变，使表面的应力进行再分配。磨削表面存在着裂纹源，在磨削引起的热应力和组织应力的作用下，当超过该组织材料的屈服强度时，裂纹源扩展成裂纹。
　　3 　防止磨削裂纹的措施
　　磨削热是产生残余拉应力的根本原因，降低磨削热以及改善磨削过程中的散热条件是防止残余拉应力和磨削裂纹的主要途径。在磨削工序中增加去应力的低温回火处理，能有效地减小表面层的残余应力，从而减少磨削裂纹的产生磨削裂纹的形成和扩展原因也是很复杂的且是多方面的。在金属材料内部，因冶金方面的原因，如化学成分的不均匀，组织性能的不均匀（金属夹杂，氧化物，硫化物和硅酸盐）有热加工方面的原因，如锻造温度，锻件正火质量（特别是渗碳材料的渗碳层金相组织，碳化物的形态，表面渗碳浓度及回火质量等）甚至还与被加工表面的清洁度，冷却介质及生产加工的环境温度等因素都有关系。
　　从前面的分析知道了产生磨削裂纹的原因，一方面是磨削热，使表面磨削区域受到很大的热应力和热胀冷缩变形；另一方面是金属材料的冶金，锻造，热处理等各种因素组成的材料内部质量性能。当上述两个原因相结合，应力作用就大于金属材料的屈服强度极限，此时磨削表面就出现裂纹。为此，须采用防止冷脆裂纹措施，来提高套圈的表面屈服强度。为了控制磨削裂纹应重点控制下列内容：
　　3.1 严格控制材料的内部组织(原材料的内部组织，锻造后的内部组织及热处理后的内部组织)
　　3.1.1 晶粒的大小对磨削裂纹影响
　　配齐-霍尔关系式б=б0+1/√Κd，说明晶粒d越小，单位体积内晶界面积越多，强度越高。凡碳化物颗粒粗大呈网状，块条状，网状的容易产生磨削裂纹；凡淬火马氏体针状粗大，残余奥氏体量大于30%的容易产生裂纹；凡渗碳层表面贫碳，硬度低，有屈氏体，内氧化，黑网的容易产生磨削裂纹。而碳化物颗粒细，马氏体针细状，残余奥氏体量少的均不出现磨削裂纹。
　　3.1.2 固溶体对磨削裂纹的影响
　　凡表面碳浓度为0.8%-0.9%的容易产生磨削裂纹，而表面浓度达到1.0%-1.2%的只要碳化物形态呈颗粒状弥散分布的就难于产生磨削裂纹。
　　3.1.3 工作环境温度对磨削裂纹的影响
　　所有过渡族的体心立方金属都具有低温脆性（如 Fe，Mo，W），因为在温度较高时，有较多的位错线在以摆脱它的应力下就被热激活而脱锚，并使晶体发生均匀的热性变形。而在温度很低时，只有少数位错源开动，并由于应力大，甚至可以达到产生裂纹的所须能量，形成裂纹核心，并在应力作用下迅速扩展而导致脆裂。
　　3.2 磨削工艺参数的选择
　　磨削加工始终是围绕着保证磨削表面的形状精度和表面质量（主要是表面粗糙度），加工效率及防止磨削裂纹而进行的。确定选择磨削工艺参数的原则应为：围绕尽量减少磨削热，减小磨削力，尽量减小或消除磨削加工时的工序前后的冷热温差。
　　3.2.1 砂轮的选择；在磨削加工中，砂轮的选择很重要。根据磨削的功用，磨削一般分粗磨和精磨。磨削的功能不同，砂轮的选择也不同。粗磨的目地主要是去除多余的金属，提高被加工表面的形状精度，为精磨加工时保证产品的质量提供保证。故它的砂轮宜选择粒度较粗，组织较松，硬度较软的刚玉类砂轮。精磨的目的主要是保证被加工表面的形状精度和表面质量。它的砂轮选择是，应尽量选择粒度较细，组织较密，硬度适中，容易冷却，不宜堵塞，自锐性较好的砂轮(如白刚玉类)，可以减少摩擦发热。减少造成磨削裂纹的外部因素从而保证加工出好的表面形状精度和表面质量。总之，砂轮的选择原则应是：在满足磨削加工的产品质量的前提下，尽量选择粒度较粗，硬度较低，组织较疏松的砂轮，从而减少避免磨削烧伤。
　　3.2.2 磨削速度的选择；在保证磨削表面的形状精度和表面质量（磨削表面的粗糙度和波纹度）及磨削效率的前提下，尽量降低磨削速度和切削速度，使磨削力降低，磨削热量减少。从而有效防止磨削裂纹的产生。(据有资料介绍：国外有些企业对一些高可靠度的产品采用低速磨削，从而减轻或降低产生磨削裂纹的机率)
　　3.2.3 冷却方法的选择；冷却方法的选择也很重要。在磨削加工中，目前常用的冷却方法是靠具有一定压力的冷却液浇入磨削区内起到冷却作用。这种冷却方法忽略了磨削冷却的同步性，很难起到应有的冷却作用。因冷却液很难或很少进入到磨削的区域内，而是大量倾注在已经离开磨削区的加工表面上，这时烧伤早已经产生。比较有效的冷却方法应是：将切削液引入砂轮的中心腔内，由于离心力的作用，切削液再经过砂轮内部的空隙从砂轮的四周边缘甩出，使冷却液可直接进入磨削区内，减小磨削前后的温度差，发挥应有的冷却作用。
　　3.2.4 冷却液的选择；冷却液尽量选择冷却性能好，又具备渗透性，润滑性且无毒，无味，防锈，透明，不宜老化等功效于一体的冷却液。既便于观察磨削情况，又不对环境，人造成伤害和提高磨削质量有利。
　　结　语
　　分析了套圈的磨削裂纹产生原因和控制措施，可有效地降低废品产生，降低生产成本，提高产品质量。
　　参考文献：
　　1.《轴承加工工艺》周福章著　西北工业大学出版社出版
　　2.《机械设计新论》汤嘉吉著　西北工业大学出版社出版