磨削加工對滾動軸承套圈工作表面影響與措施

孫　蛟

摘要：本文主要分析磨削加工對滾動軸承工作表面影響，磨削變質層形成的機理，分類及減少或消除滾道表面變質層的措施，以確保軸承加工質量。

關鍵詞：滾動軸承；工作表面；變質層；形成機理；措施；砂輪；磨削工藝參數；磨削液

滾動軸承套圈的工作表面主要是內外滾道，滾道表面質量的好壞直接影響軸承的使用壽命和可靠性，磨削加工是滾動軸承零件加工的重要工序，甚至是最后工序，它對滾動軸承工作表面性能影響較大，主要表現在滾道磨削后，易引起滾道表面層幾何形狀、金相組織、物理力學性能和化學性能等方面的改變。如磨削后滾道表面金相組織、殘余應力、冷作硬化等導致軸承早期失效，影響整機或工作系統的可靠性。因此磨削加工對軸承工作表面的質量起著重要作用。

磨削加工中，由于磨削力和磨削熱的作用，使滾道表面層組織、力學性能等與心部基體有很大不同，該表面層稱為磨削變質層，本文重點分析磨削加工對滾道磨后的變質層的影響。

1 磨削變質層形成的機理

磨削加工是用高速回轉的砂輪，以微小的切削深度進行精加工的一種切削加工方法，其最突出的特征是使用砂輪。砂輪是具有大量微細而形狀不規則的磨粒切削刃的多刃刀具，每一個磨粒就相當于一個切削刃，大多磨粒的切削刃為負前角，因此，磨削力較大。在磨削過程中，滾道表面將受到砂輪的切削力、擠壓和摩擦力的作用。尤其是后兩者的作用，使滾道表面形成方向性很強的塑性變形層和加工硬化層。同時，由于砂輪的磨削速度非常高，磨粒經過磨削區的時間極短，砂輪和工件在磨削區內產生大量的磨削熱，由于砂輪的導熱性差，切削液不易進入磨削區，絕大部分熱量傳入工件，使工件表面局部溫度迅速上升，有時高達800～1000℃，甚至更高，它必然導致軸承滾道表面金相組織和殘余應力發生變化，造成滾道表面變質。尤其對淬火的軸承鋼套圈磨削加工時，由于軸承鋼強度高、韌性大，導熱率又低，不易散熱，在工件磨削表面聚集的熱量較多，使磨削溫度升高，更易造成種種表面熱損，所以磨削加工溫度越高，越易使滾道表面產生磨削變質層或燒傷。因此磨削加工的變質層主要是由磨削力和磨削熱引起的。

2 滾道表面變質層分類及特點[1]

2.1 磨削熱造成的變質層：

表面氧化層：瞬時高溫作用下的鋼表面與空氣中的氧作用，形成極薄的鐵氧化物薄層。氧化層厚度與磨削工藝直接相關，是磨削質量的重要標志。

非晶態組織層：磨削區的瞬時高溫使工件表面達到熔融狀態時，熔融的金屬分子流又被均勻地涂敷于工作表面，并被基體金屬以極快的速度冷卻，形成了極薄的一層非晶態組織層。很容易在精密磨削加工中被去除。

高溫回火層：磨削區的瞬時高溫可以使滾道表面被加熱到回火溫度以上時（但沒有達到奧氏體化相變溫度）滾道表面層將產生與加熱溫度相對應的回火組織轉變，加熱溫度愈高，回火組織轉變越充分，表面層硬度下降也愈厲害，造成回火燒傷。

二次淬火層：當磨削區的瞬時高溫將工件表面層加熱到奧氏體化溫度以上時，該層奧氏體組織在隨后的冷卻過程中，又被重新淬火成馬氏體組織,造成淬火燒傷。

磨削裂紋：二次淬火燒傷將使工件表面層應力分布發生變化。二次淬火區處于受壓狀態，其下面的高溫回火區存在著最大的拉應力，這里易發生磨削裂紋。嚴重的燒傷會導致整個磨削表面出現裂紋，造成工件報廢。

2.2 磨削力造成的變質層：

冷塑性變形層：在磨削過程中，磨粒除切削作用外，還使滾道表面承受擠壓作用，并留下明顯的塑性變形層。這種變形層的變形程度將隨著砂輪磨鈍的程度和磨削進給量的增大而增大。

熱塑性變形層：磨削熱形成的瞬時溫度，使滾道表層一定深度的彈性極限急劇下降，甚至消失。此時滾道表層在磨削力，特別是擠壓力和摩擦力的作用下，引起的自由伸展，受到基體金屬的限制，表面被壓縮，在表面層造成熱塑性變形。

加工硬化層：由于加工變形引起的滾道表面層局部硬度升高。

3 減少或消除滾道表面變質層的措施

要減少或消除滾道表面變質層，主要是控制磨削過程中砂輪和工件接觸面的磨削溫度。在生產中影響磨削溫度的主要因素為砂輪、磨削工藝參數、磨削液等，下面針對這些因素并結合生產情況進行分析。

3.1 合理選擇砂輪

砂輪對滾道磨削有重要的影響，砂輪選擇是否合適，是影響磨削質量，磨削成本的重要條件，必須正確的選擇砂輪。砂輪的磨料、粒度、硬度、組織、粘結劑是影響砂輪磨削性能的主要因素，而最重要的為磨料、粒度、硬度。

磨料：磨料是砂輪的主要組成部分，直接擔負著切削作用。滾道磨削用的砂輪材料一般為剛玉類磨料，如棕剛玉（A）、白剛玉（WA）、等。根據加工質量，選取不同的磨料，圓錐滾子軸承粗磨滾道常用棕剛玉（A），終磨滾道常用白剛玉（WA）。

粒度：在保證幾何精度和表面粗糙度及磨削效率的前提下，宜選用粗粒度的砂輪。粗磨時，砂輪粒度要適當的粗些，如果磨粒太細，磨削能力變差，排屑不利，磨削熱增加，磨削變質層加厚，燒傷。滾道粗磨可選擇60、70粒度號。終磨時由于磨削余量較小，可適當選用80、100等粒度號。

硬度：砂輪的硬度是指砂輪在外力的作用下磨粒脫落的難易程度，它表示固著磨粒的結合力大小。與粘結劑、組織等因素有關。砂輪硬度高，磨削溫度高，由于磨粒不易脫落，磨削過程中磨粒鈍化，摩擦熱將顯著升高，造成表面磨削變質層加厚。若砂輪硬度過軟，自銳性差，砂輪消耗大，效率低。因此在現行工藝條件下，滾道磨削一般采用中軟G、K，或采用中硬L、M等砂輪。

在實際加工中，外圈滾道磨削在MZ2015C機床上一般采用砂輪為A60K5V、A70K5V、WA80K5V；內圈滾道3MZ2116和3MZ215A砂輪采用A60K5V、A70K5V、WA80K5V等。

3.2 合理選擇磨削工藝參數

對滾道表面變質層影響較大的工藝參數有：進給量、工件和砂輪線速度、磨削深度和電主軸功率等。

進給量：磨削進給量對表面變質層影響很大。成品軸承表面的磨削變質層，主要是粗磨階段形成并一直帶入成品的。因此，要合理地選擇粗磨進給量，使其產生的表面磨削變質層在精磨加工能夠去除，而精磨進給量的選取，也必須依其可能產生的磨削變質層能夠在以后的光磨加工中被去除為好，各工序進給量可通過試驗優化確定。磨削時必須保證光磨時間，適當的光磨時間對保證軸承滾道表面精度、粗糙度和控制表面變質層都非常重要。

工件和砂輪線速度：如果砂輪線速度過高、工件速度過低都將造成磨削溫度的增加，所以必須合理選擇砂輪和工件線速度。

磨削深度：磨削深度增大，磨粒所受阻力增大，同時磨粒與工件表面摩擦加劇，磨削熱增加，容易燒傷工件，必須合理選擇磨削深度，合理分配磨削余量。

電主軸功率：要合理選擇砂輪驅動電動機功率，否則將造成大批工件表面嚴重的磨削燒傷。若電動機功率過小，加工零件尺寸較大，進給量沒有相應地減小，磨削加工時電動機負荷超載，當進給時發出尖叫聲，主軸速度在切入時有減慢現象，檢查所加工的軸承套圈表面，95％以上的磨削表面有變質層，酸洗檢驗發現大批表面有嚴重燒傷。

3.3 磨削液：

不同的磨削液，其磨削效果差別很大，選擇適宜的磨削液可以提高生產率，減少砂輪的消耗，降低工件表面溫升，降低工件表面粗糙度。一般說來，磨削液應以冷卻為主，并應大量使用。軸承生產中，主要選用水溶性磨削液，例如69-1乳化油，加適量的添加劑。滾道高速磨削時采用合成磨削液，如GMY-3磨削液。冷卻時，磨削液應以一定壓力和流量直接澆注在磨削區，達到降溫目的，減少表面磨削變質層。

結束語

本文分析了磨削加工對滾動軸承工作表面的影響與措施，特別是對磨削變質層的影響，使我們在現有的生產條件下，可以通過選擇合理工藝參數，合理選擇砂輪、磨削液等措施，有效減少或避免變質層的形成，消除滾道表面燒傷、裂紋，確保滾道加工表面質量，提高滾動軸承工作質量和使用壽命。

參考文獻

[1] 靳九成趙傳國. 磨削變質層及表面改性[M].湖南: 湖南大學出版社1988.

作者簡介：孫蛟，1965年1月出生，1988大學畢業，大學學士學位，高級工程師，原從事圓錐滾子軸承加工工作。現在煙臺工程職業技術學院從事《機械加工工藝與裝備》理論教學與研究，曾發表論文《澆鑄式鋼絲繩索具的無損檢測方法及評定》。無損檢測，2004.9