強化處理對圓柱滾子表面應力的影響

董漢杰，謝華永

(洛陽LYC軸承有限公司，河南 洛陽 471039)

零件在制造過程中產生的殘余應力對其疲勞強度、靜強度、延遲破壞(靜疲勞)、尺寸穩定性、應力腐蝕斷裂、沖擊破壞等均有影響，其中最重要的是對疲勞性能的影響[1]。機械加工零件工作表面和次表面的應力狀態直接影響產品的疲勞壽命，當零件表面和次表面的應力狀態為殘余壓應力時，對提高產品的疲勞壽命比較有利，特別是距表面一定深度(0.1 mm)的次表面處的殘余壓應力比處于表層的殘余壓應力影響更大[2]。

表面形變強化是通過機械手段，在金屬表面產生壓縮變形，使表面形成形變硬化層，其中產生2種變化：1)在組織結構上，亞晶粒細化，位錯密度增加，晶格畸變度增大；2)形成了較大的殘余壓應力，這種變化使金屬表面的強度、硬度及疲勞壽命得到了很大提高。

在滾動軸承中，滾子作為承載的關鍵零件，其工作表面及次表面的應力狀態、表面變質層等表面質量狀況對軸承的使用壽命和早期剝落有直接影響。下文通過對圓柱滾子進行強化處理試驗，對滾子表面及次表面應力情況進行了初步試驗研究。

1 強化處理試驗

強化處理試驗方案如下：

1)試樣為φ11 mm×13 mm的圓柱滾子，材料為8Cr4Mo4V。

2)試驗設備為95301滾桶，轉速為40 r/min，每批次強化零件質量不超過20 kg。

3)為了研究不同強化時間對試驗結果的影響，對同一規格、相同數量的滾子分別進行6，8，12 h的強化處理試驗。

4)強化處理示意圖如圖1所示，將滾子置于帶筋板的鑄鐵滾桶中，反復將滾子從低點提升到高點，使其進行自由落體運動，使滾子持續與桶壁進行碰撞且滾子之間互相碰撞，發生微量形變而產生強化效果。

圖1 滾子強化處理

滾子強化處理安排在粗磨滾動面、附加回火、竄油工序后進行，目的是使滾子次表面形成一定的殘余壓應力，同時又不影響后續加工滾子的外觀質量。

強化后分別按不同強化時間裝箱、標志，后續各磨削工序按不同強化時間分別加工。

2 試驗結果與分析

滾子工作面終加工后，分別對不同強化時間的試樣抽樣進行表面應力和次表面應力(距表面0.1 mm)檢測，結果見表1。由表可知，強化處理后的滾子表面應力和次表面應力均為壓應力,相對于未強化處理滾子,次表面壓應力明顯增加。但強化處理時間越長，變質層深度越大，因此，在實際加工中，要選擇適當的強化時間。

表1 表面、次表面應力的檢測結果

采用顯微硬度檢測儀對變質層進行檢測，通過硬度降反映表面變質層深度的檢測曲線如圖2所示。由圖可知，硬度值在距表面一定深度內有較明顯的降低，且距表面距離一定時，強化時間越長，硬度越低；隨著距表面深度的增加，相同強化時間內硬度變化不大。

圖2 強化處理后硬度質檢曲線

3 結論

1)強化處理的產品表面應力和次表面應力均為壓應力。

2)與未強化處理的滾子相比，強化處理的滾子次表面壓應力明顯增加，且隨著強化時間的增加，次表面壓應力和表面變質層深度均增加。

通過進行圓柱滾子強化工藝試驗，初步掌握了強化處理對產品表面、次表面應力和表面變質層的影響情況，對其他軸承零件提高表面質量提供了一定的技術依據。