9Cr18內圈溝道磨削劃傷原因分析

師歌，王長峰，李凌鑫，孫立才，張林

(洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039)

滾動軸承作為精密零部件，其性能直接影響主機的工作性能，因此對軸承的質量要求愈加嚴格。溝道作為滾動軸承的工作表面，起到引導鋼球沿著正確軌跡運動并承載的重要作用，因此溝道加工質量直接影響軸承的旋轉精度和使用壽命。

加工9Cr18不銹鋼材料軸承套圈時，由于材料的特殊性，砂輪磨粒脫落、修整砂輪用金剛石不鋒利、工件轉速過高等諸多因素都會造成溝道頻繁出現劃傷，成為制約軸承質量的瓶頸。為了保證該類軸承的質量，在散光燈下使用20倍顯微鏡對溝道表面進行檢查，不允許出現劃傷。為解決存在的溝道劃傷問題，進行了相應的工藝試驗和分析，力求降低出現劃傷的概率，提升套圈溝道磨削質量。

1 劃傷形貌

B7004/HVP4內圈溝道劃傷橫截面微觀形貌如圖1所示，圖中標識區域1為圓弧狀溝道劃傷，深度約15 μm。

圖1中標識區域2內的白色點即為硬質碳化物，不規則地分布于9Cr18材料內部，硬度大于材料基體硬度，碳化物顆粒的最大直徑可達幾十微米。

圖1 內圈溝道劃傷橫截面微觀形貌

2 劃傷原因分析

2.1 材料

9Cr18為馬氏體不銹鋼，經淬回火處理后，得到顯微組織基體為隱針馬氏體和少量殘余奧氏體，且大塊狀及顆粒狀共晶碳化物和二次碳化物不規則散布于材料內部。1 000～1 080 ℃范圍內，隨著淬火溫度升高，更多的碳化物得到溶解，材料強度和硬度提高，塑性降低；200～300 ℃回火時，碳化物析出，材料強度、硬度都有所降低，但塑性提高，便于后續磨削加工。

磨削過程中，較大碳化物與砂輪磨粒撞擊，造成砂輪磨粒提前脫落，并粘附于砂輪上，在后續磨削過程中這些粘附的磨粒在溝道表面產生犁溝效應，出現劃傷。

2.2 砂輪特性

砂輪磨粒的破損程度、形狀、尺寸(粒度)及砂輪硬度決定了磨粒受外力作用時脫落的難易程度。韌性越好的砂輪抗破損能力越強；磨粒粒度越大，脫落后造成的溝道劃傷越深；砂輪硬度越高磨粒越難脫落，不僅會降低磨削效率，而且易造成燒傷、裂紋等缺陷。

生產實踐表明選擇較軟或中軟的砂輪較好；適量加大冷卻液供液壓力和流量，使磨削液容易進入溝道，帶走磨屑和磨削熱，可以有效保證溝道磨削質量，降低溝道磨削燒傷率。

2.3 機床參數

2.3.1 磨削進給速度

磨削加工時徑向力既作用于工件又作用于砂輪，磨粒的強度和磨粒的結合強度一定，當磨削力超過了磨粒的強度和結合強度極限時，砂輪強度降低，磨粒碎裂、折斷并且整粒甚至成片從砂輪上脫落，極易造成溝道磨削劃傷。減小徑向力的主要途徑是減小磨削用量，特別是減小橫向磨削進給速度，也可以通過增加對砂輪的修整次數來減小徑向力。

2.3.2 工件轉速

(1)

式中：vs為砂輪轉速；Ft為切向磨削力；vω為工件轉速；ap為背吃刀量；B為磨削寬度。

根據(1)式可知，提高工件轉速，可以降低磨削溫升，從而降低磨削燒傷出現的概率。而當工件轉速過高時，單位時間砂輪與內圈溝道的接觸時間短。磨粒經歷滑擦、耕犁過程，塑性變形逐漸產生并堆積，在加工表面耕犁出溝痕，其兩側金屬滑移隆起。而后，由于砂輪接觸內圈溝道時間短，砂輪與內圈溝道開始分離，切削力變小，切削厚度不再增大，切削變形區的滑移剪切變形無法繼續增大，最終無法順利形成帶狀切屑并沿磨粒前刃面排出，從而形成積屑瘤并部分滯留于砂輪表面，在隨后的磨削過程中對溝道造成劃傷。

2.3.3 砂輪修整

砂輪磨鈍后，切削作用減弱，需要對砂輪進行修整。生產中普遍使用金剛石砂輪修整器，為保證金剛石尖角鋒利，需保證金剛石與砂輪接觸點低于砂輪軸線1～2 mm，金剛石筆桿在垂直方向向上傾斜10°～15°，以保證金剛石切削砂輪時產生負前角和主偏角。

研究表明[2]，隨著金剛石修整切入深度的增加，修整面積增大，修整器與砂輪的碰撞比例增大，砂輪的銳利程度相應增加。如果由于金剛石筆桿安置角度出現偏差，導致金剛石尖角鋒利度降低，在修整砂輪時切入深度較小，將無法通過金剛石修整得到銳利程度較高的磨粒。鈍化的磨粒進行磨削加工，會形成剪切型切屑，殘留于溝道中可能劃傷溝道表面。

降低金剛石修整補償量不但可提升砂輪磨粒銳利程度，而且可降低大顆磨粒在磨削過程中碎裂、脫落的概率，從而降低磨削劃傷率[3]。

3 試驗分析

為進一步分析砂輪和機床各參數對內圈溝道磨削劃傷的影響，以70XX/HVP2內圈溝道磨削為例進行磨削工藝試驗。

3.1 砂輪選擇

磨削加工9Cr18不銹鋼選用硬度較高的微晶剛玉(MA)或單晶剛玉(SA)砂輪，粒度為60#～150#，硬度為G～L。選用不同型號的砂輪對70XX/HVP2內圈溝道進行粗磨、細磨、終磨3遍循環磨削加工試驗，溝道出現劃傷的概率統計結果見表1。

表1 使用不同型號砂輪時磨削劃傷率統計結果 %

由表中數據分析可知：(1)使用單晶剛玉砂輪比使用微晶剛玉砂輪粗磨磨削劃傷率降低了10%，細、終磨磨削劃傷率降低了5%。(2)粗磨適合選擇粒度為100#的砂輪，細、終磨適合選擇粒度為120#的砂輪；使用粒度為120#的砂輪進行細、終磨時磨削劃傷率比使用粒度為100#的砂輪降低5%。(3)選用硬度為J的砂輪比使用硬度為K的砂輪磨削劃傷率低7.5%。

綜合分析認為，粗磨時選用單晶剛玉，粒度為100#，硬度為J的砂輪SA100J6V60；細、終磨選用單晶剛玉，粒度為120#，硬度為J的砂輪SA120J6V60。

3.2 機床參數的影響

選用合適的砂輪，采用數控內圈溝道磨床進行磨削工藝試驗，磨床、砂輪修整各參數初設值和調整后值見表2。分別在初設參數、調整機床單參數(其他參數不變)下加工70XX/HVP2軸承內圈溝道各40件，20倍顯微鏡下檢查溝道劃傷數量。

表2 磨床、砂輪修整各參數初設值與調整后值對比

3.2.1 磨削量

由磨削量調整前、后磨削劃傷工件數量統計結果可知，調整參數后粗磨內圈溝道劃傷率降低15%，細磨內圈溝道劃傷率降低20%，磨削結束溝道劃傷率共降低了25%。

3.2.2 進給速度

由進給速度調整前、后磨削劃傷工件數量統計結果可知，調整參數后粗磨內圈溝道磨削劃傷率降低5%，細磨后內圈溝道磨削劃傷率降低10%，磨削結束溝道劃傷率共降低了15%。

3.2.3 光磨時間

由光磨時間調整前、后磨削劃傷工件數量統計結果可知，調整參數后內圈溝道經粗、細、終3次磨削后磨削劃傷率無顯著降低，但溝道表面粗糙度明顯改善，合格率由95%增至100%(圖2)，有效保證了終磨加工后內圈溝道表面粗糙度。

圖2 光磨時間對內圈溝道表面粗糙度的影響

3.2.4 工件轉速

由工件轉速調整前、后磨削劃傷工件數量統計結果可知，調整參數后粗磨內圈溝道磨削劃傷率降低10%，細磨內圈溝道磨削劃傷率降低17.5%，磨削結束溝道劃傷率共降低了22.5%。

3.2.5 總體影響

機床全部參數調整前、后(砂輪修整參數調整)內圈溝道磨削劃傷率的變化如圖3所示。由圖可知，調整所有參數后粗磨內圈溝道磨削劃傷率降低27.5%，細磨內圈溝道磨削劃傷率降低35%，磨削結束溝道劃傷率共降低了40%，極大地降低了內圈溝道劃傷廢品率。

圖3 參數調整對溝道磨削劃傷率的影響

參數調整對內圈溝道表面粗糙度的影響如圖4所示。由圖可知，參數調整前溝道表面粗糙度不合格率為5%，參數調整后溝道表面粗糙度合格率達到100%，且表面粗糙度Ra<0.2 μm的概率從10%提升至57.5%，溝道表面質量得到大幅提升。

圖4 調整參數對溝道表面粗糙度的影響

4 結束語

工藝試驗表明，通過調整磨削量、減緩磨削進給速度、增加光磨時間、降低工件轉速，調整砂輪修整使9Cr18材料內圈溝道磨削劃傷率由45%降至7.5%，內圈溝道表面粗糙度合格率達到100%，磨削質量得以大幅提高。

需要特別注意的是，粗磨內圈溝道時若產生較深的劃傷，即使經過后續磨削，也會因磨削余量有限而難以消除劃傷，因此粗磨溝道質量控制尤為重要，適當提高粗磨砂輪粒度可降低磨削劃傷程度。另外，由于受砂輪轉速和磨削冷卻的限制，對于外圈溝道的磨削難度更大，在兼顧機床參數的同時，砂輪的選擇和冷卻水的控制也必須嚴格，才能保證外圈溝道的磨削質量。