與磨削原理和磨削熱缺陷有關的尺度問題

楊俊生，馬元，王玉國

(1.洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039；2.河南省高性能軸承技術重點實驗室，河南 洛陽 471039；3.軸承產業技術創新戰略聯盟，河南 洛陽 471039)

磨削是一種成熟的加工方法，但反復出現的磨削熱缺陷(燒傷和裂紋)嚴重影響產品質量，甚至造成巨大的經濟損失。目前，雖然磨加工行業已有很多控制磨削裂紋的經驗和方法，但不能完全避免磨削裂紋的產生。一方面，由于磨削裂紋的產生是材料、鍛造、熱處理及磨削的綜合問題；另一方面，磨削裂紋是在磨削過程中產生的，排除其他過程的影響后可知，磨削過程是可以單獨致裂的。

現以能量流動為主線，物理本質為基點，實際現象為解，對磨削原理和磨削熱缺陷進行多尺度分析[1]。

1 磨削原理

1.1 磨削過程的能量集中

磨削加工的目的是實現材料的分離。以原子構成的物質，其分離的本質可以歸結為原子間的相互作用隨距離增加而減弱，要實現2個原子的分離只需有足夠破壞兩者間原子鍵的能量。鐵原子金屬鍵能為407 kJ/mol[2],因此要使2個鐵原子分離，就要在飛秒級的時間尺度上提供6.79×10-19J的能量，即能量集中。在磨削過程中，能量集中通過碰撞來實現。

這一過程可以實現是因為沒有瞬時和超距離的相互作用，物體的動能只能從接觸點發生轉化。在碰撞過程尺度時間區域內，每個時間段內轉化的動能的量由2個物體原本的動能決定，其影響因素是2個物體的速度和質量。質量顯示了微觀粒子的物質的量，原子間的鍵能顯示了能量的量，原子相互作用的時間是時間尺度，碰撞點的物質所占據的空間則是空間尺度。而能量流動時，承受能量的物質的量的變化、能量存在的空間的變化、能量流動的時間的變化都是尺度的變化，在尺度變化之間實現了能量密度變化，即能量場強度變化。碰撞體現了各個尺度因素之間的相互轉化。因此，尺度問題涉及到空間尺度、時間尺度、物質的量的尺度和能量的量的尺度，以及尺度的變化。

磨削過程中，通過磨粒與工件表面干涉點的碰撞實現能量集中是實現磨削過程的前提條件。

1.2 磨削過程中的摩擦

摩擦把機械能轉化為熱能，使物質的溫度發生變化。機械能轉化為熱能對磨削過程是有害的，也是產生磨削熱缺陷的主要原因。

熱量以溫度來度量，溫度是物質原子或分子無規則熱運動的表現。在微觀尺度下，即使看似光滑的表面也是凸凹不平的，摩擦使宏觀的機械能轉化為微觀分子的熱運動，依靠大量微觀接觸點的焊結與破壞，以及運動時微觀干涉點的相互碰撞[3]，大量的相互作用點產生振動，轉化為分子的無規則運動[4]。其中作用點的數量是關鍵因素。

磨削過程的能量流動(圖1)中，只有磨粒與零件表面被干涉點的碰撞能量是完成磨削的必要過程；磨粒與零件接觸表面的摩擦，在一定程度上是無法避免的；而磨屑與零件表面的摩擦是可以避免的，砂輪被堵塞時，磨屑與工件表面的接觸表面更大，微觀焊點和微觀碰撞點更多，使機械能到熱能的轉化效率更高。

圖1 磨削過程的能量流動圖

1.3 磨削過程的溫度

磨削時，磨粒切削點的溫度最高，可達1 500 ℃左右，在250 ℃以上磨削燒傷便會產生，但在正常磨削條件下不會產生燒傷，這是因為熱量從磨削點分散到整個磨削區域。其中承受熱量的物質的量發生了變化，從而使溫度降低。

溫度是一個普遍存在的影響因素，溫度變化產生的影響有：1)原子間的距離發生改變，使分離2個原子所需要的能量發生變化；2)軸承鋼組織發生改變，屬于微觀原子無規則熱運動的動能轉化為組織整體的能量。能量從原子微觀層面轉移到組織層面，溫度的標量場轉化為組織應力的矢量場，局部的組織應力在更大范圍內經過合成轉化為宏觀矢量力。該過程不僅實現了能量從微觀向宏觀的轉變，還實現了標量場到矢量場的轉變。

2 磨削熱缺陷

2.1 磨削燒傷

磨削燒傷是零件組織隨溫度變化的結果，不同溫度下產生的組織變化見表1。

表1 磨削熱所導致的表層變化

2.2 磨削裂紋的致裂因素

2.2.1 組織應力

在產生磨削燒傷的組織變化過程中，由于溫度的升高，淬火形成的過飽和碳發生擴散，晶格變形恢復，其他缺陷消除，使組織的比容減小，從而產生組織應力。

2.2.2 熱應力

不同位置的溫差會產生熱應力。軸承鋼淬火后，一般要進行回火，預先完成表1中第1種組織變化，磨削過程中是否發生組織變化或產生組織應力，取決于溫度是否高過回火溫度。但無論是否產生組織變化，磨削熱仍會產生熱應力。因為磨削熱在分散到基體材料和被冷卻液帶走之前，集中在零件表面和淺表面。

2.2.3 磨削應力

磨削時，由于磨粒的切削力和磨粒與工件的摩擦力，在磨削表面垂直于磨削方向的為壓應力，與磨削方向相同的方向上，接觸點前端為壓應力，后端為拉應力。

2.2.4 淬火殘余內應力

軸承鋼一般經過淬火處理，加熱到850 ℃轉化成奧氏體+未溶碳化物組織，然后淬火過程中奧氏體轉變為馬氏體。在此過程中，晶格發生畸變，比容增大，硬度增大，強度上升，韌性較差，殘余應力較大，其本質在于：溫度急劇下降，大部分碳原子保留在晶格中，形成過飽和固溶體，導致晶格變形，形成固溶強化機制并產生各種缺陷。

材料的特性源自材料的原子結構和微觀結構，淬火使軸承鋼的組織結構發生改變，影響磨削過程，同時產生3類殘余內應力：

1)第1類內應力，又稱宏觀殘余應力，由零件不同部位的宏觀變形或組織轉變不均勻導致，其平衡范圍在于整個零件。經過550 ℃回火可以消除。

2)第2類內應力，又稱微觀殘余應力，由晶粒或亞晶粒之間的變形不均勻導致，其平衡范圍在晶粒或亞晶粒之間。經過500 ℃的回火可以消除。

3)第3類內應力，又稱點陣畸變，由空穴、間隙原子和位錯導致，其平衡范圍只有幾十到幾百納米。經過300 ℃的回火可以消除。

淬火殘余內應力存在于各個尺度，其中第2類內應力會使產生磨削裂紋需要的額外拉應力減少，而在大尺寸的零件中，第1類殘余應力不可忽略，在斷裂的大型零件中，其開裂處有較寬的裂紋，其中的應力經淬火后的回火(180 ℃)和軸承磨削工藝之間的附加回火(150 ℃)不能去除。

在組織應力、熱應力、磨削拉應力(只包括磨削的切削力和摩擦力)以及淬火殘余應力這些由不同源頭產生、分布在不同尺度的力場的合成下，當拉應力超過材料的斷裂強度時，便產生磨削裂紋，當這些因素的致裂貢獻比不同時，便會出現不同的裂紋現象。

磨削裂紋的致裂因素體現了物質的結構以及所占空間均隨其承受的能量場強度的改變而改變。

2.3 與磨削裂紋有關的現象分析[5-8]

1)只有硬度大于45 HRC的淬火回火零件，才有被磨裂的危險。

這體現了淬火后材料性能的變化，以及各種空間尺度范圍內存在的殘余內應力對材料磨削致裂性的影響。

2)產生嚴重的磨削裂紋時，即使非常密集，磨削裂紋之間也存在肉眼可辨的距離。

在磨削原理中有磨削力尺寸效應[9]，在磨削裂紋產生時，該效應同樣適用。材料中的缺陷分布需要蘊含于一定的物質，即需要物質的量的尺度，因為物質的存在需要空間，所以也是空間尺度因素。組織應力的形成也需要空間尺度和物質的量的尺度。GB/T 6394—2002《金屬平均晶粒度測定法》中規定8級粒度以下晶粒的直徑為0.022 mm，嚴重的磨削裂紋不會只沿著晶粒內擴展，磨削裂紋易沿晶界擴展，相鄰磨削裂紋之間的距離不等于晶粒的直徑。

3)磨削時，切削點的溫度雖高，但不一定產生磨削燒傷；有磨削燒傷時不一定會有磨削裂紋；磨削面積較大時，易產生磨削裂紋；有磨削裂紋通常會伴隨磨削燒傷，但也有無磨削燒傷的情況。

磨削時，砂輪磨損面積超過工作面積的4%時，零件表面開始出現燒傷，這是因為當砂輪磨損時，摩擦效應增強，產生的熱量才會導致燒傷；磨削燒傷并不一定引起磨削裂紋，因為磨削裂紋的產生需要應力強度達到材料的斷裂強度。磨削燒傷產生的組織應力，需要有一定的物質的量的尺度和空間尺度，磨削面積增大時，才能使組織應力達到斷裂需要的強度；有磨削裂紋也不一定有磨削燒傷，磨削裂紋的產生可以由其他致裂因素引起。

4)磨削裂紋較淺，一般不超過0.50 mm，常見深度0.10～0.20 mm，深度超過1 mm的裂紋不多見。這是因為磨削時零件磨削區的溫度隨深度的增加急劇下降。

5)在磨削裂紋中，大型軸承零件的磨削裂紋有時較深。這是因為大型零件淬火后，后續的回火溫度低，無法消除第1類殘余應力，而零件尺寸決定其蘊含的第1類殘余應力較多，當裂紋產生時，應力釋放，裂紋發生擴展并加深。

6)磨削溫度達到100 ℃時，零件表面收縮，產生與磨削方向垂直的裂紋，軸承零件經過150 ℃回火可避免此裂紋的產生；零件溫度達到300 ℃時，表面繼續收縮，產生更嚴重的網狀裂紋，一般裂紋網格越密，裂紋深度越淺。

與磨削方向垂直的磨削裂紋的產生，是由于在與磨削方向平行的拉應力和組織應力的綜合作用下，拉應力的強度優先達到材料的斷裂強度。

裂紋的形成路徑垂直于最大拉應力，在裂紋的各種致裂因素中，只有當局部組織應力方向不同時，才會產生網狀裂紋，因此該裂紋的出現說明磨削溫度升高到一定階段，組織應力成為致裂的主導因素。磨削裂紋網格越密，代表組織應力在表層釋放越充分，因此深度越小。

7)有些軸承的擋邊平面較窄，在該平面上很難出現網狀磨削裂紋。

這是因為網狀裂紋的產生需要組織應力，而組織應力集中需要一定的空間尺度。這也顯示了組織應力致裂所需的尺度在窄平面上的缺乏。

8)在撞刀或其他原因產生的磨削裂紋中，有時可見沿磨削裂紋的凸起，且有剝離的傾向；當產生裂紋后的磨削量較小時，常可見沿裂紋兩側的微小平面(寬度通常小于1 mm)。

撞刀或其他因素產生的嚴重磨削裂紋的組織應力較大，在組織應力和拉應力的作用下，裂紋繼續被拉寬，兩側產生凸翹，當后續磨削量不足以消除凸翹時，便可觀察到沿裂紋兩側的微小平面。在磁粉檢測中發現該缺陷后，確定位置，擦掉磁痕，可迎光變換角度觀察。

9)只由淬火應力引起的開裂會過渡為淬火裂紋；由于軸承通常較薄，且溫升在表面引起的膨脹(不考慮溫升的組織變化作用)不會在表面產生拉應力，冷卻后表面與心部的溫差較小，因此軸承磨削時的熱應力對致裂的貢獻比較小，不會起主導作用或單獨致裂。

3 磨削裂紋的控制

正確運用磨削原理的關鍵在于對量的控制，磨削的切削力是磨削的必要因素，磨粒和零件的摩擦力是無法避免的因素，這2個因素形成的磨削拉應力可單獨致裂；加上組織應力、熱應力和淬火殘余應力致裂貢獻，要避免磨削裂紋，必須控制所有致裂因素的貢獻比。以能量的流動為線索，以物理本質為基點，觀察出現裂紋時的現象，分辨致裂貢獻比失控的因素，在尺度問題上消除其存在的源頭，以避免和控制裂紋產生。

需要注意的是，在軸承的機械加工過程中，不僅僅是磨削過程會導致缺陷，凡是會產生能量集中的過程，都可能導致裂紋和熱缺陷，常見的情形如下：

1)零件過重和磁極發生相對運動時，合金支承件與零件的嚴重摩擦會導致裂紋；

2)成形車刀車削倒角時，由于接觸面積大，熱量的轉化效率達到一定程度會出現燒傷；

3)車刀與零件發生嚴重干涉時也會導致裂紋；

4)軸承材料在未淬火前硬度低、塑性大，車削時更易出現與車削方向垂直的細微塑性撕裂裂紋，這些裂紋沿著加工條帶連續分布，在淬火前危害不大；當軸承材料經過淬火后，脆性變大，形成的撕裂裂紋的危險性基本等同于磨削裂紋。由于不銹鋼材料的淬硬性、導熱性和高溫強度等原因，更易在淬火后的車、磨加工中出現細小的撕裂裂紋。導致撕裂產生的主要原因是沿加工方向的切向力，而無其他裂紋產生過程中的組織力和熱應力。

應將以上裂紋與磨削裂紋進行區分，防止在分析磨削裂紋時產生根源性的錯誤。

4 結束語

原子間的有效作用距離為納米尺度，沒有超距離和瞬時的相互作用，這是由于物質的性能取決于其結構，以及能量在宏觀和微觀傳遞時因尺度變化產生的能量集中。裂紋的危害性也基于相同的原因。

尺度的跨越需以能量的流動為主線，以物理本質為基點，以現象為解，在了解材料結構的基礎上，對磨削過程的原理和磨削裂紋的產生過程進行分析。