硬態切削軸承套圈近表層殘余應力分布及性能

薛 宇, 巴發海

(上海材料研究所, 上海 200437)

專題報道

硬態切削軸承套圈近表層殘余應力分布及性能

薛 宇, 巴發海

(上海材料研究所, 上海 200437)

通過對硬態切削軸承套圈和磨削軸承套圈進行對比，分析了硬態切削軸承套圈近表層殘余應力的分布、溝道表面形貌、硬度和粗糙度。結果表明：與磨削軸承套圈相比，硬態切削軸承套圈能夠獲得更大的近表層殘余壓應力和更深的壓應力層，以及較好的表面形貌和較高的表面硬度。

硬態切削；磨削；軸承套圈；殘余應力；性能

硬態切削是采用超硬刀具對硬度大于50 HRC的淬硬鋼進行精密切削加工的工藝。與傳統磨削技術相比，硬態切削技術以其良好的加工柔性、較高的加工效率和較低的加工成本等優勢，在發達國家超精密軸承的生產中有較為普遍的應用[1]。一般認為：殘余拉應力不利于疲勞壽命的提高；而殘余壓應力能夠增加微裂紋閉合能力，阻滯裂紋擴展，從而延長零件的疲勞壽命，超精硬態切削工藝能夠在已加工表面產生殘余壓應力。

目前，針對硬態切削軸承方面的研究主要集中在切削機理與模擬方面，而對超精密軸承硬態切削加工殘余應力分布的研究還較少。為此，筆者采用超精密硬態切削工藝對GCr15鋼軸承套圈進行加工，從表層殘余應力的分布與表面形貌等方面與P4級進口德國舍弗勒集團(FAG)磨削軸承進行了對比，以期為硬態切削技術在精密軸承生產的實際應用提供參考。

1 試樣制備與試驗方法

為了對比硬態切削加工工藝與磨削加工工藝，使用PCBN刀具按照表1所示的切削加工工藝參數對GCr15鋼軸承內圈進行加工試驗，加工軸承為7016C角接觸球軸承(圖1)，熱處理工藝見圖2。對比材料同樣為進口材料7016C角接觸球軸承FAG磨削軸承，如圖3所示。試驗中采用國產X-350A型X射線應力儀測定殘余應力，使用側傾固定ψ法。測試參數為：輻射材料CrKα，準直管直徑2 mm，X光管電壓25.0 kV，X光管電流5.0 mA，2θ為169.00°～142.00°，ψ為0°，24.2°，35.3°，45.0°，應力常數-318 MPa/(°)，測試部位為內圈溝道底部。為測得近表層應力分布，采用電解拋光剝層的方法對試樣進行腐蝕，腐蝕深度為20 μm，然后采用X射線應力儀對剝層表面的殘余應力進行測試[2]。

表1 軸承套圈硬態切削工藝參數

圖1 7016C角接觸球軸承結構Fig.1 Structure of the 7016C angular contact ball bearing

圖2 軸承套圈熱處理工藝Fig.2 Heat treatment process of the bearing rings

圖3 進口FAG磨削軸承外觀Fig.3 Appearance of the imported FAG grinding bearing

2 試驗結果與討論

2.1 軸承套圈表面殘余應力

對軸承進行電解拋光，每次剝層厚度20 μm，采用X射線應力儀對剝層表面進行殘余應力測試[2]。不同加工方法得到的軸承溝道的殘余應力梯度分布曲線如圖4所示。

圖4 硬態切削軸承與磨削軸承的殘余應力分布(每次剝層厚度20 μm)Fig.4 Residual stress distribution of the hard cutting bearing and the grinding bearing(stripping layer thickness being 20 μm each time)

由圖4可知：硬態切削軸承最表層的殘余應力為壓應力，為-758 MPa(負號表示壓應力)，且隨著距離軸承表面深度的增加而減小，壓應力層深度大約為80 μm；而磨削軸承最表層的殘余壓應力較小，為-558 MPa，同樣隨著距離軸承表面深度的增加而減小，壓應力層深度僅為30 μm左右。

由于20 μm的拋光剝層間距較大，無法精細地反應軸承近表面層殘余應力的分布狀況。因此對硬態切削軸承和磨削軸承采用每次剝層5 μm的電解拋光方法，逐層測試殘余應力分布，測得的軸承溝道殘余應力梯度分布如圖5所示。

圖5 硬態切削軸承與磨削軸承的殘余應力分布(每次剝層厚度5 μm)Fig.5 Residual stress distribution of the hard cutting bearing and the grinding bearing(stripping layer thickness was 5 μm each time)

由圖5可以看出：硬態切削軸承距表面10 μm處的殘余壓應力最大，約為-740 MPa，最表層的殘余壓應力為-640 MPa，壓應力層深度為80 μm左右，硬態切削軸承的殘余應力分布呈勺型；而磨削軸承的壓應力隨著深度的增加而不斷減小，在40 μm處應力趨于零，應力增長速率趨于零。軸承表面壓應力的產生是加工過程中熱應力和機械應力共同作用的結果[3]，熱效應使軸承表層產生拉應力，機械效應使軸承表層產生壓應力。由于硬態切削過程中，刀具與工件接觸區域的平均壓應力比磨削的要高，所以其工件表面有著更深的殘余壓應力層；而與硬態切削相比，磨削過程中砂輪與工件表面摩擦擠壓產生的熱效應要大[4]，接觸面積也明顯更大，產生的熱量更多。磨削熱量由砂輪與工件的接觸面相互摩擦擠壓產生，大部分熱量傳入工件中，只有少部分熱量被磨屑帶走，而硬態切削過程中產生的切削熱大部分被切屑帶走，僅有少部分熱量傳入工件[5]，因此硬態切削軸承的表層壓應力要比磨削軸承的大得多。

殘余壓應力更有利于提高軸承的疲勞壽命，這是因為殘余壓應力不僅可以提高疲勞裂紋萌生壽命，而且可以提高疲勞裂紋擴展壽命。表面殘余壓應力越大，越有利于阻礙表面起源型疲勞破壞；殘余壓應力層越深，越有利于提高軸承的疲勞壽命。研究表明，硬態切削軸承表面的殘余應力可使軸承疲勞壽命提高約10%～30%[6]。

2.2 軸承套圈溝道表面形貌

圖6 硬態切削軸承溝道的表面形貌Fig.6 Surface morphology of grooves of the hard cutting bearing

圖7 磨削軸承溝道的表面形貌Fig.7 Surface morphology of grooves of the grinding bearing

對硬態切削軸承和磨削軸承溝道進行掃描電鏡觀察，得到的表面形貌如圖6和圖7所示。從圖6可以看出，硬態切削軸承套圈的加工表面光滑規整，紋理清晰。而磨削軸承加工表面出現了局部微小的缺陷和隆起，有少量的顆粒犁出劃痕，劃痕寬度約為2 mm，如圖7所示。這是由于砂輪是由粘結劑和許多微小鋒利的磨粒組成，磨粒作為切削刃具有較大的隨機性[7]。

2.3 軸承套圈表面硬度

對硬態切削軸承和磨削軸承的表面硬度進行測試，結果如表2所示?？梢钥闯?，硬態切削軸承的表面硬度略高于磨削軸承的，這是由于磨削加工溫度較高，材料的加工硬化效果較弱，而硬態切削加工區域的熱效應較小，同時產生更大的機械應力使得工件材料發生了更大的塑性變形，加工硬化效果更明顯，導致表面硬度比磨削時的有所提高。

表2 軸承套圈表面硬度

2.4 軸承套圈表面粗糙度

對硬態切削軸承和磨削軸承的表面粗糙度進行測試，結果如表3所示。可以看出，硬態切削軸承的表面粗糙度基本達到與磨削軸承的相近水準，滿足P4級軸承所要求的溝道表面粗糙度水平(0.1～0.2 μm)。

表3 軸承套圈表面粗糙度

3 結論

精密硬態切削軸承可以獲得比精密磨削軸承更大的表面壓應力和更深的壓應力層，從而提高軸承的疲勞壽命。硬態切削軸承還可以獲得良好的表面形貌和略高于磨削軸承的表面硬度，表面粗糙度也能達到與磨削軸承相近的水準。因此，硬態切削軸承的性能優于磨削軸承的，在精密軸承生產中，硬態切削技術值得推廣和應用。

[1] 文東輝,劉獻禮,肖露,等.硬態切削機理研究的現狀與發展[J].工具技術,2002,36(6):3-7.

[2] 劉金娜,徐濱士,王海斗,等.材料殘余應力測定方法的發展趨勢[J].理化檢驗-物理分冊,2013,49(10):677-682.

[3] 岳彩旭,劉獻禮,王宇,等.硬態切削與磨削工藝的表面完整性[J].工具技術,2008,42(7):13-18.

[4] 周蓉蓮,凌潔,楊靜,等.磨削殘余應力的產生與X射線衍射分析方法[J].理化檢驗-物理分冊,2014,50(6):424-425.

[5] 李振,張相琴,張雪萍,等.軸承鋼硬切削表面殘余應力對滾動接觸界面疲勞壽命的影響[J].上海交通大學學報,2011(1):50-55.

[6] 孫蛟.磨削加工對滾動軸承套圈工作表面影響與措施[J].中國新技術新產品,2009(13):122-122.

[7] 孫雅洲,劉海濤,盧澤生.基于熱力耦合模型的切削加工殘余應力的模擬及試驗研究[J].機械工程學報,2011,47(1):187-193.

Residual Stress Distribution and Performance of Near Surface of Hard Cutting Bearing Rings

XUE Yu, BA Fahai

(Shanghai Research Institute of Materials, Shanghai 200437, China)

By comparing hard cutting bearing rings and grinding bearing rings, the residual stress distribution, groove surface morphology, hardness and roughness of the near surface of hard cutting bearing rings were analyzed. The results show that: compared with grinding bearing rings, hard cutting bearing rings could obtain higher residual stress and deeper compressive stress layer on the near surface, as well as better surface morphology and larger surface hardness.

hard cutting; grinding; bearing ring; residual stress; performance

10.11973/lhjy-wl201707004

2016-05-24

薛 宇(1991—)，男，碩士研究生，主要從事材料學方面的研究，499729191@qq.com

TG115.2

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1001-4012(2017)07-0474-03