淬硬軸承鋼硬車削和磨削輔助加工技術(shù)研究

孫富建，陳金龍，韓濤，肖罡，李時春

(1.湖南科技大學(xué) a.難加工材料高效精密加工湖南省重點實驗室;b.機(jī)電工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201；2.洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039)

軸承是機(jī)械設(shè)備的重要零部件，主要功能是支承機(jī)械旋轉(zhuǎn)體，降低其運(yùn)動過程中的摩擦因數(shù)，并保證其回轉(zhuǎn)精度[1-2]，廣泛應(yīng)用于高檔數(shù)控機(jī)床和航空發(fā)動機(jī)等高端設(shè)備[3]。軸承加工精度直接影響主機(jī)的性能，硬車削和磨削是軸承加工的重要工藝，硬車削主要存在刀具壽命短，不易斷屑，對機(jī)床性能要求高，加工精度低等問題，磨削主要存在成本高，工件易燒傷，廢液難處理，粉塵危害大等問題[4]。針對上述問題， 發(fā)展出了許多輔助加工技術(shù)，在此介紹了這些輔助加工技術(shù)， 并展望了未來的發(fā)展趨勢。

1 淬硬軸承鋼硬車削輔助加工技術(shù)

1.1 熱效應(yīng)輔助技術(shù)

熱效應(yīng)輔助硬車削加工技術(shù)是使用激光、等離子、電脈沖等產(chǎn)生的熱效應(yīng)使切削區(qū)域溫度升高至合適溫度再切削的一種輔助加工技術(shù)[5]。文獻(xiàn)[6]借助導(dǎo)電加熱技術(shù)切削淬硬軸承鋼,原理如圖1所示，加工表面粗糙度Ra值達(dá)到0.25 μm；文獻(xiàn)[7]借助電脈沖技術(shù)切削淬硬軸承鋼，原理如圖2所示，主切削力比傳統(tǒng)方式降低了13%左右，加工硬化作用降低了41%，加工表面粗糙度Ra值達(dá)到0.96 μm；文獻(xiàn)[8]借助電火花技術(shù)切削淬硬軸承鋼，合適的電極材料能提高表面加工質(zhì)量及生產(chǎn)效率。

1—電刷；2—電脈沖發(fā)生器；3—絕緣層；4—車刀。

1—電刷；2—電脈沖發(fā)生器；3—工件；4—電刷；5—車刀。

電加熱和電脈沖輔助加工技術(shù)是利用電致塑性效應(yīng)改善工件的塑性變形能力，減小加工硬化，提高工件加工質(zhì)量，設(shè)備簡單，造價低，操作方便。電火花輔助加工技術(shù)對于復(fù)雜工件的加工更具優(yōu)勢。上述加工方式提高了刀具壽命、工件表面加工質(zhì)量及切削性能，但需通過試驗精確控制工件加熱溫度，電火花加熱還需考慮電極磨損問題，對電極材料的選擇還需進(jìn)一步研究。

1.2 冷效應(yīng)輔助技術(shù)

冷效應(yīng)輔助硬車削加工技術(shù)是利用冷卻介質(zhì)降低切削區(qū)溫度的一種輔助加工技術(shù)，原理如圖3所示，一般采用液氮、二氧化碳、切削液等作為冷卻介質(zhì)。文獻(xiàn)[9]在低溫二氧化碳輔助下切削AISI 52100軸承鋼，切削區(qū)溫度明顯降低，刀具使用壽命提高約20%；文獻(xiàn)[10]發(fā)現(xiàn)低溫二氧化碳輔助下可以實現(xiàn)GCr15薄壁軸承套圈的切削,表面粗糙度Ra值達(dá)到 0.233 μm；文獻(xiàn)[11]提出采用液氮冷效應(yīng)輔助硬車削加工技術(shù)切削AISI 52100軸承鋼，刀具壽命提高了5～6倍，且有助于降低機(jī)床能耗，適用于節(jié)能、環(huán)保的發(fā)展要求；文獻(xiàn)[12]分析了多種冷卻輔助硬車削加工技術(shù)的工件殘余應(yīng)力，如圖4所示，加入冷卻介質(zhì)會使工件的殘余應(yīng)力增加；文獻(xiàn)[13]采用間接低溫冷卻和最小量潤滑的輔助硬車削加工技術(shù)，延長了刀具壽命，表面粗糙度Ra值達(dá)到0.12 μm；文獻(xiàn)[14]分析了銅納米流體冷卻輔助硬車削加工技術(shù)，加工表面質(zhì)量更好。

1—工件；2—冷卻介質(zhì)；3—車刀。

圖4 多種冷卻方式下的工件殘余應(yīng)力

冷效應(yīng)輔助硬車削加工技術(shù)降低了切削區(qū)溫度，減少了刀具磨損，提高了工件表面加工質(zhì)量。此外，選用清潔的的冷卻介質(zhì)，在提高潤滑性能的同時減少了對環(huán)境的污染。但冷卻會使工件殘余應(yīng)力增加，液氮、二氧化碳等冷效應(yīng)輔助技術(shù)還需配備專業(yè)設(shè)備，冷卻介質(zhì)也可能會對機(jī)床、刀具及工件造成損傷。

1.3 超聲輔助技術(shù)

超聲輔助硬車削加工技術(shù)是沿特定路徑(通常為主切削力方向)對刀具或工件加入有規(guī)則的、可控振動的一種輔助加工技術(shù)，原理如圖5所示。文獻(xiàn)[15]發(fā)現(xiàn)合適的超聲振動參數(shù)可以使工件表面不產(chǎn)生易導(dǎo)致脆性剝落的白色層，且能獲得更佳的殘余應(yīng)力；文獻(xiàn)[16-17]發(fā)現(xiàn)在超聲輔助硬車削過程中刀具和工件會發(fā)生有規(guī)律的分離和接觸，減少了刀具和工件的接觸時間，降低了加工時的摩擦力、切削熱和切削力；文獻(xiàn)[18] 發(fā)現(xiàn)超聲輔助硬車削加工技術(shù)工件殘余應(yīng)力平均增加了73.34%，殘余應(yīng)力主要由刀具和工件的分離時間決定，降低工件轉(zhuǎn)速和增大振幅可以增加分離時間，從而增大殘余應(yīng)力；文獻(xiàn)[19]發(fā)現(xiàn)超聲振動強(qiáng)度對工件殘余應(yīng)力影響較大；文獻(xiàn)[20]通過建立仿真模型分析了超聲輔助硬車削加工技術(shù)加工工件的表面性能，發(fā)現(xiàn)該技術(shù)對工件表面粗糙度影響較大。

1—工件；2—超聲振動方向；3—車刀。

超聲輔助硬車削加工技術(shù)可顯著提高工件表面的加工質(zhì)量和刀具壽命，切削力小，切削難加工材料時效果顯著。但該技術(shù)會對刀具造成一定損傷，需選擇合適的刀具及控制好加工參數(shù)。

2 淬硬軸承鋼磨削輔助加工技術(shù)

2.1 超聲輔助技術(shù)

超聲輔助磨削加工技術(shù)是在磨削加工中加入高頻超聲振動的一種輔助加工技術(shù)，如圖6所示，振動形式主要有2類：1)單方向的振動，如軸向振動(圖6a)、徑向振動(圖6b)、切向振動(圖6c)；2)切向加軸向振動(圖6d)和切向加徑向振動(圖6e)。徑向振動使砂輪對工件間歇性加工，具有較好的切削能力和散熱能力，切削力較??；軸向振動使砂輪對工件的同一位置重復(fù)磨削，提高了工件加工質(zhì)量；2個方向的振動綜合了1個方向振動的優(yōu)勢，加工效果更好[21-23]。

圖6 超聲輔助磨削加工技術(shù)

文獻(xiàn)[24]建立了超聲輔助磨削的磨削力模型，施加合適的超聲振動參數(shù)，可以得到合適的磨削力，進(jìn)而提高工件加工質(zhì)量和刀具壽命； 文獻(xiàn)[25]分析了超聲輔助磨削加工技術(shù)氧化鋁砂輪的磨損情況，超聲輔助技術(shù)可以提高砂輪的耐磨性及其對工件的磨削能力；文獻(xiàn)[26]進(jìn)行了超聲輔助磨削試驗，超聲振動可以減少砂輪磨損，提高工件表面的加工質(zhì)量；文獻(xiàn)[27]發(fā)現(xiàn)超聲輔助磨削會使工件表面產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，試驗裝置如圖7所示；文獻(xiàn)[28] 分析了斜向超聲振動輔助磨削對工件加工質(zhì)量的影響，超聲振動方向與砂輪軸向的角度為67.5°時工件表面粗糙度Ra值最低；文獻(xiàn)[29] 采用超聲輔助磁性研磨AISI 52100鋼，表面粗糙度Ra值達(dá)到22 nm。

圖7 超聲輔助磨削試驗

超聲輔助磨削加工技術(shù)可以顯著提高砂輪壽命，降低磨削力、工件表面粗糙度及磨削溫度，改善工件表面波紋度，但要設(shè)置合理的參數(shù)以減少超聲振動對砂輪的損傷，且要選擇合適的超聲振動方向。

2.2 冷效應(yīng)輔助技術(shù)

冷效應(yīng)輔助磨削是在傳統(tǒng)磨削中加入冷卻介質(zhì)的一種輔助加工技術(shù)。文獻(xiàn)[30-31]采用低溫風(fēng)冷及納米粒子流冷卻技術(shù)進(jìn)行磨削試驗，獲得了較好的冷卻性能，改善了工件表面形貌，減小了法向摩擦力；文獻(xiàn)[32]采用壓縮冷卻空氣和固體潤滑劑輔助磨削，無冷卻液，更環(huán)保，有效提高了砂輪壽命，可使磨削溫度降低至普通磨削的1/3。

冷效應(yīng)輔助磨削加工技術(shù)可以提升潤滑性能，降低磨削區(qū)溫度以及提高砂輪壽命，由于綠色加工的理念，應(yīng)選擇干式或半干式磨削。在冷效應(yīng)輔助磨削加工技術(shù)里還沒有使用二氧化碳、液氮等冷卻效果更好的冷卻介質(zhì)，后續(xù)有待進(jìn)一步研究。

2.3 在線電解修整砂輪輔助技術(shù)

在線電解修整砂輪(ELID)輔助磨削加工技術(shù)是利用了電解液電解砂輪表面來保持砂輪的銳利性的一種輔助加工技術(shù)，如圖8所示。電解后砂輪表面會產(chǎn)生氧化膜，氧化膜磨損后，再次發(fā)生電解，實現(xiàn)砂輪的自動修銳。

1—電極；2—電解液；3—電刷；4—砂輪；5—工件；6—電磁吸盤。

文獻(xiàn)[33]提出在普通外圓磨床上實現(xiàn)了軸承鋼的ELID外圓磨削，表面加工質(zhì)量明顯提高，但需要選擇粗磨粒的CBN砂輪來提高加工效率；文獻(xiàn)[34-36]分析了ELID輔助磨削加工技術(shù)各參數(shù)對軸承滾道表面粗糙度的影響，選取最佳工藝參數(shù)可使工件表面粗糙度達(dá)到12 nm ，且可以減少磨削燒傷或裂紋等。

ELID輔助磨削加工技術(shù)砂輪磨削時可對其自動修銳，避免砂輪堵塞，提高了工件的加工質(zhì)量，符合越來越高的加工精度要求。但設(shè)備昂貴，技術(shù)要求高，前期投入大，且僅適用于金屬結(jié)合劑的超硬磨料砂輪。

3 結(jié)論

1)硬車削輔助加工技術(shù)的切削液帶走了大部分切削熱，工件熱損傷較少，提高了軸承套圈滾動接觸疲勞的失效進(jìn)程。同時，在減小切削力，降低切削區(qū)溫度，改善加工硬化等方面效果顯著，提高了刀具使用壽命及套圈表面加工質(zhì)量(表面粗糙度Ra值達(dá)到0.12 μm)。

2)磨削輔助加工技術(shù)可顯著減小磨削力，提升潤滑性能，降低工件表面粗糙度，改善工件表面波紋度。

4 展望

1)軸承鋼硬車削和磨削輔助加工技術(shù)的研究較少，且大多基于試驗結(jié)果反推其加工效果，成本較高，后續(xù)有待建立能夠更加準(zhǔn)確預(yù)測輔助加工技術(shù)效果的數(shù)學(xué)和仿真模型。

2)單一輔助加工技術(shù)存在著一定的局限性，采用多種輔助加工技術(shù)組合或添加超精加工技術(shù)(超聲滾壓、激光沖擊等)有望得到更好的效果。

3)針對輔助加工技術(shù)的研究不足，后續(xù)有待做更深入的研究，如導(dǎo)電對軸承鋼塑性的影響，表面強(qiáng)化技術(shù)和輔助加工技術(shù)組合使用對加工效果的影響。

4)淬硬材料的硬車削和磨削輔助加工技術(shù)還有等離子加熱輔助硬車削加工技術(shù)、在線激光修整砂輪輔助磨削加工技術(shù)等，有必要研究這些技術(shù)在軸承鋼材料上的應(yīng)用。

淬硬軸承鋼的硬車削和磨削輔助加工技術(shù)大多仍在研究試驗階段，還需要高校、科研院所和企業(yè)展開更深入的產(chǎn)學(xué)研合作，促進(jìn)相關(guān)技術(shù)的落地和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。