高溫鋼軸承套圈滾道磨削燒傷控制技術(shù)研究

李迎麗，孫麗杰，趙 燕，范繼成

(1.中國(guó)航發(fā)哈爾濱軸承有限公司，哈爾濱 150036；2.哈爾濱電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，哈爾濱 150030)

0 引言

軸承是機(jī)械設(shè)備的基礎(chǔ)零件，被稱為機(jī)械的關(guān)節(jié)，同樣也是航空發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵零部件之一[1]。高溫鋼是航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承廣泛應(yīng)用的制造高溫軸承的材料，該種鋼材具有較高的高溫硬度、高溫接觸疲勞強(qiáng)度和耐磨性能。NSK、FAG、SKF等國(guó)外先進(jìn)軸承公司在高溫鋼軸承套圈滾道磨削技術(shù)研究方面，針對(duì)磨削熱形成的表面氧化層、高溫回火層、二次淬火層、磨削裂紋，對(duì)磨削力造成的加工硬化層形成機(jī)理與檢測(cè)等方面開(kāi)展了大量技術(shù)研究工作[2]，具有穩(wěn)定的滾道磨削控制技術(shù)。而我國(guó)在這方面的研究還處在初級(jí)階段，基礎(chǔ)研究工作開(kāi)展得還不足。

目前，國(guó)內(nèi)航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承的失效多發(fā)生在套圈滾道和滾動(dòng)體表面，其中磨削燒傷是重要原因之一。磨削燒傷在金屬表層會(huì)產(chǎn)生很大應(yīng)力，在大應(yīng)力狀態(tài)下軸承工作表面缺陷因應(yīng)力集中造成疲勞失效[3]。因此，針對(duì)高溫鋼軸承套圈滾道磨削規(guī)范、磨削工藝流程、磨削過(guò)程控制等方面開(kāi)展研究工作，形成系統(tǒng)、完善的高溫鋼軸承套圈滾道磨削工藝技術(shù)，對(duì)杜絕磨削燒傷，預(yù)防軸承失效尤為重要。

1 高溫鋼軸承套圈滾道磨削原始工藝及磨削效果

砂輪和工件表面接觸區(qū)域產(chǎn)生的磨削熱，將大部分傳入工件表面[4]，如果磨料或磨削參數(shù)(轉(zhuǎn)速、磨削量)選取不當(dāng)、冷卻條件不良，會(huì)使磨削熱急速增加，在套圈磨削表面產(chǎn)生局部高溫，形成較深的變質(zhì)層，使磨削變質(zhì)層顯微硬度降低，耐磨性和疲勞強(qiáng)度顯著下降[5]，嚴(yán)重時(shí)產(chǎn)生磨削燒傷。套圈滾道表面常發(fā)生的磨削燒傷狀態(tài)如圖1所示。

圖1 磨削燒傷形貌Fig.1 Grinding burn

高溫鋼材質(zhì)具有高硬度、高韌性的特點(diǎn)，磨削加工難度較大，套圈滾道尤其是球軸承套圈滾道，在被磨削過(guò)程中出現(xiàn)磨削燒傷的概率遠(yuǎn)大于軸承鋼。在現(xiàn)有基礎(chǔ)上，從加工精度、合格率和效率等方面考慮[6]，深入研究高溫鋼軸承套圈磨削技術(shù)，對(duì)快速提升高溫鋼軸承質(zhì)量穩(wěn)定性、助推航空領(lǐng)域飛速發(fā)展，具有深遠(yuǎn)的意義。

1.1 原磨削工藝流程

高溫鋼軸承套圈按照軸承鋼工藝流程、磨料及磨削參數(shù)的選擇模式，確定滾道磨削工藝。以EXXXN4QU軸承外圈(圖2a)、內(nèi)圈(圖2b)為例，說(shuō)明高溫鋼軸承套圈原工藝流程如下：

1)外圈磨加工工藝流程：粗磨非基面→粗磨基面→退磁→粗磨外圓→粗磨外圈內(nèi)孔→粗磨外溝→打倒角→穩(wěn)定→終磨非基面→終磨基面→退磁→終磨外圓→精研外圓→細(xì)磨外溝→酸洗→終磨外溝→探傷→拋光外圓內(nèi)孔→粗研外溝→精研外溝→退磁、清洗、提交。

2)內(nèi)圈磨加工工藝流程：粗磨非基面→粗磨基面→退磁→粗磨內(nèi)圈外圓→粗磨內(nèi)孔→粗磨內(nèi)溝→打倒角→穩(wěn)定→終磨非基面→終磨基面→退磁→終磨內(nèi)圈外圓→精研內(nèi)圈外圓→終磨內(nèi)孔→細(xì)磨內(nèi)溝→酸洗→終磨內(nèi)溝→探傷→粗研內(nèi)溝→精研內(nèi)溝→退磁、清洗、提交。

1.2 原工藝選擇磨料及磨削參數(shù)

原工藝選擇磨料及磨削參數(shù)如表1所示。

1.3 套圈磨削效果及分析

軸承行業(yè)常用冷酸洗來(lái)顯示軸承零件磨加工造成的燒傷[7]。按照原磨削工藝加工高溫鋼軸承套圈，酸洗檢查燒傷工序在套圈粗磨后，檢查結(jié)果沒(méi)有發(fā)現(xiàn)磨削燒傷，套圈質(zhì)量滿足產(chǎn)品要求。軸承在使用過(guò)程中發(fā)生多起滾道剝落故障，將故障套圈做理化分析，發(fā)現(xiàn)剝落處及臨近部位有明顯的燒傷變質(zhì)層，將故障套圈酸洗檢查，滾道表面出現(xiàn)典型的燒傷形貌。采用磁彈儀對(duì)套圈滾道表面做三條線檢測(cè)，磁彈儀檢測(cè)磨削燒傷的原理依據(jù)巴克豪森噪聲理論，通過(guò)測(cè)量巴克豪森噪聲強(qiáng)度的變化評(píng)價(jià)材料的缺陷[8]。檢測(cè)磁彈值一般都在95 Hz以上(磁彈儀檢測(cè)數(shù)值一般為45～70 Hz，且每一檢測(cè)圖像均平穩(wěn)、數(shù)值穩(wěn)定，檢測(cè)評(píng)價(jià)結(jié)果為套圈滾道表面不存在燒傷層)。

分析認(rèn)為，現(xiàn)行高溫鋼軸承套圈磨削工藝存在不足，體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1)工藝流程方面。酸洗檢查工序安排在粗磨滾道工序之后、細(xì)磨滾道工序之前不適宜。酸洗是判斷套圈是否存在磨削燒傷的常規(guī)檢查手段，在終磨滾道前酸洗檢查，可以保證粗磨滾道產(chǎn)生燒傷的套圈被有效識(shí)別，但細(xì)磨、終磨滾道過(guò)程有產(chǎn)生磨削燒傷的套圈卻不能被發(fā)現(xiàn)，難以最終保證交付軸承的質(zhì)量滿足產(chǎn)品要求。

2)磨料選擇方面?，F(xiàn)行工藝在終磨滾道采用WA/A80K8V60、WA/A120K8V60單晶砂輪。從耐熱鋼材質(zhì)特性分析，單晶砂輪鋒銳性不是很好，在磨削耐熱鋼時(shí)脫落性較差，磨削產(chǎn)生的高溫不能被及時(shí)散出，被磨削的滾道表面容易產(chǎn)生瞬間燒傷。

3)磨削參數(shù)方面。軸承鋼套圈終磨滾道一次磨削量應(yīng)用于高溫鋼套圈滾道終磨削加工，一次磨削量略顯偏大，磨削熱散發(fā)不及時(shí)會(huì)瞬間產(chǎn)生磨削燒傷。

圖2 EXXXN4QU軸承零件圖Fig.2 EXXXN4QU bearing part drawing表1 原工藝選擇磨料及磨削參數(shù)Table 1 Abrasives and grinding parameters

BearingpartProcessnameGrindingwheelspeed/(r·min-1)Workpiecerotationspeed/(r·min-1)Grindingstock/(μm·order-1)DressingmethodFeedrate/(μm·s-1)EmerycutterHousingwasherCoarsegrindingraceway8300330150～200Middletrimming4～6WA/A80K8V60Finegrindingraceway830033050～100Middletrimming2～4WA/A120K8V60Finalgrindingraceway830033030～50Middletrimming2～4WA/A120K8V60InnerringCoarsegrindingraceway1400240200～300Middletrimming3～5WA/A80K8V60Finegrindingraceway140024050～150Middletrimming2～4WA/A120K8V60Finalgrindingraceway140024030～50Middletrimming2～4WA/A120K8V60

2 高溫鋼軸承套圈滾道磨削技術(shù)研究

從工藝流程設(shè)計(jì)、砂輪選擇、磨削參數(shù)優(yōu)化等方面開(kāi)展工藝研究。

2.1 優(yōu)化高溫鋼軸承套圈工藝流程設(shè)計(jì)

將酸洗檢查工序置于終磨滾道之后，增加光飾技術(shù)，強(qiáng)化應(yīng)力釋放。仍以EXXXN4QU軸承外圈、內(nèi)圈為例，優(yōu)化設(shè)計(jì)高溫鋼軸承套圈工藝流程如下：

1)外圈工藝流程：粗磨平面→退磁→粗磨外圓→粗磨外圓內(nèi)孔→粗磨外溝→穩(wěn)定→打倒角→粗光飾→終磨平面→終磨外圓→精研外圓→細(xì)磨外溝→終磨外溝→酸洗→除氫→終磨外圓內(nèi)孔→精光飾→探傷→粗研外溝→精研外溝→修磨平面→修磨外圓→激光打字→退磁、清洗、提交。

2)內(nèi)圈工藝流程：粗磨平面→退磁→粗磨內(nèi)圈外圓→粗磨內(nèi)孔→粗磨內(nèi)溝→穩(wěn)定→打倒角→粗光飾→終磨平面→終磨內(nèi)圈外圓→精研內(nèi)圈外圓→細(xì)磨內(nèi)溝→終磨內(nèi)溝→酸洗→除氫→精光飾→探傷→粗研內(nèi)溝→精研內(nèi)溝→修磨平面→激光打字→退磁、清洗、提交。

2.2 高溫鋼軸承套圈滾道磨削規(guī)范研究

根據(jù)套圈加工工序的不同，合理選擇砂輪，是提高磨削質(zhì)量和效率的重要環(huán)節(jié)[9]。結(jié)合磨料、粒度、結(jié)合劑、硬度等特性選擇粒度、硬度適中，脫落性、散熱性好的砂輪[10]。根據(jù)高溫鋼磨削特點(diǎn)，粗磨采用磨削性能好、不易黏附的陶瓷結(jié)合劑砂輪。因SG(FA)砂輪具有刃口鋒利磨削效率高，磨削性能優(yōu)于剛玉系列砂輪，細(xì)、終磨均采用磨削性能好、不易黏附的3SG120KV60砂輪或1FA120KV60砂輪。

結(jié)合現(xiàn)有滾道磨削技術(shù)，在細(xì)磨、終磨滾道工序，圍繞砂輪選擇一次磨削量、磨削進(jìn)給速度等磨削參數(shù)展開(kāi)工藝研究。

2.3 高溫鋼套圈滾道磨削工藝驗(yàn)證

從套圈酸洗效果、滾道表面磁彈值、滾道表面質(zhì)量、表面應(yīng)力檢測(cè)數(shù)值等方面評(píng)價(jià)磨套圈質(zhì)量，進(jìn)而優(yōu)選砂輪及磨削參數(shù)。例舉XXXN4QU外圈、內(nèi)圈磨削驗(yàn)證過(guò)程及結(jié)果，分析一次磨削量、砂輪進(jìn)給速度、砂輪對(duì)高溫鋼套圈滾道磨削效果的影響。XXXN4QU外圈磨削驗(yàn)證記錄見(jiàn)表2，XXXN4QU內(nèi)圈驗(yàn)證記錄見(jiàn)表3。

表2 XXXN4QU外圈滾道磨削效果驗(yàn)證Table 2 Verification of grinding effect on raceway of XXXN4QU outer ring

取本試驗(yàn)件XXXN4QU外圈6#、7#、10#、12#和XXXN4QU內(nèi)圈9#、11#、13#、16#，測(cè)量滾道表面應(yīng)力值。測(cè)量外圈應(yīng)力值時(shí)，需要將套圈三等分切開(kāi)，然后在每一等分切塊中間部位且滾道溝底處確定一個(gè)測(cè)量點(diǎn)，測(cè)試點(diǎn)示意圖如圖3a所示；測(cè)量?jī)?nèi)圈應(yīng)力值時(shí)，在內(nèi)圈圓周方向間隔120°部位且滾道溝底處確定一個(gè)測(cè)量點(diǎn)，共計(jì)測(cè)3點(diǎn)，測(cè)試點(diǎn)示意圖如圖3b所示。應(yīng)力測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表4。

2.4 驗(yàn)證數(shù)據(jù)分析

根據(jù)表1～表4數(shù)據(jù)記錄分析高溫鋼內(nèi)圈磨削驗(yàn)證效果，可以看出：

1)IFA砂輪磨削性能優(yōu)于WA單晶砂輪磨削性能。

2)細(xì)磨高溫鋼軸承外圈滾道，當(dāng)磨削進(jìn)給量均為4 μm時(shí)：如果一次磨削量為100 μm ，細(xì)磨滾道表面均產(chǎn)生磨削燒傷；如果一次磨削量?jī)?yōu)化為50 μm，細(xì)磨滾道表面均無(wú)磨削燒傷。

表3 XXXN4QU內(nèi)圈滾道磨削效果驗(yàn)證Table 3 Verification of grinding effect on raceway of XXXN4QU inner race

圖3 應(yīng)力測(cè)試點(diǎn)示意圖Fig.3 Sketch map of stress test points

3)終磨高溫鋼軸承外圈滾道，磨削進(jìn)給量?jī)?yōu)化為2 μm，滾道表面無(wú)磨削燒傷。

4)細(xì)磨高溫鋼軸承內(nèi)圈滾道，當(dāng)磨削進(jìn)給量均為4 μm時(shí)：如果一次磨削量為150 μm，細(xì)磨滾道表面均產(chǎn)生磨削燒傷；如果一次磨削量為100 μm，細(xì)磨滾道表面均無(wú)磨削燒傷，比較IFA砂輪和WA單晶砂輪磨削效果，前者優(yōu)于后者，分析磁彈值數(shù)據(jù)，套圈滾道表面存在磨削燒傷趨勢(shì)；一次磨削量為50 μm，細(xì)磨滾道表面均無(wú)磨削燒傷，比較IFA砂輪和WA單晶砂輪磨削效果，前者優(yōu)于后者。

5)終磨高溫鋼軸承內(nèi)圈滾道，磨削進(jìn)給量均為2 μm，一次磨削量均為50 μm，則無(wú)論用單晶砂輪WA還是IFA砂輪，細(xì)磨滾道表面均無(wú)磨削燒傷，比較IFA砂輪和WA單晶砂輪磨削效果，前者優(yōu)于后者。

6)XXXN4QU外圈6#、7#、10#、12#和XXXN4QU內(nèi)圈9#、11#、13#、16#滾道表面均為壓應(yīng)力，應(yīng)力狀態(tài)優(yōu)良，滿足套圈滾道表面磨削加工質(zhì)量要求。

表4 套圈滾道表面應(yīng)力值Table 4 Stress value of raceway surface of ring MPa

3 結(jié)論

1)優(yōu)化工藝流程滿足高溫鋼軸承套圈磨削加工要求。工藝流程將燒傷檢驗(yàn)工序設(shè)計(jì)在終磨滾道之后，滾道磨削加工控制過(guò)程穩(wěn)定。

2)磨削規(guī)范方面，獲得適合高溫鋼軸承套圈滾道磨削加工的砂輪及工藝參數(shù)：原工藝參數(shù)規(guī)定的砂輪轉(zhuǎn)速和工件轉(zhuǎn)速值合理有效；粗磨滾道采用WA/A80K8V60單晶砂輪，可以滿足磨削質(zhì)量要求，也可以保證較低的加工成本；采用IFA砂輪細(xì)磨、終磨滾道，磨削參數(shù)采用一次磨削量均應(yīng)不大于50 μm，細(xì)磨進(jìn)給速度不大于4 μm，終磨進(jìn)給速度不大于2 μm，磨削后的滾道表面無(wú)磨削燒且表面光滑、細(xì)膩、完好，滿足套圈磨削加工質(zhì)量要求。

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