強(qiáng)化研磨工藝下軸承滾道表面織構(gòu)的變化規(guī)律

劉曉初，覃哲，趙傳，蕭金瑞

(廣州大學(xué) 機(jī)械與電氣工程學(xué)院，廣州 510006)

近十年來(lái)，作為一種可以顯著提高界面性能的方法，表面織構(gòu)已成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，其應(yīng)用在涉及減摩、抗磨、增摩、減振、抗黏附、抗蠕變等多個(gè)領(lǐng)域，顯示出很好的前景[1-2]。

目前，國(guó)內(nèi)外普遍采用激光、電解加工獲得機(jī)械表面織構(gòu)。文獻(xiàn)[3]使用Nd∶YAG激光器在陶瓷(Al2O3)和鋼(100Cr6)表面上加工出不同的微織構(gòu)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)材料的減摩；文獻(xiàn)[4]利用激光表面加工技術(shù)在工業(yè)純鈦(TA2)表面制備了不同參數(shù)的點(diǎn)陣微織構(gòu)，用于提高鈦合金的減摩抗磨性能；文獻(xiàn)[5]通過(guò)固體脈沖激光對(duì)旋轉(zhuǎn)軸表面進(jìn)行微凹坑織構(gòu)化處理，試驗(yàn)結(jié)果表明，試件表面三角形凹坑方向朝向油液側(cè)利于密封唇表面形成能夠促進(jìn)泵吸作用的粗糙峰組織，從而增強(qiáng)泵吸作用；文獻(xiàn)[6]證實(shí)了單一表面激光造型的機(jī)械密封在承載能力和摩擦特性上均優(yōu)于未作織構(gòu)處理的表面。文獻(xiàn)[7]在微電解液噴射加工條件下，通過(guò)疊加元素曲面槽產(chǎn)生三維表面；文獻(xiàn)[8]以一種極間柔性多孔物充填型活動(dòng)掩膜電解加工微坑技術(shù)，在不銹鋼平面與圓柱面上加工出幾何特征尺寸分布較均勻的微坑陣列。然而考慮到在軸承上加工織構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性和效率，用激光、電解加工獲得機(jī)械表面織構(gòu)的方法迄今還未得到廣泛使用。在噴砂噴丸加工技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的強(qiáng)化研磨，是一種具備高效率、低成本優(yōu)勢(shì)的用于提高工件表面疲勞抗力的表面處理工藝[9-11]。但目前關(guān)于強(qiáng)化研磨工藝中材料表面織構(gòu)變化規(guī)律的研究還很少。

因此，在自制的軸承強(qiáng)化研磨機(jī)上對(duì)套圈滾道進(jìn)行強(qiáng)化研磨試驗(yàn)，利用電子顯微鏡對(duì)滾道表面進(jìn)行掃描，同時(shí)基于MATLAB平臺(tái)將數(shù)字圖像處理技術(shù)應(yīng)用于電子顯微鏡掃描圖的處理，從三維角度分析不同磨損程度的研磨料加工出的各種滾道表面織構(gòu)，分析研磨料在強(qiáng)化研磨工藝過(guò)程中發(fā)生的磨損變化對(duì)套圈表面織構(gòu)的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 強(qiáng)化研磨機(jī)理

套圈采用“精密硬態(tài)車削+強(qiáng)化研磨+超精加工”工藝路線。通過(guò)鋼丸、研磨粉對(duì)工件表面的沖擊、壓印、劃擦作用，使?jié)L道獲得殘余壓應(yīng)力和有利于減摩耐磨的“油囊和紋理”，在滾道表面形成具有高度一致的表面織構(gòu)；通過(guò)富氮介質(zhì)(氮?dú)?、有機(jī)添加劑)在加工中的摩擦化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生并附著于滾道表面一層高強(qiáng)耐磨的氮-金屬絡(luò)合物，使?jié)L道表面形成“表面織構(gòu)層、氮-金屬絡(luò)合物強(qiáng)化層”的多層復(fù)合結(jié)構(gòu)(圖1)。

圖1 軸承套圈滾道多層復(fù)合結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Diagram of multi-layer composite structure of bearing ring raceway

1.2 試驗(yàn)方法

強(qiáng)化研磨加工工藝如圖2所示，圖中：O和O′分別為軸承套圈、電磁吸盤的中心；α為高壓噴頭角度；η為氮?dú)鈬婎^角度；e為軸承套圈與電磁吸盤的偏心距；n為套圈轉(zhuǎn)速。研磨料與高壓氣體混合，經(jīng)高壓噴射系統(tǒng)作用形成氣、液、固三相混合噴射流，與固定在夾具上的外圈表面產(chǎn)生隨機(jī)等概率碰撞，使得工件表面形成有效的疲勞抗力。

1—研磨料高壓噴頭；2—氮?dú)鈬婎^；3—左支承；4—右支承；5—電磁吸盤；6—軸承套圈圖2 軸承套圈強(qiáng)化研磨加工示意圖Fig.2 Diagram of reinforced grinding process for bearing ring

試驗(yàn)對(duì)象為6207深溝球軸承套圈，材料為GCr15。研磨料包括：直徑為4 mm的鋼丸，粒度為178 μm的棕剛玉粉末以及富氮濃縮液。套圈初始表面粗糙度Ra為0.36 μm。強(qiáng)化研磨工藝參數(shù)為：噴射壓力0.6 MPa，噴射角度45°，噴射距離50 mm，工件轉(zhuǎn)速100 r/min。未研磨的套圈編號(hào)為0#，使用足量的研磨料對(duì)編號(hào)依次為1#～10#的套圈分別進(jìn)行25個(gè)循環(huán)(1個(gè)循環(huán)的時(shí)間為6 s)的強(qiáng)化研磨加工，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程研磨料使用250個(gè)循環(huán)。

1.3 試驗(yàn)樣品的制備及檢測(cè)

1)測(cè)試強(qiáng)化研磨后套圈表面粗糙度：在0#～10#套圈表面分別選取5個(gè)點(diǎn)(每隔72°選取一個(gè)點(diǎn))，采用TIME3230粗糙度儀對(duì)滾道表面進(jìn)行表面粗糙度測(cè)量，并對(duì)5個(gè)點(diǎn)的測(cè)值取平均作為滾道表面粗糙度值。

2)滾道表面織構(gòu)形貌檢測(cè)：采用DK 7732電火花線分別從0#，1#，6#，10#試樣上隨機(jī)切割一塊尺寸為5.0 mm×5.0 mm×17.0 mm的樣品，然后用濃度為99.5%的丙酮溶液浸泡樣品6 h，隨后以濃度為95%的工業(yè)酒精擦拭表面，并將檢測(cè)樣品烘干。用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡對(duì)加工前后的樣品進(jìn)行表面織構(gòu)形貌觀察并拍照記錄，同時(shí)在MATLAB平臺(tái)上利用圖像處理技術(shù)將電鏡掃描圖轉(zhuǎn)成灰度圖，再由灰度圖轉(zhuǎn)成三維圖。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 研磨料磨損分析

隨著循環(huán)加工次數(shù)的增加，研磨料自身會(huì)存在一定程度的磨損，磨損程度不一的研磨料具備不同的磨削性能，會(huì)在滾道表面形成不同的織構(gòu)。

2.1.1 研磨量分析

隨著研磨料循環(huán)使用次數(shù)的增加，滾道研磨量如圖3所示。由圖可知，研磨料經(jīng)不同次數(shù)的循環(huán)使用后，對(duì)工件的切削量逐漸遞減。循環(huán)使用次數(shù)小于50次時(shí)，研磨料的切削能力很強(qiáng),研磨量在4.75 μm以上；循環(huán)使用次數(shù)為50～200時(shí)，研磨量以近似相等的速率減少，研磨料依然可以保持較高的切削性能；當(dāng)研磨料循環(huán)使用達(dá)到200次以后，研磨量減小到僅0.15 μm，幾乎喪失切削能力。

圖3 研磨量隨研磨料循環(huán)次數(shù)變化曲線Fig.3 Variation curve of grinding amount with abrasive recycles

2.1.2 表面粗糙度分析

1#～10#套圈加工后的表面粗糙度如圖4所示，由圖4可知，隨著強(qiáng)化研磨料循環(huán)次數(shù)的增加，滾道表面粗糙度分段下降。采用全新的研磨料對(duì)套圈加工25個(gè)循環(huán)后，1#套圈的表面粗糙度Ra由未研磨時(shí)的0.36 μm增大到1.578 μm，此為研磨料的磨合階段，該階段研磨料的顆粒較大，為防止研磨料的動(dòng)能(E=mv2/2)過(guò)大進(jìn)而導(dǎo)致滾道表面粗糙度過(guò)大，噴射壓力會(huì)略小于0.6 MPa；使用25～125個(gè)循環(huán)的研磨料分別研磨2#～6#套圈，可以發(fā)現(xiàn)滾道表面粗糙度相比1#降低了很多，這是由于研磨料表面鋒利而脆弱的棱角被磨損，露出較寬厚不易被磨損的最佳“刀刃”，此階段為研磨料的最佳切削階段，研磨料磨損緩慢，切削性能穩(wěn)定；使用125～200個(gè)循環(huán)的研磨料加工7#～9#套圈，滾道表面粗糙度進(jìn)一步下降；使用225個(gè)循環(huán)的研磨料加工10#套圈，滾道表面粗糙度下降已經(jīng)很小，可見(jiàn)研磨料已發(fā)生較為嚴(yán)重的鈍化，研磨料磨削性能已較為微弱。

圖4 套圈表面粗糙度隨研磨料循環(huán)次數(shù)變化曲線Fig.4 Variation curve of surface roughness of ring with abrasive recycles

強(qiáng)化研磨過(guò)程中滾道表面粗糙度Ra從1.578 μm下降到1.02 μm，表面粗糙度Ra值仍較大，必須增加滾道研磨工序。強(qiáng)化研磨的主要目的是使?jié)L道表面形成“表面織構(gòu)層、氮-金屬絡(luò)合物強(qiáng)化層”的多層復(fù)合結(jié)構(gòu)，超精滾道在保留有效織構(gòu)的同時(shí)進(jìn)一步改善表面質(zhì)量。

2.2 滾道表面織構(gòu)形貌分析

0#，1#，6#，10#套圈滾道表面SEM圖如圖5所示。目前很多關(guān)于機(jī)械表面織構(gòu)的研究均使用非接觸式三維光學(xué)輪廓儀進(jìn)行表面測(cè)量，然后用二維圖片去表達(dá)表面織構(gòu)的三維形貌[12-14]。但強(qiáng)化研磨后滾道表面的織構(gòu)類型在形狀和分布位置方面均是無(wú)規(guī)則的(圖5)，為了能更好地對(duì)表面織構(gòu)進(jìn)行形狀和分布的分析，利用MATLAB軟件將圖5中的圖片轉(zhuǎn)成灰度圖，再由灰度圖轉(zhuǎn)成三維圖[15]，如圖6所示(灰度值指黑白圖像中點(diǎn)的顏色深度，范圍一般從0～255，白色為255，黑色為0)。

由圖6可知：圖6a中滾道表面呈規(guī)則有序的條紋為前工序硬態(tài)切削加工留下的深度較大的刀痕，刀痕處灰度值較大(150～170)，SEM圖像中灰度值集中在110～130，未經(jīng)強(qiáng)化研磨處理的滾道表面很平整，基本無(wú)織構(gòu)存在。

圖6b中，SEM圖像中灰度值集中在45～75，原因是高速碰射的鋼丸會(huì)將磨合階段的黑色研磨粉更大限度地壓印在軸承滾道表面，所以SEM圖像整體的灰度值較小，顏色較黑；其中一小部分灰度值較大的區(qū)域(100～200)是研磨料表面鋒銳的棱角在滾道表面沖擊、壓印、劃擦出的劃痕與凹坑，這些占比小、灰度值差值較大的區(qū)域體現(xiàn)了劃痕與凹坑較深，但分布較少，所產(chǎn)生的織構(gòu)僅具備少量?jī)?chǔ)油能力。

圖6 滾道表面織構(gòu)Fig.6 Surface texture on bearing raceway

圖6c中出現(xiàn)的灰度值較大區(qū)域(150～200)進(jìn)一步增多，區(qū)域內(nèi)灰度值的差值開(kāi)始縮小，此與2.1節(jié)中分析的研磨料會(huì)形成磨損緩慢、切削性能較穩(wěn)定的最佳“刀刃”，從而在滾道表面加工出分布更廣泛的織構(gòu)相吻合，相比1#試件(圖6b)，6#試件的滾道表面織構(gòu)更利于提升儲(chǔ)油能力。

圖6d中出現(xiàn)了大量灰度值較大的區(qū)域，這些區(qū)域內(nèi)的灰度值甚至在200以上，這是因?yàn)閺?qiáng)化研磨過(guò)程中高速噴射的鋼丸撞擊在由夾具支承的套圈上會(huì)產(chǎn)生凹坑和刮痕，但此時(shí)用于切削的研磨料已發(fā)生較為嚴(yán)重的鈍化，基本喪失磨削能力的研磨料已經(jīng)無(wú)法在強(qiáng)化研磨過(guò)程中有效地磨削這些凹坑和劃痕。

3 結(jié)束語(yǔ)

利用MATLAB軟件將強(qiáng)化研磨工藝中滾道的掃描電鏡二維微觀形貌圖轉(zhuǎn)成三維圖，清晰地呈現(xiàn)了不同磨損程度的研磨料加工出的各種滾道表面織構(gòu)，并結(jié)合研磨料在強(qiáng)化研磨工藝過(guò)程中發(fā)生的磨損變化，對(duì)各種表面織構(gòu)在強(qiáng)化研磨循環(huán)加工中的形成、變化做出了相應(yīng)分析。試驗(yàn)得出結(jié)論：采用經(jīng)歷25～125次強(qiáng)化研磨循環(huán)的研磨料加工軸承套圈，可以使?jié)L道表面獲得分布均勻、儲(chǔ)油量良好的織構(gòu)。

目前軸承滾道強(qiáng)化研磨加工工藝仍處在試驗(yàn)階段，加工效率、表面質(zhì)量有待更多的試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐，通過(guò)套圈定位方式、研磨料配方、鋼丸粒徑、噴射壓力等的不斷優(yōu)化，進(jìn)一步提高效率，形成良好的表面織構(gòu)。另外,強(qiáng)化研磨加工后表面粗糙度較大,需進(jìn)行后續(xù)的超精加工,降低表面粗糙度值。