轴承套圈粗磨烧伤的分析与控制

孙福刚

（哈尔滨轴承集团公司通用轴承公司，黑龙江哈尔滨　150036）

　　摘　要：在轴承套圈的粗磨过程中，为提高生产效率，首先要注意产品的烧伤问题。通过对烧伤机理的分析，全面优化加工条件，对产品的烧伤现象实施有效控制。

　　关键词：轴承；磨粒；摩擦；烧伤机理；磨削温度

　　1　前言

　　当今磨加工技术的发展方向是高速、高效、高精度和低粗糙度。在轴承套圈的生产过程中，粗磨工序要去除90％的磨工余量，应在确保加工质量的前提下力求高速、高效。由于工序特点的因素，磨削烧伤现象时有发生，一旦磨削烧伤产生，产品就会丧失原有的机械性能，极有可能导致产品的报废。因此对加工过程中烧伤的控制变得尤为重要。

　　2　烧伤的产生

　　2.1磨削热

　　在磨加工过程中，由于切削速度高、切削厚度小、磨粒不锋利（磨粒刃口面为圆弧状，切削时呈负前角，一般为-65°～-85°），见图1，加之工件材料的强度、硬度较高，所以切削时消耗功率很大，约为车、铣加工的10～10倍，其消耗的能量绝大部分转变为热能。当磨粒刃口发生钝化的时候，工件加工表面的变形量增大，使得磨粒与加工表面之间的压力也随之增大，摩擦加剧，引起磨削点的温度急速升高。

　　2.2磨削温度

　　磨削点（磨粒与工件的接触点）是磨削过程中热量Z集中、温度Z高的部位。由于磨粒的导热性能很差，加工过程中其温度瞬间达1000℃～1500℃以上，可导致磨粒的磨损、破碎及切屑与磨具发生粘附、熔着、堵塞等现象的产生。磨削区温度是指砂轮与工件接触区域的平均温度，一般约为500℃～800℃。它可导致磨削表面的烧伤、残余应力、裂纹等。通常所说的磨削温度指的是磨削区的温度，降低磨削区的温度可有效地控制烧伤。

　　2.3烧伤机理

　　磨削时如果不能有效地控制磨削温度，加工近表层的金属将出现马氏体分解、二次淬火、加工硬化、细小裂纹等一系列物理、化学变化。

　　3　分析与控制

　　形成烧伤的原因是多方面的，应逐项分析解决。

　　3.1设备的使用及调整

　　在加工过程中，如果设备发生振动，磨削区域的压力就会产生大小交替的周期性变化，严重时工件表面会出现明显的振纹和与振纹分布一致的柱状或点状烧伤。因此，设备在使用之前，应进行正确的安装和调整。主轴与轴承、往复与导轨间的间隙要调整适当；支承和连接部分的螺钉及其他紧固件要可靠拧紧，确保系统有足够的刚性；大型设备之间应考虑埋设地下减震墙，以免相互干扰。使用时要严格执行操作规程，遵守工艺纪律；禁止野蛮作业，强行进给，此外还要避免超范围加工。

　　3.2来料及切削用量

　　上道工序的来料质量要符合工序间对产品的尺寸和精度的各项要求。切忌留量过大。在实际生产当中，加工余量过大必然导致磨削时间过长，此时砂轮修整周期延长、磨粒钝化加快，同时磨削热的积累也随之加快，出现烧伤的几率会大大增加。在磨加工过程中，切削用量的各项参数里面与烧伤关联Z密切的是进给量（或称进给速度），进给量过大可使砂轮与工件间产生强烈的挤压，能直接造成工件严重的烧伤，甚至会发生安全事故。

　　3.3砂轮的选择与使用

　　3.3.1砂轮磨料的选择原则

　　对高碳铬轴承钢（GCr15）而言，其淬火硬度可在HRC60以上。来料的加工余量大、原始精度低正是粗磨加工面临的难点。在加工初期不可避免地会有冲击和振动产生。因此，应选择硬而韧性好的磨料。棕刚玉（A）砂轮硬度较高、韧性好、耐冲击，可作为首选。白刚玉（WA）砂轮硬度比棕刚玉高，棱角锋利、自锐性好，磨削热量低，但耐冲击性较棕刚玉差，如果采用混合刚玉（A/WA），砂轮的使用效果会更好。

　　3.3.2砂轮硬度的选择原则

　　粗磨加工的余量大、磨削时间长，磨粒容易钝化。为使砂轮磨削表面经常保持锋利状态，避免磨削温度过高，应让钝化严重的磨粒及时脱落。所以应选择硬度较低、自锐性好的砂轮。

　　3.3.3砂轮组织的选择原则

　　在磨削余量磨削深度较大的情况下，磨屑的体积也会较大。此时选用组织较疏松的砂轮可增大砂轮表面的容屑空间，以免磨屑堵塞砂轮表面。尤其对于磨削面积较大的工序，情况更是如此。

　　3.3.4砂轮结合剂的选择原则

　　淬火后的轴承钢（GCr15）硬度高、韧性强，磨削性能较差。加之磨削初期时常伴有冲击和振动现象产生。磨削面积越大，冲击和振动就越是强烈。例如，在无心外圆磨床上加工外径，宜采用弹性更好的橡胶结合剂砂轮。

　　3.3.5砂轮的使用原则

　　砂轮在使用时应按规定的线速度来确定其转速，不可超越给定的安全线速度。为了确保生产安全和加工能够顺利进行，砂轮在磨削前必须进行修整。对于体积较大的砂轮（如：无心磨床、沟道磨床的砂轮），在经过静平衡、试运转、修整以后，还应卸下再次进行精平衡，以便使其在转速很高的情况下工作平稳。修整粗磨砂轮时，砂轮修整器的运动速度要快些，即在保证砂轮外形正确的前提下，砂轮表面要修整得粗糙一些。实践证明，这样可增强砂轮的自锐性、增大容屑空间，同时能使磨粒的棱角保持锋利。反之，磨粒会被修钝。在一些采用贯穿磨削方式的工序当中，如果砂轮与工件的接触面较长，可在砂轮的工作面上开出沟槽，使更的多冷却液进入磨削区域，充分发挥作用。

　　3.4冷却液

　　3.4.1冷却液的选择

　　冷却液可大致分为两类，油基和水基。在磨加工中，以水基的乳化液或合成液应用Z为广泛。这是因为水基冷却液的导热性远优于油基冷却液。而发热量大是粗磨加工的一大特点，对冷却液Z基本的要求是：“导热性”和“渗透性”要好。导热性好是指冷却液能够在瞬间带走绝大部分的热量，使磨削区域的温度维持在一个较低的水平。渗透性好的冷却液表面张力小、扩散能力强，能够快速进入磨削区域的所有空间，从而使得加工表面的冷却速度均匀一致，削弱了工件表面由于温度变化而产生的残余应力，对于工件表面裂纹的产生能够起到有效的抑制作用。对于冷却液的其他性能（如润滑性、清洗性、稳定性等）达中等水平即可。

　　3.4.2冷却液的使用

　　由于砂轮的线速度很高，一般为35m/s。其周围的空气会沿两端流向外圆表面，并在外圆表面扰动，形成一层气膜，即所谓＂风泵效应＂。砂轮转速越高，磨粒越是粗大，那么＂风泵效应＂就越是强烈。它能够阻挡冷却液进入磨削区。因此，冷却液只有以一定的速度射向目标，才能突破气膜的阻挡，而液体的流速主要由冷却系统的压力所决定。实践证明：高速磨削时，冷却系统压力应不低于1MPa。其次，粗磨时产生的磨屑和脱落的磨粒，一般体积较大，对继续加工会有一定的不良影响，所以，适当加大冷却液的流量，能够将加工过程中产生的碎屑进行有效的清除。高速磨削时，冷却液的流量，在喷嘴的1mm长度上应以2-3l/min为宜。

　　3.5磨削方向磨削方向见图2。

　　磨粒的前角很小，一般在-65°～-85°之间，所以磨粒在切削金属的初始阶段，必然要引起材料表面的变形，首先是弹性变形。随着磨粒尖角的切入，材料的加工表面开始产生塑性变形和断裂，一部分材料被去除。如图所示，逆向磨削时，磨粒刃口的前面靠近尖角处首先接触、挤压工件，迫使工件表面产生弹性变形。在进给运动的作用下，磨粒的切入深度由小变大，变形量也随之增大，此时磨粒尖角处的金属由弹性变形转为塑性变形并与工件分离。由此可见，在切削的整个过程中，是由磨粒的尖角迫使工件表面的金属发生变形、撕裂、分离等一系列变化。此处的压力Z集中、摩擦Z剧烈、钝化的速度Z快，已加工表面形成的“加工硬化层”也较厚，给后续加工带来一定的困难。在顺向磨削时，情况会有所不同，磨粒在切削材料的初期是由前面去接触待加工表面，材料的变形抗力主要作用于刃口前面，而不是集中在尖角上。切入深度由大到小，尖角处的磨损要比逆磨时小得多，而加工表面的变形区域及变形抗力也会相对减小很多，磨粒尖角的钝化速度减缓，留下的硬化层变薄。因此，顺磨条件下，砂轮的磨损、机床功率的消耗及发热量要比逆磨少。可见逆磨的磨削抗力和产生的磨削热量要高于顺磨，因此，一般情况下尽可能选择顺磨方式。

　　4　结论

　　综上所述，对于轴承套圈粗磨加工的烧伤控制要综合各方面因素考虑，而解决问题的本质在于有效控制磨削温度。首先要具备良好的冷却条件，使磨削热量能够及时地传导出去，以保证工件质量和砂轮的耐用度。其次应选择硬度适宜的砂轮，优先选择较软的，使其具有良好的自锐性。另外，在满足工件表面质量的前提下，尽可能选取粗大的磨料粒度，以利提高生产效率。如果加工后的零件表面粗糙度难以达到工艺要求，可适当延长光磨时间予以补偿。Z后要注意的问题是，只有严格遵守工艺纪律，按照切削规范进行加工，杜绝野蛮生产，才能保质保量地完成生产任务。

　　参考文献：

　　[1]А.Г.斯别克托尔，等.轴承钢的组织与性能[M].上海：上海科学技术文献出版社，1983.

　　[2]薄宵，夏彤，洪稳熹，等.磨工实用技术手册[M].南京：江苏科学技术出版社，2002.

　　[3]轴承行业教材编审委员会.轴承磨工工艺学[M].北京：机械工业出版社，1986.
 

来源：《哈尔滨轴承》2006年6月