劉曉初，陳志斌，何銓鵬，黃駿，蕭金瑞

(廣州大學(xué) 強(qiáng)化研磨精密加工廣州市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510006)

軸承套圈在磨削加工過程中，由于磨削熱而不可避免會(huì)在其表面產(chǎn)生變質(zhì)層，而且是拉應(yīng)力層[1]，且會(huì)導(dǎo)致表面層硬度下降，從而降低軸承的疲勞壽命和可靠性。在一般的硬切削中，軸承套圈已加工表面有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)殘余拉應(yīng)力而且難于主動(dòng)控制[2-3]。業(yè)已證明，機(jī)械零件表面的殘余壓應(yīng)力狀態(tài)有利于其疲勞壽命和抗化學(xué)腐蝕性能的提高[1]。為使套圈表面產(chǎn)生有利于延長(zhǎng)軸承壽命的殘余壓應(yīng)力，可采用表面強(qiáng)化加工技術(shù)，主要包括表面覆層、表面改性、表面機(jī)械強(qiáng)化以及激光沖擊強(qiáng)化。前2種方法能明顯提高軸承接觸疲勞壽命和耐蝕性，但存在涂層與基體結(jié)合力差和成本昂貴等不足。表面機(jī)械強(qiáng)化主要包括滾壓與噴丸強(qiáng)化[4]，滾壓能在工件表面層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，但易使表面層產(chǎn)生過冷作硬化而變脆，降低工件疲勞壽命；噴丸強(qiáng)化則存在增大表面粗糙度及過冷作硬化的問題。激光沖擊強(qiáng)化可以使零件表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，提高疲勞壽命，但是難以實(shí)現(xiàn)在強(qiáng)化的同時(shí)完成磨削，且設(shè)備較貴。

下文以某深溝球軸承外圈為研究對(duì)象，探討強(qiáng)化研磨加工對(duì)殘余應(yīng)力的影響規(guī)律，為軸承產(chǎn)品的加工提供參考。

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

強(qiáng)化研磨的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。通過電磁無心夾具實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的夾緊，異步電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)主軸高速旋轉(zhuǎn)，工件在同步高速旋轉(zhuǎn)的情況下產(chǎn)生離心效應(yīng)及周向預(yù)應(yīng)力，借助于離心力實(shí)現(xiàn)有利于加工狀況的預(yù)應(yīng)力加工。加工過程中，高壓噴頭將混有高強(qiáng)度鋼球的強(qiáng)化研磨液噴射到工件表面，對(duì)表面進(jìn)行隨機(jī)等概率的碰撞，其中鋼球沖擊使其表面層發(fā)生彈塑性變形，引起表面強(qiáng)化層亞晶粒細(xì)化，同時(shí)對(duì)工件表面進(jìn)行初次磨削；研磨粉在高壓作用下對(duì)工件表面進(jìn)行微切削，并伴隨有強(qiáng)化液的懸浮、冷卻、清洗、潤(rùn)滑等一系列液固兩相流場(chǎng)的復(fù)雜作用，降低表面粗糙度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)工件表面的強(qiáng)化和研磨。加工完成后，高速旋轉(zhuǎn)帶來的離心效應(yīng)及周向預(yù)應(yīng)力消失，基體的彈性回復(fù)對(duì)工件表層產(chǎn)生壓縮作用,從而使工件表面的殘余應(yīng)力呈壓應(yīng)力分布，即可加工出高精度、表面具有殘余壓應(yīng)力的軸承套圈，延長(zhǎng)其疲勞壽命[5]。

1—高壓噴頭;2—前支承;3—后支承;4—套圈圖1 強(qiáng)化研磨示意圖

采用多個(gè)工件同時(shí)加工的方法可以提高強(qiáng)化研磨加工效率，但仍存在加工成本較高的問題。

2 仿真分析

強(qiáng)化研磨加工過程中，鋼球碰撞工件表面產(chǎn)生彈塑性變形對(duì)工件表面的宏觀內(nèi)應(yīng)力有很大影響，故考慮碰撞對(duì)工件表面的作用效果。選擇6207型深溝球軸承外圈作為強(qiáng)化研磨工件，利用Solidworks軟件建立碰撞有限元模型，分析碰撞區(qū)域一個(gè)單元的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

2.1 幾何模型的建立

根據(jù)文獻(xiàn)[6]可知6207型深溝球軸承外圈的基本尺寸,內(nèi)徑d=61.6 mm，外徑D=72 mm，寬度B=17 mm。根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際，選用GCr15軸承鋼作為材料本構(gòu)進(jìn)行碰撞過程仿真模擬。 GCr15軸承鋼淬、回火后的硬度可以達(dá)到60～62 HRC[2]，密度為7 850 kg/m3，彈性模量為217 GPa，泊松比為0.3，屈服極限為1 744 MPa，抗拉強(qiáng)度為2 352 MPa。鋼球形狀假想為理想的球體，直徑為1.0 mm，鋼球至工件被碰撞表面的距離為45 mm，入射角為45°，由此構(gòu)建三維幾何模型如圖2a所示。

2.2 邊界條件和初始定義

設(shè)置套圈的邊界條件為位移/旋轉(zhuǎn)類型，限制套圈端面沿x,y,z坐標(biāo)軸方向的位移為0；設(shè)置鋼球至軸承表面的接觸速度為50 m/s，入射角為45°，考慮接觸面只是瞬間接觸，對(duì)有限元仿真模擬計(jì)算影響不大，忽略它們之間的摩擦。

2.3 網(wǎng)格劃分與求解

軸承套圈是目標(biāo)變形體，處于三維非線性的彈塑性形變狀態(tài)；而鋼球假想為剛體。為了提高計(jì)算效率，使用自由網(wǎng)格劃分技術(shù)對(duì)套圈和鋼球進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其中套圈和鋼球選擇單元類型為顯式線性三維應(yīng)力四面體單元C3D4，有限元網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2b所示。加載后計(jì)算收斂，鋼球沖擊后的等效塑性應(yīng)變?cè)茍D如圖2c所示。

(c)等效塑性應(yīng)變?cè)茍D圖2 碰撞分析模型

2.4 仿真模擬結(jié)果分析

碰撞模型的von Mises應(yīng)力云圖如圖3所示，從中可知，軸承表面的應(yīng)力分布集中于碰撞中心區(qū)域，且最大應(yīng)力達(dá)1 779 MPa，大于套圈強(qiáng)化研磨加工前的屈服極限，故存在塑性變形，可以達(dá)到塑性強(qiáng)化的目的。外圈接觸區(qū)域部分形成等勢(shì)區(qū)，等勢(shì)區(qū)以外則受力影響較小。不同的鋼球沖擊速度可得到不一樣的表面形變效果。根據(jù)碰撞中部區(qū)域的應(yīng)力值，繪制鋼球沖擊速度與工件表面殘余壓應(yīng)力的關(guān)系曲線如圖4所示?？梢钥闯觯S著鋼球沖擊速度的增大，殘余壓應(yīng)力逐漸增大；在50～160 m/s沖擊速度范圍內(nèi)，殘余壓應(yīng)力值從1 779 MPa逐漸增加到2 922 MPa。仿真結(jié)果說明，碰撞對(duì)套圈表面具有較好的塑性強(qiáng)化作用，可增加工件表面的殘余壓應(yīng)力。

圖3 von Mises應(yīng)力云圖

圖4 球沖擊速度與殘余壓應(yīng)力的關(guān)系

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)裝置

(1)強(qiáng)化研磨加工試驗(yàn)采用軸承強(qiáng)化研磨機(jī)，主要結(jié)構(gòu)包括：操作系統(tǒng)、空氣壓縮機(jī)、壓力表、儲(chǔ)氣罐、電磁無心夾具及其附件。該裝置的噴射壓力為0.3～1 MPa，噴射鋼球直徑為0.3～4 mm，工件轉(zhuǎn)速為80～200 r/min，每次安裝1個(gè)工件。

(2)試件為經(jīng)過熱處理和精加工后的6207型深溝球軸承外圈(圖5)，材料為高碳鉻淬硬軸承鋼 GCr15，表面粗糙度Ra=0.3 μm。

圖5 軸承套圈

(3)試件表面微觀形貌采用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM)進(jìn)行觀察，殘余壓應(yīng)力采用Rigaku D/MAX-RC型 X 射線衍射儀測(cè)量。

3.2 試驗(yàn)條件

(1)試件個(gè)數(shù)為5，試件轉(zhuǎn)速設(shè)置為150 r/min，入射角為45°，噴射距離為45 mm，噴射時(shí)間為5 min，噴射壓力分別為0.4，0.5,0.6,0.7,0.8 MPa，每次試驗(yàn)裝夾1個(gè)工件。

(2)噴射強(qiáng)化研磨料采用鋼球、研磨粉和強(qiáng)化液混合而成。其中鋼球?yàn)?種材料7種尺寸混合使用，以降低表面粗糙度，提高表面完整性，其尺寸及配比見表1；研磨粉采用3種不同型號(hào)的棕剛玉按一定配比混合；強(qiáng)化液則采用乙二醇胺溶液、洗潔精和水按一定配比均勻混合，其材料、尺寸及配比見表2。

表1 強(qiáng)化鋼球的尺寸及配比

表2 研磨粉及強(qiáng)化液成分

3.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)結(jié)果表明,加工后工件表面粗糙度值增加很小，Ra=0.32～0.50 μm，這主要是因?yàn)殇撉蚝凸ぜ砻婢嬖谒橘|(zhì)吸附薄膜，水的體積壓縮系數(shù)很小，碰撞過程中吸附膜在鋼球和套圈間類似于液體彈簧，起到了緩沖作用，降低了鋼球?qū)ぜ臎_擊動(dòng)能，減輕了磨損。將加工前后的套圈放在場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡下進(jìn)行觀察，表面顯微結(jié)構(gòu)如圖6所示。從中觀察到，未經(jīng)強(qiáng)化研磨加工的套圈表面組織呈現(xiàn)出比較規(guī)則的直線紋理結(jié)構(gòu)，這主要是由于制造過程中，軸承套圈是在淬硬狀態(tài)下進(jìn)行精磨加工形成的；而加工之后，由于鋼球反復(fù)多次沖擊工件表面，使表面產(chǎn)生較大的塑性變形，直線紋理消失，工件表面吸收高速運(yùn)動(dòng)鋼球的動(dòng)能后產(chǎn)生塑性流變和加工硬化，使工件表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力 。

圖6 強(qiáng)化研磨加工前后套圈表面顯微結(jié)構(gòu)

在強(qiáng)化研磨噴射壓力為0.4～0.8 MPa范圍內(nèi)，基于X射線衍射法測(cè)量軸承套圈外表面的殘余應(yīng)力值?？紤]軸承外圈接近中心位置一般承受較大的接觸載荷，易產(chǎn)生疲勞裂紋，直接影響軸承的工作性能和疲勞壽命[7]，故將該位置作為套圈殘余應(yīng)力的測(cè)試點(diǎn)。每個(gè)套圈表面選6個(gè)點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試，測(cè)點(diǎn)沿套圈外表面圓周方向間隔 60°均布。對(duì)5個(gè)套圈分別進(jìn)行測(cè)試，求出每個(gè)套圈表面的平均殘余應(yīng)力值。根據(jù)測(cè)量結(jié)果繪制出如圖7所示的柱狀圖，由圖可知，套圈經(jīng)強(qiáng)化研磨加工后，表面殘余壓應(yīng)力值最高可達(dá)2 510 MPa。

圖7 試驗(yàn)結(jié)果

上述結(jié)果表明，采用強(qiáng)化研磨加工方法改善軸承套圈表面力學(xué)性能在原理和實(shí)現(xiàn)策略上均是可行的，驗(yàn)證了理論分析的正確性。試驗(yàn)數(shù)據(jù)還表明，在噴射壓力0.4～0.8 MPa范圍內(nèi)，殘余壓應(yīng)力值從530 MPa陡增到2 510 MPa，這主要是因?yàn)殡S著噴射壓力增大，鋼球沖擊力增大，工件表面在機(jī)械力的作用下產(chǎn)生更大的塑性變形，在塑性變形過程中，位錯(cuò)間相互作用，位錯(cuò)密度進(jìn)一步增加，從而使表面殘余壓應(yīng)力顯著增大。

4 結(jié)束語

借助離心力實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化研磨加工的方法對(duì)軸承外圈表面具有較好的塑性強(qiáng)化作用，能產(chǎn)生延長(zhǎng)軸承疲勞壽命的表面殘余壓應(yīng)力，提高軸承使用壽命。通過有限元分析和試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了強(qiáng)化研磨加工方法的可行性和有效性。