王靛，歐陽華，楊劍飛

(中車株洲電力機(jī)車研究所有限公司，湖南 株洲 412000)

磨削熱缺陷[1]的不斷出現(xiàn)給生產(chǎn)帶來了大量損失，對其產(chǎn)生原因的分析已有諸多報(bào)道，但在磨削過程中由幾何條件導(dǎo)致的磨削熱缺陷敏感現(xiàn)象卻未得到足夠的認(rèn)知，而且，由此導(dǎo)致的磨削熱缺陷往往會(huì)造成工件批量報(bào)廢。為此，本文分析由特定磨削條件導(dǎo)致的磨削熱缺陷敏感現(xiàn)象，并指出其避免措施。

1 磨削熱缺陷幾何敏感現(xiàn)象實(shí)例

機(jī)床主軸直徑為30 mm，軸上帶有一內(nèi)徑30 mm、外徑200 mm的軸肩。軸肩材料為GCr15，基本工藝路線為:車削→淬火→粗磨→附加回火(穩(wěn)定處理)→終磨→探傷。

終磨后探傷發(fā)現(xiàn)6個(gè)零件(該批次共30個(gè))有磨削裂紋(圖1),且裂紋分布具有規(guī)律性，全部分布在軸肩緊鄰中心軸的位置。

用5%硝酸酒精溶液對軸肩進(jìn)行酸洗，如圖2所示,由燒傷的放射狀痕跡可知燒傷產(chǎn)生于粗磨時(shí)采用的砂輪端面磨削過程中，因圖1中終磨表面的磨削痕跡為圓周同心圓形態(tài)，表明終磨采用的是砂輪外徑面磨削。

圖1 軸肩磨削裂紋磁粉探傷顯示Fig.1 Magnetic particle testing display of grinding crack on shaft shoulder

圖2 軸肩酸洗燒傷顯示Fig.2 Picking burn display on shaft shoulder

對酸洗后的軸肩表面用磁粉檢測剩磁法顯示裂紋，如圖3所示，裂紋與磨削燒傷存在明顯的相關(guān)性：裂紋整體呈節(jié)段狀，每小節(jié)都與端面磨削時(shí)某一時(shí)刻砂輪的單次磨削痕跡垂直，表明裂紋在逐步擴(kuò)展；且可看到裂紋顯示最寬的位置在圖中箭頭所示位置，緊鄰中心軸的工藝退刀槽，為裂紋的源頭。

圖3 軸肩磨削熱缺陷(酸洗與剩磁法復(fù)合顯示)Fig.3 Grinding heat defects on shaft shoulder(combined display of pickling and magnetic particle testing)

上述分析表明圖3中的裂紋和變質(zhì)層產(chǎn)生于砂輪端面磨削過程中，且這一由砂輪端面磨削產(chǎn)生的磨削熱缺陷有其規(guī)律性:

1)6個(gè)零件的裂紋均位于軸中心位置附近；

2)6個(gè)零件的燒傷均繞軸一周分布；

3)燒傷均從中心向外逐漸減弱。

這種規(guī)律性表現(xiàn)出磨削熱缺陷在磨削的特定幾何區(qū)域更為敏感的現(xiàn)象。

2 磨削熱缺陷幾何敏感現(xiàn)象本質(zhì)

磨削熱缺陷的本質(zhì)是由磨削熱引發(fā)的組織劣化和裂紋現(xiàn)象，磨削熱缺陷的幾何敏感現(xiàn)象最終也歸結(jié)于此。但這一現(xiàn)象有別于一般磨削熱缺陷的產(chǎn)生過程，有其特殊的誘發(fā)原因，為此進(jìn)行以下分析。

2.1 磨削的時(shí)間敏感特性

在正常的磨削進(jìn)給量下，如果零件停轉(zhuǎn)，砂輪在零件同一位置持續(xù)磨削，就會(huì)出現(xiàn)磨削熱缺陷，這表明磨削熱缺陷具有時(shí)間敏感性的特點(diǎn)。在調(diào)心滾子軸承的外圈滾道發(fā)現(xiàn)裂紋后，經(jīng)酸洗和磁粉檢測復(fù)合顯示(圖4)，從燒傷的痕跡分布可以看出，燒傷由調(diào)心滾子軸承外圈滾道用砂輪端面范成法磨削時(shí)產(chǎn)生。

圖4 調(diào)心滾子軸承外圈滾道的磨削熱缺陷Fig.4 Grinding heat defects on outer ring raceway of spherical roller bearing

由于滾道不會(huì)在很窄的區(qū)域出現(xiàn)尺寸突變，且由進(jìn)給量過大導(dǎo)致的燒傷缺陷會(huì)分布在大片區(qū)域，而圖4中僅有一條與砂輪接觸寬相當(dāng)?shù)臒齻麕?，表明燒傷是由于零件在磨削過程中出現(xiàn)了停轉(zhuǎn)，砂輪未再次進(jìn)給的條件下持續(xù)在一個(gè)位置磨削，導(dǎo)致磨削燒傷和裂紋的出現(xiàn)，說明磨削熱缺陷具有時(shí)間敏感性。

2.2 磨削過程具有時(shí)間敏感性的主要原因

2.2.1 彈性變形

磨削時(shí),砂輪和零件都會(huì)發(fā)生彈性變形，使每次可能完成的磨削量總比進(jìn)給量小，即使未繼續(xù)進(jìn)給，砂輪再次經(jīng)過時(shí)依然會(huì)繼續(xù)發(fā)生磨削。

2.2.2 砂輪特性

砂輪是一種由磨粒和微刃組合而成的刀具，各個(gè)磨削刃在砂輪表面起伏不平，一小段砂輪的滑擦、耕犁和磨削并不能形成平面，砂輪再次經(jīng)過時(shí)依然會(huì)繼續(xù)磨削。

2.2.3 磨削的空間敏感性

由于磨削過程是砂輪微刃與零件表面在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生的絕熱碰撞過程[2]，去除單位體積的材料時(shí)，機(jī)械能到熱能的轉(zhuǎn)化效率要遠(yuǎn)大于車削過程。與車削過程相比，磨削切入深度很小時(shí)，就會(huì)有大量磨削熱出現(xiàn)，即磨削過程具有空間敏感性[3-4]。

2.3 磨削幾何因素

磨削熱缺陷幾何敏感現(xiàn)象存在的另一基礎(chǔ)是磨削幾何因素。在一些特定的區(qū)域，磨削幾何因素會(huì)使某些區(qū)域的磨削熱通過時(shí)間上的累積而出現(xiàn)溫度過高造成磨削熱缺陷。

3 磨削熱缺陷幾何敏感性影響因素

磨削熱缺陷的幾何敏感性影響因素主要包括磨削方式、砂輪幾何尺寸和零件磨削區(qū)線速度等。

3.1 磨削方式

按砂輪的磨削部位可分為端面磨削法和外徑面磨削法。單考慮砂輪端面磨削法，以直徑100和94 mm的圓組成同心圓環(huán)模擬端面法的單次磨削痕跡，以5 mm的間距模擬砂輪與零件的相對運(yùn)動(dòng)，形成的圓環(huán)組可近似模擬砂輪端面磨削過程中砂輪與零件的接觸痕跡，如圖5所示。圖5中的上下位置處線痕更密集，表明此處在一段時(shí)間內(nèi)發(fā)生更多的磨削行為，在其他條件不變的情況下，此處產(chǎn)生的磨削熱必然更多，因此，上下位置是磨削熱缺陷的幾何敏感區(qū)。

圖5 砂輪端面磨削痕跡模擬Fig.5 Trace simulation of grinding by wheel end face

調(diào)心滾子軸承外圈滾道用砂輪端面磨削的實(shí)際痕跡如圖6所示。這一特殊區(qū)域的存在是因?yàn)樯拜喌男D(zhuǎn)方向與零件、砂輪的相對運(yùn)動(dòng)方向近似平行，這一方面會(huì)導(dǎo)致瞬時(shí)磨削弧長增加從而增加磨削熱，另一方面會(huì)導(dǎo)致后續(xù)磨削過程持續(xù)疊加在之前的磨削區(qū)域，造成磨削熱在時(shí)間上的累積，使此區(qū)域成為磨削熱缺陷幾何敏感區(qū)。

圖6 調(diào)心滾子軸承外圈滾道磨削紋路Fig.6 Grinding texture on outer ring raceway of spherical roller bearing

圖7模擬了以外徑100 mm、內(nèi)徑94 mm的砂輪用端面磨削時(shí)，在砂輪旋轉(zhuǎn)1周的時(shí)間內(nèi)，砂輪與零件相對位移分別為2，6，10 mm時(shí)，砂輪2次磨削的磨削痕跡重合區(qū)，至少在此時(shí)間段內(nèi)，表面出現(xiàn)了磨削熱在時(shí)間上的累積現(xiàn)象[5]。因此圖5的上下區(qū)域?yàn)槟ハ鳠崛毕輲缀蚊舾袇^(qū)，中部區(qū)域?yàn)榉敲舾袇^(qū)域，此處砂輪的旋轉(zhuǎn)方向與零件、砂輪的相對運(yùn)動(dòng)方向垂直，瞬時(shí)磨削區(qū)域窄，受后續(xù)磨削的影響小。

圖7 砂輪2次磨削的磨削痕跡重合區(qū)Fig.7 Overlap zone of grinding traces by wheel

對比砂輪外徑面磨削法和砂輪端面磨削法，圖8中砂輪外徑面磨削法的瞬時(shí)接觸區(qū)域?yàn)閳D左側(cè)的長方形，接觸區(qū)域的長度為砂輪本身的寬度，接觸區(qū)域的寬度為砂輪與零件的彈性接觸區(qū)，由于二者的剛度都較大，因此接觸區(qū)寬度很小，使砂輪和零件沿圖8中的箭頭方向做相對運(yùn)動(dòng)，后續(xù)磨削易脫離以前的磨削區(qū)域，避免磨削熱在單位區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)時(shí)間上的累積。而采用砂輪端面磨削法時(shí)，其瞬時(shí)磨削痕跡為一圓環(huán)，受圓幾何各向同性的影響，不論砂輪與零件的相對方向如何，都會(huì)在平行磨削方向上有上下兩段較長的接觸區(qū)。因此，二者相比，砂輪端面磨削法在某些區(qū)域具有更強(qiáng)的磨削熱缺陷幾何敏感性。

圖8 瞬時(shí)磨削痕跡示意圖Fig.8 Diagram of instantaneous grinding trace

3.2 砂輪幾何尺寸的影響

用砂輪端面進(jìn)行磨削時(shí)，砂輪的端面寬度和砂輪直徑會(huì)對磨削過程的熱缺陷幾何敏感性產(chǎn)生影響。

砂輪的端面寬度越大，瞬時(shí)接觸區(qū)的面積越大，一方面由于散熱不利會(huì)增加單次磨削時(shí)單位面積的磨削熱累積，另一方面也會(huì)增加砂輪2次磨削過程中的磨削重合面積，從而加劇磨削熱的累積。在實(shí)際應(yīng)用中，砂輪端面磨削法磨削圓柱滾子擋邊時(shí)，磨削區(qū)域相當(dāng)于圖5中的上下兩端，磨削熱缺陷幾何敏感性強(qiáng)，因此，需采用蝶形砂輪以減小磨削接觸線寬度；大型環(huán)形零件用立軸平面磨床磨削平面時(shí)，磨削區(qū)域?yàn)閳D5所示的中部，磨削熱缺陷幾何敏感性低，可用寬砂輪磨削提高磨削效率。

砂輪直徑增大，圖5中上下區(qū)域磨削熱缺陷敏感區(qū)的面積和長度都會(huì)增加，面積的增加使磨削熱缺陷幾何敏感區(qū)的空間增大，而長度的增加會(huì)使磨削重合時(shí)間更長，從而使磨削熱在時(shí)間上出現(xiàn)累積。

砂輪直徑的增大并不總是有害的，在調(diào)心滾子軸承外滾道面的磨削過程中是有益的，可將磨削熱缺陷幾何敏感區(qū)移到滾道面外，從而避免磨削熱缺陷。

3.3 零件磨削區(qū)線速度的影響

磨削過程能量的來源主要是由砂輪的高速旋轉(zhuǎn)提供，砂輪與零件之間的相對運(yùn)動(dòng)一方面完成對整個(gè)表面的覆蓋，另一方面也使對單位表面的磨削轉(zhuǎn)變?yōu)閿嗬m(xù)磨削，提供良好的散熱條件。當(dāng)砂輪與零件的相對運(yùn)動(dòng)速度不斷減小時(shí)，會(huì)破壞斷續(xù)磨削機(jī)理，使斷續(xù)磨削變?yōu)榫植窟B續(xù)磨削。

軸承零件多為回轉(zhuǎn)件，磨削時(shí)零件和砂輪均做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使同一位置不會(huì)出現(xiàn)磨削熱在時(shí)間上的累積，但當(dāng)零件尺寸不斷減小，尤其是同一零件的一次磨削過程中兼有高速區(qū)和低速區(qū)時(shí)，往往會(huì)在低速區(qū)出現(xiàn)磨削熱缺陷敏感現(xiàn)象。

模擬擋邊內(nèi)徑分別為100，50，0 mm，外徑為無限大的軸承零件，以外徑100 mm、內(nèi)徑94 mm的砂輪進(jìn)行磨削，砂輪只繞零件旋轉(zhuǎn)一周，砂輪每轉(zhuǎn)一周繞零件中心旋轉(zhuǎn)4°所形成的磨削痕跡如圖9所示，圖中徑向磨削痕跡的密度不同，僅是由于其距離圓心的距離不同(線速度不同)而導(dǎo)致的，線速度越小，磨削痕跡密度越大，磨削熱缺陷幾何敏感性越強(qiáng)。圖9c的中心區(qū)域具有最強(qiáng)的磨削熱缺陷幾何敏感性。

圖9 軸承零件擋邊尺寸變化對磨削痕跡的影響Fig.9 Influence of bearing part rib dimension change on griding trace

圖9模擬顯示了磨削熱缺陷幾何敏感性與零件磨削區(qū)線速度的關(guān)系，模擬圖中的擋邊寬度大于通常的軸承零件擋邊寬度，目的是將在單套軸承零件擋邊磨削時(shí)由于尺寸限制而難以觀察到的幾何敏感現(xiàn)象顯示出來。

一般而言，采用砂輪外徑面磨削法，由于接觸區(qū)域小，其磨削熱缺陷的幾何敏感性小，但當(dāng)幾何因素達(dá)到一定程度，也會(huì)出現(xiàn)磨削熱缺陷幾何敏感現(xiàn)象。從圖10中的磨削痕跡可看出磨削方式為砂輪外徑面磨削，同時(shí)可看出由遠(yuǎn)處到中心，振紋狀的磨削熱缺陷從無到有逐漸加重。其機(jī)理與砂輪端面磨削法的熱缺陷幾何敏感性相似，當(dāng)磨削逐漸靠近中心，零件線速度越來越小，零件在單位面積上的磨削時(shí)間越長，振紋越窄，而每個(gè)振紋經(jīng)歷的磨削時(shí)間相同，所以單位面積的磨削時(shí)間越長。由零件磨削區(qū)線速度導(dǎo)致的磨削熱缺陷幾何敏感問題可通過提高零件轉(zhuǎn)速和減小磨削切入深度來避免。

圖10 盤狀零件外徑面磨削法中心振紋狀燒傷Fig.10 Vibration-burning on central area of discoid part by outer-diameter surface grinding

4 結(jié)束語

磨削熱缺陷幾何敏感性的本質(zhì)涉及2個(gè)方面的問題：1)基于磨削機(jī)理引發(fā)的磨削熱缺陷時(shí)間敏感性，即在正常切削深度下，砂輪在一個(gè)位置持續(xù)磨削，會(huì)由于磨削熱的持續(xù)累積而出現(xiàn)磨削熱缺陷；2)由于磨削方式、砂輪幾何尺寸和零件磨削區(qū)線速度的影響，導(dǎo)致在某些特定的幾何區(qū)域磨削持續(xù)時(shí)間會(huì)延長，從而誘發(fā)磨削熱缺陷的時(shí)間敏感性，而導(dǎo)致磨削熱缺陷幾何敏感現(xiàn)象的出現(xiàn)。

由于軸承是環(huán)狀零件，零件某個(gè)表面的磨削尺寸范圍變化小，往往難以在單個(gè)零件上對磨削熱缺陷的幾何敏感性進(jìn)行觀察和分析；但在一系列尺寸零件的磨削過程中，當(dāng)零件尺寸發(fā)生劇烈變化時(shí)，磨削熱缺陷的幾何敏感性往往會(huì)表現(xiàn)出來，這時(shí)要針對性的調(diào)整磨削切入深度、砂輪直徑和機(jī)床轉(zhuǎn)速等，避免磨削熱缺陷幾何敏感性被誘發(fā)，造成批量性的磨削熱缺陷。