强化研磨加工的仿真及试验

刘晓初，陈志斌，何铨鹏，黄骏，萧金瑞

(广州大学 强化研磨精密加工广州市重点实验室，广州 510006)

轴承套圈在磨削加工过程中，由于磨削热而不可避免会在其表面产生变质层，而且是拉应力层[1]，且会导致表面层硬度下降，从而降低轴承的疲劳寿命和可靠性。在一般的硬切削中，轴承套圈已加工表面有时也会出现残余拉应力而且难于主动控制[2-3]。业已证明，机械零件表面的残余压应力状态有利于其疲劳寿命和抗化学腐蚀性能的提高[1]。为使套圈表面产生有利于延长轴承寿命的残余压应力，可采用表面强化加工技术，主要包括表面覆层、表面改性、表面机械强化以及激光冲击强化。前2种方法能明显提高轴承接触疲劳寿命和耐蚀性，但存在涂层与基体结合力差和成本昂贵等不足。表面机械强化主要包括滚压与喷丸强化[4]，滚压能在工件表面层产生残余压应力，但易使表面层产生过冷作硬化而变脆，降低工件疲劳寿命；喷丸强化则存在增大表面粗糙度及过冷作硬化的问题。激光冲击强化可以使零件表面产生残余压应力，提高疲劳寿命，但是难以实现在强化的同时完成磨削，且设备较贵。

下文以某深沟球轴承外圈为研究对象，探讨强化研磨加工对残余应力的影响规律，为轴承产品的加工提供参考。

1 结构及工作原理

强化研磨的整体结构如图1所示。通过电磁无心夹具实现对工件的夹紧，异步电动机带动主轴高速旋转，工件在同步高速旋转的情况下产生离心效应及周向预应力，借助于离心力实现有利于加工状况的预应力加工。加工过程中，高压喷头将混有高强度钢球的强化研磨液喷射到工件表面，对表面进行随机等概率的碰撞，其中钢球冲击使其表面层发生弹塑性变形，引起表面强化层亚晶粒细化，同时对工件表面进行初次磨削；研磨粉在高压作用下对工件表面进行微切削，并伴随有强化液的悬浮、冷却、清洗、润滑等一系列液固两相流场的复杂作用，降低表面粗糙度，从而实现对工件表面的强化和研磨。加工完成后，高速旋转带来的离心效应及周向预应力消失，基体的弹性回复对工件表层产生压缩作用,从而使工件表面的残余应力呈压应力分布，即可加工出高精度、表面具有残余压应力的轴承套圈，延长其疲劳寿命[5]。

1—高压喷头;2—前支承;3—后支承;4—套圈图1 强化研磨示意图

采用多个工件同时加工的方法可以提高强化研磨加工效率，但仍存在加工成本较高的问题。

2 仿真分析

强化研磨加工过程中，钢球碰撞工件表面产生弹塑性变形对工件表面的宏观内应力有很大影响，故考虑碰撞对工件表面的作用效果。选择6207型深沟球轴承外圈作为强化研磨工件，利用Solidworks软件建立碰撞有限元模型，分析碰撞区域一个单元的动态响应。

2.1 几何模型的建立

根据文献[6]可知6207型深沟球轴承外圈的基本尺寸,内径d=61.6 mm，外径D=72 mm，宽度B=17 mm。根据生产实际，选用GCr15轴承钢作为材料本构进行碰撞过程仿真模拟。 GCr15轴承钢淬、回火后的硬度可以达到60～62 HRC[2]，密度为7 850 kg/m3，弹性模量为217 GPa，泊松比为0.3，屈服极限为1 744 MPa，抗拉强度为2 352 MPa。钢球形状假想为理想的球体，直径为1.0 mm，钢球至工件被碰撞表面的距离为45 mm，入射角为45°，由此构建三维几何模型如图2a所示。

2.2 边界条件和初始定义

设置套圈的边界条件为位移/旋转类型，限制套圈端面沿x,y,z坐标轴方向的位移为0；设置钢球至轴承表面的接触速度为50 m/s，入射角为45°，考虑接触面只是瞬间接触，对有限元仿真模拟计算影响不大，忽略它们之间的摩擦。

2.3 网格划分与求解

轴承套圈是目标变形体，处于三维非线性的弹塑性形变状态；而钢球假想为刚体。为了提高计算效率，使用自由网格划分技术对套圈和钢球进行网格划分，其中套圈和钢球选择单元类型为显式线性三维应力四面体单元C3D4，有限元网格划分结果如图2b所示。加载后计算收敛，钢球冲击后的等效塑性应变云图如图2c所示。

(c)等效塑性应变云图图2 碰撞分析模型

2.4 仿真模拟结果分析

碰撞模型的von Mises应力云图如图3所示，从中可知，轴承表面的应力分布集中于碰撞中心区域，且最大应力达1 779 MPa，大于套圈强化研磨加工前的屈服极限，故存在塑性变形，可以达到塑性强化的目的。外圈接触区域部分形成等势区，等势区以外则受力影响较小。不同的钢球冲击速度可得到不一样的表面形变效果。根据碰撞中部区域的应力值，绘制钢球冲击速度与工件表面残余压应力的关系曲线如图4所示。可以看出，随着钢球冲击速度的增大，残余压应力逐渐增大；在50～160 m/s冲击速度范围内，残余压应力值从1 779 MPa逐渐增加到2 922 MPa。仿真结果说明，碰撞对套圈表面具有较好的塑性强化作用，可增加工件表面的残余压应力。

图3 von Mises应力云图

图4 球冲击速度与残余压应力的关系

3 试验验证

3.1 试验装置

(1)强化研磨加工试验采用轴承强化研磨机，主要结构包括：操作系统、空气压缩机、压力表、储气罐、电磁无心夹具及其附件。该装置的喷射压力为0.3～1 MPa，喷射钢球直径为0.3～4 mm，工件转速为80～200 r/min，每次安装1个工件。

(2)试件为经过热处理和精加工后的6207型深沟球轴承外圈(图5)，材料为高碳铬淬硬轴承钢 GCr15，表面粗糙度Ra=0.3 μm。

图5 轴承套圈

(3)试件表面微观形貌采用场发射扫描电子显微镜(FESEM)进行观察，残余压应力采用Rigaku D/MAX-RC型 X 射线衍射仪测量。

3.2 试验条件

(1)试件个数为5，试件转速设置为150 r/min，入射角为45°，喷射距离为45 mm，喷射时间为5 min，喷射压力分别为0.4，0.5,0.6,0.7,0.8 MPa，每次试验装夹1个工件。

(2)喷射强化研磨料采用钢球、研磨粉和强化液混合而成。其中钢球为2种材料7种尺寸混合使用，以降低表面粗糙度，提高表面完整性，其尺寸及配比见表1；研磨粉采用3种不同型号的棕刚玉按一定配比混合；强化液则采用乙二醇胺溶液、洗洁精和水按一定配比均匀混合，其材料、尺寸及配比见表2。

表1 强化钢球的尺寸及配比

表2 研磨粉及强化液成分

3.3 试验结果及分析

试验结果表明,加工后工件表面粗糙度值增加很小，Ra=0.32～0.50 μm，这主要是因为钢球和工件表面均存在水介质吸附薄膜，水的体积压缩系数很小，碰撞过程中吸附膜在钢球和套圈间类似于液体弹簧，起到了缓冲作用，降低了钢球对工件的冲击动能，减轻了磨损。将加工前后的套圈放在场发射扫描电子显微镜下进行观察，表面显微结构如图6所示。从中观察到，未经强化研磨加工的套圈表面组织呈现出比较规则的直线纹理结构，这主要是由于制造过程中，轴承套圈是在淬硬状态下进行精磨加工形成的；而加工之后，由于钢球反复多次冲击工件表面，使表面产生较大的塑性变形，直线纹理消失，工件表面吸收高速运动钢球的动能后产生塑性流变和加工硬化，使工件表面产生残余压应力 。

图6 强化研磨加工前后套圈表面显微结构

在强化研磨喷射压力为0.4～0.8 MPa范围内，基于X射线衍射法测量轴承套圈外表面的残余应力值。考虑轴承外圈接近中心位置一般承受较大的接触载荷，易产生疲劳裂纹，直接影响轴承的工作性能和疲劳寿命[7]，故将该位置作为套圈残余应力的测试点。每个套圈表面选6个点进行应力测试，测点沿套圈外表面圆周方向间隔 60°均布。对5个套圈分别进行测试，求出每个套圈表面的平均残余应力值。根据测量结果绘制出如图7所示的柱状图，由图可知，套圈经强化研磨加工后，表面残余压应力值最高可达2 510 MPa。

图7 试验结果

上述结果表明，采用强化研磨加工方法改善轴承套圈表面力学性能在原理和实现策略上均是可行的，验证了理论分析的正确性。试验数据还表明，在喷射压力0.4～0.8 MPa范围内，残余压应力值从530 MPa陡增到2 510 MPa，这主要是因为随着喷射压力增大，钢球冲击力增大，工件表面在机械力的作用下产生更大的塑性变形，在塑性变形过程中，位错间相互作用，位错密度进一步增加，从而使表面残余压应力显著增大。

4 结束语

借助离心力实现强化研磨加工的方法对轴承外圈表面具有较好的塑性强化作用，能产生延长轴承疲劳寿命的表面残余压应力，提高轴承使用寿命。通过有限元分析和试验结果验证了强化研磨加工方法的可行性和有效性。