探究关节轴承磨削裂纹产生的原因与对策

郑志耀

摘 要：文章结合生产实例，探究关节轴承套圈磨削裂纹产生的原因，提出防患措施，防止磨削裂纹产生。

关键词：关节轴承套圈；磨削裂纹；原因；对策

中图分类号：TG52；TG71 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）21-0109-01

1 关节轴承

关节轴承属于滑动轴承，由一个外球面内圈和一个内球面外圈组成。一般用于低速重载的摆动运动、倾斜运动和旋转运动。相对于滚动轴承，其结构简单，体积小，承载能力大，广泛应用于工程机械、重型汽车、农业机械、航空航天、矿山冶金、印刷、纺织、铁路、船舶等领域。近几年关节轴承应用领域不断延伸，在建筑、桥梁上也大量使用。

关节轴承使用材料Gcr15、Gcr15SiMn高碳铬轴承钢。关节轴承生产，一般经锻造、退火、车加工、热处理（淬、回火）、磨削加工等工序，磨加工是后道工序。经过淬火的高碳铬轴承钢，在磨削过程容易产生磨削裂纹，这在日常生产和质量处理中常会发生。磨削裂纹形状特别，仅发生在磨削面上，与淬火裂纹在宏观上观察明显不同，磨削裂纹深度较浅，其深度大致为0.05～0.20 mm。用酸浸蚀后裂纹更加明显易见，如图1和图2所示。较轻的磨削裂纹垂直于或接近垂直于磨削方向呈平行分布，称之为第Ⅰ类裂纹。较严重的裂纹呈龟甲状，称之为第Ⅱ类裂纹，习惯上叫做龟裂。磨加工过程，一旦出现磨削裂纹，往往造成批量的废品，损失严重；有些磨削裂纹很细小，不易被发现，一旦流入客户手中，将造成严重的后果，是致命的缺陷。因此，研究磨削裂纹的产生原因，并采取防患措施，避免其发生，具有十分重要的意义。

2 关节轴承套圈磨削裂纹的产生机理

关节轴承经热处理淬火后，再进行磨削加工，磨削时砂轮的切削速度很高，砂粒与工件表面因剧烈摩擦而发热，如果冷却液供给不充分，磨削产生的热量不能快速扩散，温度快速降低，则在磨削区域的瞬间温度可高达800～1 000度，这么高的温度势必造成工件表面的温度过高。工件表面的瞬时温度很容易导致工件表面烧伤。

除此之外，高碳铬合金（轴承钢材质）组织在高温下，必然再次奥氏体化，在冷却过程中又转变为比容较大的马氏体，这种情况和钢在淬火时的加热、冷却过程一样，势必产生热应力和组织应力。当应力大于钢的抗拉强度极限时，就会导致磨削裂纹产生。由于磨削层很薄，且瞬间磨削区域很小。形成的裂纹较浅。一般磨削裂纹深度在0.05～0.2 mm，用酸腐蚀时，裂纹明显可见。因此高磨削热是产生磨削裂纹的根源。

3 分析磨削裂纹产生的原因

根据磨削裂纹产生的机理，高磨削热、磨削热不能快速扩散、材料抗拉强度低。围绕这3点，结合加工的经验，从来料、磨削加工方面进行分析，找寻磨削裂纹产生的原因。

3.1 来料（待磨加工的套圈）质量

关节轴承套圈进入磨削加工前，需经原材料准备、锻造、退火、车加工、热处理（淬、回火）工序。这些工序一旦没有控制好，势必影响到材料抗拉强度。

①钢材本身成份均匀性差，影响到材料抗拉强度；

②锻加工如果停锻温度偏高，冷却过慢，组织过热形成粗大封闭的二次碳化物网，碳化物网较脆，造成套圈抗拉强度低；

③车加工尺寸控制不好，椭圆、锥度大的部位，在磨削时会加剧磨削热，使温度瞬间升高；

④淬火回火组织级别过高，其马氏体针状越粗，材料的韧性下降，淬火加热温度高和保温时间长，将导致热处理产品发生较大的变形，这也可能间接产生磨削裂纹等。

另外，时效不够，连续疲劳作业，应力来不及释放，影响材料抗拉强度等。

3.2 磨削加工方面

①进刀不稳，一次进刀量过大。

进刀速度过快，不稳，容易使磨削区域温度瞬间升高，造成磨削裂纹。根据经验手动进给的半自动内圆磨床、摇摆式的球面磨床、立式的平面磨、无形磨床加工，最容易产生磨削裂纹，占到磨削裂纹50%。

②砂轮选用不当。

砂轮硬度选择太高。自脱性差，钝化的磨粒不易脱落，使砂轮与工作表面的摩擦作用增强；砂轮级别号选择过小，磨粒间的容屑空间小，砂轮屑易被堵塞，影响切削性能。这2种情况都会导致磨削过程严重发热。

③机床压力不稳定，跳动大，加剧磨削热。

④切削液未冷却到位，磨削热不能快速扩散，使磨削区域的温度瞬间升高。

⑤使用的工装、支撑块太硬，太尖，划伤套圏的表面，严重产生裂纹。这也是造成磨削裂纹的一种。这种情况在磨削裂纹时容易遗漏。前不久，笔者公司就发生一起这方面质量事故，磨GEZ101XS/K（S）.01球面时，支撑架刮伤套圈的外径表面，产生外径磨削裂纹。

⑥磨削不规范，如工件转速过慢，这也不利于磨削热快速扩散。在大型号圈套加工中，这种情况较突出。

还有，金刚笔钝、砂轮没有及时修整，也会影响切削性能，导致磨削过程发热严重。

4 采取的措施

根据磨削裂纹产生的原因，采取如下的应对对策，来避免其发生。

①原材料方面：把好原材料的质量关。对成分不均匀、夹杂物超标、显微裂纹、碳化物形态及其分布不良的原材料，要严禁投产。

②锻造时，严格按加热、冷却规范进行，控制好锻造加热温度及锻后冷却速度，杜绝锻造过热、过烧及网状碳化物产生。

③退火工序要严格把关，避免过热或欠热退火组织产生，确保工件淬火前具备良好的金相组织、状态。

④车加工要确保加工的尺寸、精度。

⑤热处理方面：

其一，产生磨削裂纹的根本原因在于淬火件的马氏体组织是一种膨胀状态，有应力存在，要减少和消除这种应力，应进行去应力回火即淬火后应马上进行回火处理。

其二，第一种磨削裂纹是工件在快速加热至100 ℃左右，并迅速冷却而产生的。所以，为防止这第一种磨削裂纹，工件应在150～200 ℃左右回火。第二种磨削裂纹是工件在磨削中继续升温至300 ℃时，表面再次产生收缩而产生的。

所以，为防止这第二种磨削裂纹，则应将工件在300 ℃左右回火，回火时间必须在4 h以上。应该注意工件在300 ℃回火时会使工件硬度下降，有时不宜采用。

其三，有时经过一次回火后仍可能产生磨削裂纹，这时可以进行二次回火或人工时效，这个方法非常有效。

⑥磨加工方面：

其一，在条件允许的情况下，可以考虑采用以车代磨的工艺。特别是大型号关节轴承，如内径d>φ300，外径D>Φ430 mm的向心关节轴承产品；或厚薄相差较大推力关节轴承、角接触关节轴承。

其二，合理选择磨削进刀量，多遍磨，以降低磨削热的产生。

其三，采用良好的冷却措施，如加大磨削液流量、提高喷射压力、改进喷嘴结构、喷雾冷却等，以保证磨削液能最大限度的进入磨削接触区并带走大部分磨削热量。适当提高磨削液温度，以降低热应力产生.

其四，合理选用砂轮硬度和粒度，并及时进行工作面修整，以减小磨削热和磨削应力。在质量可达要求的前提下，可以选用硬度较软、粒度较粗的砂轮来磨削。

其五，热处理刚出炉的工件，必须待工件自然冷却后（冷却到常温）才能进行磨削。如果在时间允许的情况下，最好让工件自然时效1～2个月，消除应力后再进行磨削，这也会收到很好的效果。

其六，大型号的套圈在磨削过程，可以考虑增加一道互加回火，消除套圈磨削产生的残余应力。

其七，避免注意使用的工装、支撑块，太尖硬，划伤套圏的表面，造成裂纹。

5 结 语

总之，只要我们在原材料质量方面、锻造、车加工、热处理、磨削加工方面加强控制；针对磨削裂纹出现时，表面必定存在有磨削烧伤这一现象，在磨削过程，通过加强工件冷酸洗检查，便可以有效地防止磨削裂纹的产生。

参考文献：

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[2] 许香谷，肖诗纲.金属切削原理与刀具[M].重庆：重庆大学出版社，2006.

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