背吃刀量對中小型軸承零件硬車變形的影響

郝雪玲，張林

（1.洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽471039；2.河南省高性能軸承技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽471039；3.滾動(dòng)軸承產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，河南洛陽471039）

磨削加工中，磨削應(yīng)力會(huì)對精密零件的精度和尺寸產(chǎn)生影響，一般工序間采用時(shí)效處理的方法消除磨削時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力，以保證最終零件的技術(shù)要求，人工時(shí)效和自然時(shí)效都能夠使零件的應(yīng)力充分釋放，其變化量在微米級［1-2］。隨著硬車技術(shù)的日趨成熟，應(yīng)用也越來越廣泛，“以車代磨”的觀念正在逐步改變技術(shù)人員的傳統(tǒng)思想，雖然硬車加工效率比磨削加工高很多，但硬車時(shí)是否產(chǎn)生切削應(yīng)力，應(yīng)力大小對零件的尺寸和精度影響有多大，需不需要工序間做時(shí)效處理，這些問題還需要一定的試驗(yàn)數(shù)據(jù)來評定。

1 試驗(yàn)方法

由于機(jī)加工產(chǎn)生的應(yīng)力是難以測量和量化的參數(shù)，因此試驗(yàn)將軸承零件尺寸精度作為主要參考指標(biāo)，以切削三要素為主要參數(shù)。切削速度和進(jìn)給速度固定不變，調(diào)整背吃刀量，硬車加工軸承零件，測量記錄零件的加工精度；然后按照不同的時(shí)間對加工后的零件進(jìn)行時(shí)效處理；最后將時(shí)效處理后的零件與原始零件的精度作對比，分析硬車加工后的應(yīng)力對軸承零件變形產(chǎn)生的影響。

2 試驗(yàn)設(shè)備及試樣

試驗(yàn)主要目的是研究軸承零件硬車后的應(yīng)力狀況，對于薄壁系列的軸承零件不適用，因?yàn)楸”诹慵谟曹嚂r(shí)極易產(chǎn)生變形，直接影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。試驗(yàn)選取B7214TN6HVP4軸承外圈（圖1）作為試樣，外圈外形尺寸為：φ125 mm×24 mm；樣件數(shù)為60。試驗(yàn)采用設(shè)備為臥式高精度數(shù)控車床，主軸徑向跳動(dòng)小于0.5μm，軸向跳動(dòng)小于0.5μm，最大加工工件尺寸為φ290 mm。刀具選為CBN材料。

圖1 B7214軸承外圈結(jié)構(gòu)Fig.1 Outer ring structure of bearing B7214

3 試驗(yàn)步驟

步驟1：將60個(gè)試樣分為6組，每組10個(gè)，分別編號為1-1，…，1-10，…，6-1，…，6-10。采用硬車的方法加工B7214TN6HVP4軸承外圈外徑面（代替粗磨），固定車削速度（137 m/min）和進(jìn)給速度（35mm/min）不變，選擇6組不同的背吃刀量（0.05，0.10，0.20，0.30，0.40，0.50 mm），從小到大依次對應(yīng)6組試樣進(jìn)行硬車加工，加工余量為1 mm。加工后的零件按照編號檢測單一平面外徑變動(dòng)量VDsp，數(shù)據(jù)見表1。

表1 B7214外圈硬車后VD spFig.1 Outer ring VD sp of B7214 after hard turningμm

步驟2：將加工后的零件進(jìn)行時(shí)效處理，因?yàn)椴煌谋吵缘读繉α慵a(chǎn)生的切削應(yīng)力可能會(huì)有差異，將時(shí)效時(shí)間從短到長逐漸增加（2，4，6，8，10，20 h），盡可能將產(chǎn)生的應(yīng)力釋放完全，6種不同時(shí)效處理時(shí)間后的精度測量結(jié)果見表2。

表2 時(shí)效處理后VD spFig.2 VD sp after aging treatment μm

4 數(shù)據(jù)分析

4.1 變形量分布

將硬車后的精度與時(shí)效處理后的變形量進(jìn)行對比，從整體上觀察其變化規(guī)律。以1-1零件為例，硬車后外圈VDsp為3μm，時(shí)效處理后VDsp最大為4μm，則時(shí)效處理前后的最大變形量ΔVmax為1 μm。計(jì)算所有試樣的最大變形量，數(shù)據(jù)整理結(jié)果見表3。

表3 零件變形量及對應(yīng)數(shù)量Fig.3 Deformation and corresponding number of ring

由表3可知，60個(gè)樣本中變形量最大值為3.0μm，變形量為1.0μm的試樣占比最多，超過零件總數(shù)量的50%，其次是變形量為2.0μm的零件，這2種零件占總數(shù)量的86.6%，即變形量為1.0～2.0μm的概率非常大，這對該型號軸承硬車加工時(shí)工藝余量的選取有一定的參考作用。

4.2 背吃刀量對變形量的影響

硬車加工時(shí)，隨著背吃刀量的不斷增加，所產(chǎn)生的切削應(yīng)力也會(huì)有所變化，以組為單位，找出每組中最大變形量值，數(shù)據(jù)整理見表4。

表4 各組最大變形量Fig.4 Maximum deformation of each group

由表4可知，除第2組變形量為3μm，其余5組變形量均為2μm，基本上不能看出隨著背吃刀量的增加其變形量（或切削應(yīng)力）有任何差異，這可能是存在測量誤差或出現(xiàn)反常規(guī)的偶然現(xiàn)象。因此進(jìn)一步采用平均值法，將每組中樣本數(shù)據(jù)的平均值作為最終的變形量數(shù)值，使試驗(yàn)數(shù)據(jù)盡量接近理論值。6組數(shù)據(jù)整理后見表5。

表5 各組變形量平均值Fig.5 Average deformation of each group

由表5可知，第2組的變形量最大，即背吃刀量為0.1 mm時(shí)，變形量最大，硬車時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力最大；第6組的變形量最小，但其背吃刀量最大。按照一般規(guī)律，背吃刀量越大，切削產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)該越大，出現(xiàn)這種情況可能是因?yàn)榈?組的零件硬車后其精度較差，有3個(gè)零件（6-6，6-8，6-10）的精度與其他零件的精度相差較大，本身變形量在微米級，時(shí)效處理后變形量與其本身精度的差別較大，基本可忽略不計(jì)，因此本組中這3個(gè)數(shù)值不準(zhǔn)確，可能存在粗大誤差，導(dǎo)致了變形量數(shù)值偏小。

4.3 時(shí)效時(shí)間

對比60個(gè)樣本數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，時(shí)效處理10 h和20 h的VDsp值基本一致，這說明對于B7214TN6HVP4軸承外圈，其應(yīng)力釋放已經(jīng)完全，工序間穩(wěn)定時(shí)間達(dá)到10 h即可，不需要將時(shí)效時(shí)間無謂地加長。

5 結(jié)論

通過對B7214TN6HVP4軸承外圈進(jìn)行硬車及時(shí)效處理試驗(yàn)，結(jié)果表明：

1）硬車加工會(huì)產(chǎn)生一定的切削應(yīng)力，但切削應(yīng)力不大，對于此型號的軸承，其外圈的變形量在微米級，車削應(yīng)力可忽略不計(jì)，用硬車代替粗磨可提高加工效率。

2）切削三要素中切削速度和進(jìn)給速度一定時(shí)，不同的背吃刀量下硬車時(shí)產(chǎn)生的切削應(yīng)力存在差異，對于試驗(yàn)軸承外圈，背吃刀量為0.1 mm時(shí)切削應(yīng)力最大，導(dǎo)致零件的變形量最大。因此，選取合適的切削參數(shù)會(huì)降低硬車時(shí)的切削應(yīng)力。

3）硬車產(chǎn)生的應(yīng)力變形在微米級，試驗(yàn)中背吃刀量最大已達(dá)到0.5 mm，其產(chǎn)生的應(yīng)力變形與背吃刀量為0.05 mm的變形量相比，均在微米級，差別不大，說明應(yīng)力變形與加工方式有很大關(guān)系。車加工依靠刀具的刀尖切削，只要保證刀尖鋒利，其切削產(chǎn)生的應(yīng)力變形會(huì)很小，在考慮加工工藝余量時(shí)，變形量可忽略不計(jì)。