磨削定位支承裂紋的形成原因及分析

楊俊生，葉健熠，夏謙，崔旋，胡敬原

(1.洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039；2.高性能軸承數字化設計國家國際科技合作基地，河南 洛陽 471039；3.河南省高性能軸承技術重點實驗室，河南 洛陽 471039)

1 磨削定位支承裂紋

1.1 磨削定位支承

磨削過程中對軸承零件起定位或支承作用的附件統稱為磨削定位支承，其作用是保證軸承零件在磨削時的姿態和轉動,從而保證磨削過程的順利進行。

軸承零件在磨削過程中常處于轉動狀態，一方面是為了形成軸承零件要求的回轉表面，另一方面是為了避免誘發磨削熱缺陷的時間敏感性[1]問題導致的磨削裂紋。

軸承行業常用臥式機床對軸承零件的內徑面、外徑面、滾道或溝道面以及擋邊等位置進行磨削，無論是中小型軸承零件磨削時采用的無心磁極吸附定位還是大型軸承采用的機械壓板式定位，均需在軸承零件的外表面設置輔助支承進行定位。其中，磨削定位支承與支承面相對運動，磨削定位支承處于運動副上。

1.2 磨削定位支承裂紋產生機理

1.2.1 磨削裂紋

磨削裂紋的產生原因為：在磨削過程中，砂輪與零件之間的非正常接觸導致砂輪的機械能大量轉化為熱能，從而誘發組織變化，在組織應力及其他應力的聯合作用下，局部拉應力大于材料的斷裂強度，在零件磨削表面形成裂紋。

在磨削裂紋的產生過程中，零件與砂輪的相對運動及接觸是砂輪動能到磨削表面熱能轉化的必要條件[2]，也是導致磨削裂紋產生的必要條件。

1.2.2 磨削定位支承裂紋

將磨削過程中由磨削定位支承與軸承零件的摩擦磨損而導致的裂紋定義為磨削定位支承裂紋。磨削定位支承裂紋的產生機理與由砂輪磨削導致的磨削裂紋的產生機理相似。在磨削過程中，軸承零件處于旋轉狀態，磨削定位支承與軸承接觸時必然會產生摩擦磨損，尤其是當磨削定位支承產生磨損后，初始摩擦阻力小的點接觸和線接觸逐漸累積并變成面積更大的接觸面，這時的接觸條件比鈍化的砂輪磨削時更惡劣，摩擦發熱導致組織變化從而產生高溫回火和二次淬火帶[3]。而且，當磨削定位支承的硬度高時，還會在接觸凸點產生機械應力集中，在組織應力和機械接觸應力的耦合作用下產生裂紋。

2 磨削支承裂紋案例及形貌特征

2.1 圓柱滾子外徑面磨削定位支承裂紋

某大尺寸的圓柱滾子經雙端面機床磨削[4]后的表面形貌如圖1所示：在滾動面出現磁粉探傷裂紋，裂紋繞滾子圓周方向平行分布，長度僅2 mm左右；滾子整體冷酸洗后可看到大量周向的黑色燒傷條紋，在2個箭頭之間的區域繞圓周分布，分析確定為摩擦造成的磨損變質帶；磨損變質帶的局部形貌中可以看到黑色變質層以及白色耐蝕變質層，這與由砂輪磨削導致的高溫回火層和二次淬火層相似；滾子進行切樣熱酸洗后，裂紋直接顯示出來，由此可以確定圖1a中微小的磁粉探傷顯示痕跡為裂紋。

圖1 圓柱滾子外徑面磨削定位支承裂紋的表面形貌Fig.1 Surface morphology of cracks caused by grinding positioning support of cylinder roller outer diameter surface

圓柱滾子通常采用雙端面機床進行平面磨削，磨削時先將料筒通過螺栓固定在料盤上，然后將滾子放入料筒內并將料盤旋入磨削區，砂輪在兩端對滾子端面同時進行磨削。磨削過程中，滾子外徑面與料筒內表面之間存在接觸和相對運動，導致滾子外徑面出現磨損變質層和細小裂紋，在料筒內表面也可以觀察到相應的磨損痕跡(圖2)。另外，圖1c中滾子酸洗變質區域的寬度與料筒寬度存在對應關系，因此可確認滾子外徑面上平行短線裂紋的產生原因是滾子與套筒的摩擦磨損，與文獻[5]的研究結果(裂紋和變質層產生原因為雙端面磨削中料套將滾子拉傷)一致。

圖2 雙端面磨削中的料筒Fig.2 Sleeve of paralled surface grinding machine

2.2 套圈端面磨削定位支承裂紋

雙端面機床磨削套圈時，套圈在進入磨削區之前(未發生轉動)由擋板對套圈端面進行軸向定位，進入磨削區后則由兩側砂輪垂直套圈端面的磨削力進行軸向定位。在套圈磨削完成后，若未停止旋轉就退出工作位置，套圈會因失去砂輪的軸向定位而發生歪斜，與擋板相互摩擦并造成磨損。

雙端面機床擋板對軸承套圈端面造成的磨損痕跡以及由此導致的裂紋如圖3所示，磨損痕跡沿圓周方向且與磨削痕跡有明顯區別。由磨損痕跡與磨削痕跡的交錯關系看，磨削紋路在磨損痕跡處突然中止，說明磨削在先，磨損在后[6]。與擋板上的磨損痕跡(圖4)比對分析可知，零件上的磨損和裂紋是其與擋板發生嚴重的摩擦磨損所導致，與上述分析一致。

圖3 軸承外圈端面磨損痕跡及裂紋(MT)Fig.3 Wear trace and crack on bearing outer ring end surface(MT)

圖4 雙端面套圈磨削機床擋板Fig.4 Dam board of paralled surface grinding machine

2.3 套圈外徑面磨削定位支承裂紋

2.3.1 套圈外徑面磨削定位支承類型

在臥式磨床對軸承套圈的磨削過程中，外徑面的輔助定位支承會使套圈產生裂紋。臥式磨床常見的定位支承類型有以下5種：

1)膠木支承。膠木支承耐磨損且不易對軸承支承面產生磨損，但是摩擦阻力大，容易使軸承磨削時產生停轉現象。

2)尼龍支承。尼龍支承不易對軸承支承面產生磨損，但尼龍塊自身磨損速度快，更換周期短，磨損嚴重時摩擦阻力過大會導致零件停轉或間歇轉動，從而引發嚴重的磨削事故。

3)合金支承。合金支承耐磨損，對軸承的運轉阻力小，但磨損后會使軸承的運轉阻力增大，并磨損軸承被支承位置。由于合金支承的硬度高，可將軸承被支承表面對磨的非常粗糙，甚至會出現機械性撕裂。

4)陶瓷合金復合支承。通常是在合金條上覆蓋陶瓷層作為陶瓷復合支承(圖5)，其硬度高，耐磨損，磨損后產生的結果與合金支承相似。

圖5 陶瓷條支承Fig.5 Ceramic bar support

5)小軸承支承。用小軸承外徑面作為支承進行磨削的示意圖如圖6所示，小軸承的承載力大，轉動阻力小，但整個結構需要一定的空間，且磨削液中混合的磨屑容易在小軸承處堆積，即使選用帶密封蓋的軸承，也會由于磨屑進入產生卡死失效而導致非正常接觸。

圖6 小軸承支承Fig.6 Small bearing support

在以上5種定位支承中，即使硬度最高、最耐磨的陶瓷合金復合支承，不僅陶瓷層被磨損，而且露出來的合金也被磨損，由其磨損狀態可知，由于軸承零件的硬度很高，上述所有支承材質均會在軸承磨削加工過程中產生磨損。支承發生磨損后，軸承零件與支承之間的接觸由理想的點接觸和線接觸變為面接觸，導致支承位置的摩擦阻力增大，從而使軸承被支承位置產生摩擦磨損、機械損傷，甚至出現變質層和裂紋。

2.3.2 套圈外徑面磨削定位支承裂紋案例

1)四列圓柱滾子軸承內圈的磨削過程中，其滾道面支承位置磨損后出現毛澀狀的磨損變質帶及細小的近似平行裂紋，如圖7所示。

圖7 四列圓柱滾子軸承內圈滾道面支承處的磨損及裂紋(MT)Fig.7 Wear trace and crack on raceway surface support of four row cylindrical roller bearing inner ring(MT)

2)調心滾子軸承內圈支承處的磨損和短小裂紋如圖8所示，磨損痕跡肉眼觀察不明顯，但經冷酸洗后可以看到黑色及白色的磨損變質帶，說明局部磨損嚴重。裂紋、酸洗變質形貌與雙端面機床磨削滾子時產生的裂紋和變質帶相似。

圖8 調心滾子軸承內圈外徑面處的磨損形貌(垂直磨損方向)Fig.8 Wear morphology on inner ring outer diameter surface of spherical roller bearing(vertical to wear direction)

3)調心滾子軸承內圈支承處的磨損和長裂紋如圖9所示，其與圖8為同一型號的軸承零件，區別是其磨損區域的寬度更大，裂紋更長且裂紋長度超出支承邊界處有輕微的擴展。

圖9 調心滾子軸承內圈外徑面處的長裂紋和磨損形貌(垂直磨損方向，MT)Fig.9 Long crack and wear morphology on inner ring outer diameter surface of spherical roller bearing(vertical to wear direction，MT)

4)調心滾子軸承內圈外徑面支承處的磨損狀態以及沿支承痕跡產生的周向裂紋如圖10所示，圖中可以觀察到磨損變質帶，其中部有輕微凹下去的磨損接觸線，裂紋沿著磨損凹線產生。磨損表面及裂紋通過酸洗磁粉探傷復合顯示的效果如圖11所示，將裂紋在箭頭右側的磁粉顯示痕跡擦除，可以看到裂紋完全沿著支承接觸產生的繞圓周方向的線性變質層分布，說明二者具有明顯的相關性。

圖10 調心滾子軸承內圈外徑面處的長裂紋和磨損形貌(平行磨損方向，MT)Fig.10 Long crack and wear morphology on inner ring outer diameter surface of spherical roller bearing(parallel to wear direction,MT)

圖11 圖10中的裂紋與支承痕的相關性(酸洗和MT復合)Fig.11 Correlation of crack and support trace(compound of pickling and MT)of fig.10

5)大型四列圓柱滾子軸承外圈外徑面處的支承裂紋如圖12所示，裂紋沿圓周方向分布。大型四列圓柱滾子外圈的特點是大而重，更容易導致軸承在磨削支承處產生摩擦磨損和裂紋。

圖12 大型四列圓柱滾子軸承外圈外徑面支承裂紋(MT)Fig.12 Support crack on outer diameter surface of large size four row cylindrical roller bearing outer ring(MT)

3 磨削定位支承裂紋形貌特征分類及鑒別

由上述分析可知，雙端面磨削產生的裂紋形貌都是固定的，而軸承套圈外徑面定位支承類型多樣，所產生的裂紋形貌變化較大，因此，著重對其進行分析。

3.1 磨削支承裂紋的形貌特征分類

3.1.1 裂紋方向

磨削定位支承裂紋的方向有垂直和平行磨損變質帶2個方向。

垂直磨損變質帶的磨削定位支承裂紋是磨損變質裂紋的主要形式，其與垂直于磨削方向裂紋的產生原因相似，主要受組織應力和切向接觸應力的影響。

平行磨損變質帶的磨削定位支承裂紋較少見，本質上屬于脆性材料被局部壓迫導致變形，塑性耗盡后被壓裂。磨損造成高溫回火變質帶，使變質帶區呈拉應力狀態，如果高硬度的磨削支承在某一點有應力集中而達到足以驅動塑性變形的程度，就會在塑性變形點產生巨大的拉應力，與高溫回火產生的拉應力疊加從而導致塑性變形點產生裂紋，裂紋產生后隨應力集中點的移動而繼續擴展，逐步演變為如圖10所示的周向裂紋。

3.1.2 裂紋長度

沿圓周方向平行于磨損變質帶的磨削定位支承裂紋的長度很長且不斷擴展；垂直于磨損變質帶的磨削定位支承裂紋基本上會局限在磨損變質帶的寬度范圍之內，或者裂紋主體在磨損變質帶之內，在磨損變質帶邊界外有輕微擴展。

3.1.3 裂紋分布密集程度

磨削定位支承裂紋的產生表明定位支承對軸承的摩擦磨損已達到很嚴重的程度。定位支承在對軸承造成磨損的同時自身也在不斷地磨損，最初理想的接觸點和接觸線逐漸變為面積越來越大的磨損面。定位支承磨損后，除增加摩擦阻力外，還會使軸承表面的單個點位在單次運轉圓周內的對磨長度增加，從而使磨損熱量累積，增加單位區域的組織拉應力，并在切向磨削機械接觸應力的疊加下在更小的范圍內產生裂紋，使裂紋密集化。簡而言之，裂紋密集表明摩擦磨損在單位表面更為劇烈。

3.1.4 裂紋分布特征

磨削定位支承裂紋的分布特征是局部的單條裂紋與局部磨損變質帶相關，而所有裂紋作為一個整體時則與整體磨損變質帶相關。由于軸承零件表面的磨損變質帶都是圓周運轉過程中受定位支承磨損而產生，因此磨損變質帶和磨削定位支承裂紋在整體上均處于定位支承范圍內，沿零件表面圓周方向分布在繞零件磨削轉動軸心的圓上。

3.2 磨削定位支承裂紋的鑒別

磨損變質帶在未經后續加工覆蓋時通常十分明顯，磁粉探傷狀態下裂紋與磨損變質帶的相關性也很明顯。磨損變質帶在批量生產中具有相對固定的位置，即使不與機床磨削定位支承的位置進行現場比對，也可以識別磨損變質帶是否由磨削定位支承導致。如果磨損變質帶的位置經過后續加工覆蓋，可以用酸洗的方法顯示磨損變質帶后進行識別。

4 結束語

磨削定位支承裂紋產生的根本原因是軸承磨削定位的特殊性，即軸承零件與定位支承之間存在相對運動。位于運動副上的定位支承難以避免摩擦磨損問題，從而進一步導致機械損傷、組織變化以及裂紋，這都是非常自然的過程。

文中僅分析了軸承零件在3種加工情形下的磨削定位支承裂紋，從磨削定位支承裂紋產生的原理推論，軸承加工中的所有運動接觸副都有產生磨削定位支承裂紋的基礎。磨削定位支承在磨削過程中的作用與軸承在機械中的作用類似，磨損不可避免，潤滑自然也是必要的，但是磨削液的潤滑作用被忽視是一個比較普遍的問題，同時，為避免磨削定位支承嚴重磨損后對軸承被支承面造成損傷，有必要對磨削定位支承的狀態進行監控，磨削時的肉眼觀察和酸洗是有效的措施。