淬硬軸承鋼硬車削和磨削輔助加工技術研究

孫富建，陳金龍，韓濤，肖罡，李時春

(1.湖南科技大學 a.難加工材料高效精密加工湖南省重點實驗室;b.機電工程學院，湖南 湘潭 411201；2.洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039)

軸承是機械設備的重要零部件，主要功能是支承機械旋轉體，降低其運動過程中的摩擦因數，并保證其回轉精度[1-2]，廣泛應用于高檔數控機床和航空發動機等高端設備[3]。軸承加工精度直接影響主機的性能，硬車削和磨削是軸承加工的重要工藝，硬車削主要存在刀具壽命短，不易斷屑，對機床性能要求高，加工精度低等問題，磨削主要存在成本高，工件易燒傷，廢液難處理，粉塵危害大等問題[4]。針對上述問題， 發展出了許多輔助加工技術，在此介紹了這些輔助加工技術， 并展望了未來的發展趨勢。

1 淬硬軸承鋼硬車削輔助加工技術

1.1 熱效應輔助技術

熱效應輔助硬車削加工技術是使用激光、等離子、電脈沖等產生的熱效應使切削區域溫度升高至合適溫度再切削的一種輔助加工技術[5]。文獻[6]借助導電加熱技術切削淬硬軸承鋼,原理如圖1所示，加工表面粗糙度Ra值達到0.25 μm；文獻[7]借助電脈沖技術切削淬硬軸承鋼，原理如圖2所示，主切削力比傳統方式降低了13%左右，加工硬化作用降低了41%，加工表面粗糙度Ra值達到0.96 μm；文獻[8]借助電火花技術切削淬硬軸承鋼，合適的電極材料能提高表面加工質量及生產效率。

1—電刷；2—電脈沖發生器；3—絕緣層；4—車刀。

1—電刷；2—電脈沖發生器；3—工件；4—電刷；5—車刀。

電加熱和電脈沖輔助加工技術是利用電致塑性效應改善工件的塑性變形能力，減小加工硬化，提高工件加工質量，設備簡單，造價低，操作方便。電火花輔助加工技術對于復雜工件的加工更具優勢。上述加工方式提高了刀具壽命、工件表面加工質量及切削性能，但需通過試驗精確控制工件加熱溫度，電火花加熱還需考慮電極磨損問題，對電極材料的選擇還需進一步研究。

1.2 冷效應輔助技術

冷效應輔助硬車削加工技術是利用冷卻介質降低切削區溫度的一種輔助加工技術，原理如圖3所示，一般采用液氮、二氧化碳、切削液等作為冷卻介質。文獻[9]在低溫二氧化碳輔助下切削AISI 52100軸承鋼，切削區溫度明顯降低，刀具使用壽命提高約20%；文獻[10]發現低溫二氧化碳輔助下可以實現GCr15薄壁軸承套圈的切削,表面粗糙度Ra值達到 0.233 μm；文獻[11]提出采用液氮冷效應輔助硬車削加工技術切削AISI 52100軸承鋼，刀具壽命提高了5～6倍，且有助于降低機床能耗，適用于節能、環保的發展要求；文獻[12]分析了多種冷卻輔助硬車削加工技術的工件殘余應力，如圖4所示，加入冷卻介質會使工件的殘余應力增加；文獻[13]采用間接低溫冷卻和最小量潤滑的輔助硬車削加工技術，延長了刀具壽命，表面粗糙度Ra值達到0.12 μm；文獻[14]分析了銅納米流體冷卻輔助硬車削加工技術，加工表面質量更好。

1—工件；2—冷卻介質；3—車刀。

圖4 多種冷卻方式下的工件殘余應力

冷效應輔助硬車削加工技術降低了切削區溫度，減少了刀具磨損，提高了工件表面加工質量。此外，選用清潔的的冷卻介質，在提高潤滑性能的同時減少了對環境的污染。但冷卻會使工件殘余應力增加，液氮、二氧化碳等冷效應輔助技術還需配備專業設備，冷卻介質也可能會對機床、刀具及工件造成損傷。

1.3 超聲輔助技術

超聲輔助硬車削加工技術是沿特定路徑(通常為主切削力方向)對刀具或工件加入有規則的、可控振動的一種輔助加工技術，原理如圖5所示。文獻[15]發現合適的超聲振動參數可以使工件表面不產生易導致脆性剝落的白色層，且能獲得更佳的殘余應力；文獻[16-17]發現在超聲輔助硬車削過程中刀具和工件會發生有規律的分離和接觸，減少了刀具和工件的接觸時間，降低了加工時的摩擦力、切削熱和切削力；文獻[18] 發現超聲輔助硬車削加工技術工件殘余應力平均增加了73.34%，殘余應力主要由刀具和工件的分離時間決定，降低工件轉速和增大振幅可以增加分離時間，從而增大殘余應力；文獻[19]發現超聲振動強度對工件殘余應力影響較大；文獻[20]通過建立仿真模型分析了超聲輔助硬車削加工技術加工工件的表面性能，發現該技術對工件表面粗糙度影響較大。

1—工件；2—超聲振動方向；3—車刀。

超聲輔助硬車削加工技術可顯著提高工件表面的加工質量和刀具壽命，切削力小，切削難加工材料時效果顯著。但該技術會對刀具造成一定損傷，需選擇合適的刀具及控制好加工參數。

2 淬硬軸承鋼磨削輔助加工技術

2.1 超聲輔助技術

超聲輔助磨削加工技術是在磨削加工中加入高頻超聲振動的一種輔助加工技術，如圖6所示，振動形式主要有2類：1)單方向的振動，如軸向振動(圖6a)、徑向振動(圖6b)、切向振動(圖6c)；2)切向加軸向振動(圖6d)和切向加徑向振動(圖6e)。徑向振動使砂輪對工件間歇性加工，具有較好的切削能力和散熱能力，切削力較小；軸向振動使砂輪對工件的同一位置重復磨削，提高了工件加工質量；2個方向的振動綜合了1個方向振動的優勢，加工效果更好[21-23]。

圖6 超聲輔助磨削加工技術

文獻[24]建立了超聲輔助磨削的磨削力模型，施加合適的超聲振動參數，可以得到合適的磨削力，進而提高工件加工質量和刀具壽命； 文獻[25]分析了超聲輔助磨削加工技術氧化鋁砂輪的磨損情況，超聲輔助技術可以提高砂輪的耐磨性及其對工件的磨削能力；文獻[26]進行了超聲輔助磨削試驗，超聲振動可以減少砂輪磨損，提高工件表面的加工質量；文獻[27]發現超聲輔助磨削會使工件表面產生較大的殘余應力，試驗裝置如圖7所示；文獻[28] 分析了斜向超聲振動輔助磨削對工件加工質量的影響，超聲振動方向與砂輪軸向的角度為67.5°時工件表面粗糙度Ra值最低；文獻[29] 采用超聲輔助磁性研磨AISI 52100鋼，表面粗糙度Ra值達到22 nm。

圖7 超聲輔助磨削試驗

超聲輔助磨削加工技術可以顯著提高砂輪壽命，降低磨削力、工件表面粗糙度及磨削溫度，改善工件表面波紋度，但要設置合理的參數以減少超聲振動對砂輪的損傷，且要選擇合適的超聲振動方向。

2.2 冷效應輔助技術

冷效應輔助磨削是在傳統磨削中加入冷卻介質的一種輔助加工技術。文獻[30-31]采用低溫風冷及納米粒子流冷卻技術進行磨削試驗，獲得了較好的冷卻性能，改善了工件表面形貌，減小了法向摩擦力；文獻[32]采用壓縮冷卻空氣和固體潤滑劑輔助磨削，無冷卻液，更環保，有效提高了砂輪壽命，可使磨削溫度降低至普通磨削的1/3。

冷效應輔助磨削加工技術可以提升潤滑性能，降低磨削區溫度以及提高砂輪壽命，由于綠色加工的理念，應選擇干式或半干式磨削。在冷效應輔助磨削加工技術里還沒有使用二氧化碳、液氮等冷卻效果更好的冷卻介質，后續有待進一步研究。

2.3 在線電解修整砂輪輔助技術

在線電解修整砂輪(ELID)輔助磨削加工技術是利用了電解液電解砂輪表面來保持砂輪的銳利性的一種輔助加工技術，如圖8所示。電解后砂輪表面會產生氧化膜，氧化膜磨損后，再次發生電解，實現砂輪的自動修銳。

1—電極；2—電解液；3—電刷；4—砂輪；5—工件；6—電磁吸盤。

文獻[33]提出在普通外圓磨床上實現了軸承鋼的ELID外圓磨削，表面加工質量明顯提高，但需要選擇粗磨粒的CBN砂輪來提高加工效率；文獻[34-36]分析了ELID輔助磨削加工技術各參數對軸承滾道表面粗糙度的影響，選取最佳工藝參數可使工件表面粗糙度達到12 nm ，且可以減少磨削燒傷或裂紋等。

ELID輔助磨削加工技術砂輪磨削時可對其自動修銳，避免砂輪堵塞，提高了工件的加工質量，符合越來越高的加工精度要求。但設備昂貴，技術要求高，前期投入大，且僅適用于金屬結合劑的超硬磨料砂輪。

3 結論

1)硬車削輔助加工技術的切削液帶走了大部分切削熱，工件熱損傷較少，提高了軸承套圈滾動接觸疲勞的失效進程。同時，在減小切削力，降低切削區溫度，改善加工硬化等方面效果顯著，提高了刀具使用壽命及套圈表面加工質量(表面粗糙度Ra值達到0.12 μm)。

2)磨削輔助加工技術可顯著減小磨削力，提升潤滑性能，降低工件表面粗糙度，改善工件表面波紋度。

4 展望

1)軸承鋼硬車削和磨削輔助加工技術的研究較少，且大多基于試驗結果反推其加工效果，成本較高，后續有待建立能夠更加準確預測輔助加工技術效果的數學和仿真模型。

2)單一輔助加工技術存在著一定的局限性，采用多種輔助加工技術組合或添加超精加工技術(超聲滾壓、激光沖擊等)有望得到更好的效果。

3)針對輔助加工技術的研究不足，后續有待做更深入的研究，如導電對軸承鋼塑性的影響，表面強化技術和輔助加工技術組合使用對加工效果的影響。

4)淬硬材料的硬車削和磨削輔助加工技術還有等離子加熱輔助硬車削加工技術、在線激光修整砂輪輔助磨削加工技術等，有必要研究這些技術在軸承鋼材料上的應用。

淬硬軸承鋼的硬車削和磨削輔助加工技術大多仍在研究試驗階段，還需要高校、科研院所和企業展開更深入的產學研合作，促進相關技術的落地和產業化發展。