探究關節軸承磨削裂紋產生的原因與對策

鄭志耀

摘 要：文章結合生產實例，探究關節軸承套圈磨削裂紋產生的原因，提出防患措施，防止磨削裂紋產生。

關鍵詞：關節軸承套圈；磨削裂紋；原因；對策

中圖分類號：TG52；TG71 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）21-0109-01

1 關節軸承

關節軸承屬于滑動軸承，由一個外球面內圈和一個內球面外圈組成。一般用于低速重載的擺動運動、傾斜運動和旋轉運動。相對于滾動軸承，其結構簡單，體積小，承載能力大，廣泛應用于工程機械、重型汽車、農業機械、航空航天、礦山冶金、印刷、紡織、鐵路、船舶等領域。近幾年關節軸承應用領域不斷延伸，在建筑、橋梁上也大量使用。

關節軸承使用材料Gcr15、Gcr15SiMn高碳鉻軸承鋼。關節軸承生產，一般經鍛造、退火、車加工、熱處理（淬、回火）、磨削加工等工序，磨加工是后道工序。經過淬火的高碳鉻軸承鋼，在磨削過程容易產生磨削裂紋，這在日常生產和質量處理中常會發生。磨削裂紋形狀特別，僅發生在磨削面上，與淬火裂紋在宏觀上觀察明顯不同，磨削裂紋深度較淺，其深度大致為0.05～0.20 mm。用酸浸蝕后裂紋更加明顯易見，如圖1和圖2所示。較輕的磨削裂紋垂直于或接近垂直于磨削方向呈平行分布，稱之為第Ⅰ類裂紋。較嚴重的裂紋呈龜甲狀，稱之為第Ⅱ類裂紋，習慣上叫做龜裂。磨加工過程，一旦出現磨削裂紋，往往造成批量的廢品，損失嚴重；有些磨削裂紋很細小，不易被發現，一旦流入客戶手中，將造成嚴重的后果，是致命的缺陷。因此，研究磨削裂紋的產生原因，并采取防患措施，避免其發生，具有十分重要的意義。

2 關節軸承套圈磨削裂紋的產生機理

關節軸承經熱處理淬火后，再進行磨削加工，磨削時砂輪的切削速度很高，砂粒與工件表面因劇烈摩擦而發熱，如果冷卻液供給不充分，磨削產生的熱量不能快速擴散，溫度快速降低，則在磨削區域的瞬間溫度可高達800～1 000度，這么高的溫度勢必造成工件表面的溫度過高。工件表面的瞬時溫度很容易導致工件表面燒傷。

除此之外，高碳鉻合金（軸承鋼材質）組織在高溫下，必然再次奧氏體化，在冷卻過程中又轉變為比容較大的馬氏體，這種情況和鋼在淬火時的加熱、冷卻過程一樣，勢必產生熱應力和組織應力。當應力大于鋼的抗拉強度極限時，就會導致磨削裂紋產生。由于磨削層很薄，且瞬間磨削區域很小。形成的裂紋較淺。一般磨削裂紋深度在0.05～0.2 mm，用酸腐蝕時，裂紋明顯可見。因此高磨削熱是產生磨削裂紋的根源。

3 分析磨削裂紋產生的原因

根據磨削裂紋產生的機理，高磨削熱、磨削熱不能快速擴散、材料抗拉強度低。圍繞這3點，結合加工的經驗，從來料、磨削加工方面進行分析，找尋磨削裂紋產生的原因。

3.1 來料（待磨加工的套圈）質量

關節軸承套圈進入磨削加工前，需經原材料準備、鍛造、退火、車加工、熱處理（淬、回火）工序。這些工序一旦沒有控制好，勢必影響到材料抗拉強度。

①鋼材本身成份均勻性差，影響到材料抗拉強度；

②鍛加工如果停鍛溫度偏高，冷卻過慢，組織過熱形成粗大封閉的二次碳化物網，碳化物網較脆，造成套圈抗拉強度低；

③車加工尺寸控制不好，橢圓、錐度大的部位，在磨削時會加劇磨削熱，使溫度瞬間升高；

④淬火回火組織級別過高，其馬氏體針狀越粗，材料的韌性下降，淬火加熱溫度高和保溫時間長，將導致熱處理產品發生較大的變形，這也可能間接產生磨削裂紋等。

另外，時效不夠，連續疲勞作業，應力來不及釋放，影響材料抗拉強度等。

3.2 磨削加工方面

①進刀不穩，一次進刀量過大。

進刀速度過快，不穩，容易使磨削區域溫度瞬間升高，造成磨削裂紋。根據經驗手動進給的半自動內圓磨床、搖擺式的球面磨床、立式的平面磨、無形磨床加工，最容易產生磨削裂紋，占到磨削裂紋50%。

②砂輪選用不當。

砂輪硬度選擇太高。自脫性差，鈍化的磨粒不易脫落，使砂輪與工作表面的摩擦作用增強；砂輪級別號選擇過小，磨粒間的容屑空間小，砂輪屑易被堵塞，影響切削性能。這2種情況都會導致磨削過程嚴重發熱。

③機床壓力不穩定，跳動大，加劇磨削熱。

④切削液未冷卻到位，磨削熱不能快速擴散，使磨削區域的溫度瞬間升高。

⑤使用的工裝、支撐塊太硬，太尖，劃傷套圏的表面，嚴重產生裂紋。這也是造成磨削裂紋的一種。這種情況在磨削裂紋時容易遺漏。前不久，筆者公司就發生一起這方面質量事故，磨GEZ101XS/K（S）.01球面時，支撐架刮傷套圈的外徑表面，產生外徑磨削裂紋。

⑥磨削不規范，如工件轉速過慢，這也不利于磨削熱快速擴散。在大型號圈套加工中，這種情況較突出。

還有，金剛筆鈍、砂輪沒有及時修整，也會影響切削性能，導致磨削過程發熱嚴重。

4 采取的措施

根據磨削裂紋產生的原因，采取如下的應對對策，來避免其發生。

①原材料方面：把好原材料的質量關。對成分不均勻、夾雜物超標、顯微裂紋、碳化物形態及其分布不良的原材料，要嚴禁投產。

②鍛造時，嚴格按加熱、冷卻規范進行，控制好鍛造加熱溫度及鍛后冷卻速度，杜絕鍛造過熱、過燒及網狀碳化物產生。

③退火工序要嚴格把關，避免過熱或欠熱退火組織產生，確保工件淬火前具備良好的金相組織、狀態。

④車加工要確保加工的尺寸、精度。

⑤熱處理方面：

其一，產生磨削裂紋的根本原因在于淬火件的馬氏體組織是一種膨脹狀態，有應力存在，要減少和消除這種應力，應進行去應力回火即淬火后應馬上進行回火處理。

其二，第一種磨削裂紋是工件在快速加熱至100 ℃左右，并迅速冷卻而產生的。所以，為防止這第一種磨削裂紋，工件應在150～200 ℃左右回火。第二種磨削裂紋是工件在磨削中繼續升溫至300 ℃時，表面再次產生收縮而產生的。

所以，為防止這第二種磨削裂紋，則應將工件在300 ℃左右回火，回火時間必須在4 h以上。應該注意工件在300 ℃回火時會使工件硬度下降，有時不宜采用。

其三，有時經過一次回火后仍可能產生磨削裂紋，這時可以進行二次回火或人工時效，這個方法非常有效。

⑥磨加工方面：

其一，在條件允許的情況下，可以考慮采用以車代磨的工藝。特別是大型號關節軸承，如內徑d>φ300，外徑D>Φ430 mm的向心關節軸承產品；或厚薄相差較大推力關節軸承、角接觸關節軸承。

其二，合理選擇磨削進刀量，多遍磨，以降低磨削熱的產生。

其三，采用良好的冷卻措施，如加大磨削液流量、提高噴射壓力、改進噴嘴結構、噴霧冷卻等，以保證磨削液能最大限度的進入磨削接觸區并帶走大部分磨削熱量。適當提高磨削液溫度，以降低熱應力產生.

其四，合理選用砂輪硬度和粒度，并及時進行工作面修整，以減小磨削熱和磨削應力。在質量可達要求的前提下，可以選用硬度較軟、粒度較粗的砂輪來磨削。

其五，熱處理剛出爐的工件，必須待工件自然冷卻后（冷卻到常溫）才能進行磨削。如果在時間允許的情況下，最好讓工件自然時效1～2個月，消除應力后再進行磨削，這也會收到很好的效果。

其六，大型號的套圈在磨削過程，可以考慮增加一道互加回火，消除套圈磨削產生的殘余應力。

其七，避免注意使用的工裝、支撐塊，太尖硬，劃傷套圏的表面，造成裂紋。

5 結 語

總之，只要我們在原材料質量方面、鍛造、車加工、熱處理、磨削加工方面加強控制；針對磨削裂紋出現時，表面必定存在有磨削燒傷這一現象，在磨削過程，通過加強工件冷酸洗檢查，便可以有效地防止磨削裂紋的產生。

參考文獻：

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