残余应力对磨削的影响

残余应力对轴承套圈磨削变形的影响

顾立(铁姆肯(无锡)轴承有限公司江苏无锡214028)

摘要：针对薄壁类轴承套圈的磨削变形问题,从内应力的角度加以分析和讨论,提出以调整热处理工艺为主,调整磨削工艺为辅的方法,解决薄壁类轴承套圈的磨削变形问题。

关键词：轴承套圈、磨削变形、残余应力、淬回火工艺

Residual Stress’s Impact on Grinding Distortion of the Bearing Ring Abstrac t：With regard to the issue of distortion from grinding of the thin wall-thickness bearing rings, it is mentioned to go through analysis or discussion from the riew-point of internal stress. Conclusion is to take adjusting the heat-treat process as the main while taking adjusting the grinding process as the subsidiary. By this method we seek a final solution of the issue of distortion from grinding of the thin wall-thickness bearing rings.

Key words：bearing rings, distortion of grinding,residual stress, process of quenching and tempering.

1 引言

本公司是一家专门生产轴承的外资企业，生产国际品牌的调心滚子轴承。在生产过程中，经常出现套圈粗磨后直径变动量（V DP）超差，后道工序无法消除而报废的问题。检查结果为：①原材料质量符合美国ASTM A29 标准；②马氏体和残留奥氏体组织级别分别为1-2级，屈氏体级别＜1级，回火硬度HRC60-62，热处理变形满足JB/T 1255标准；③经过反复试验，排除磨削工艺参数不合理及设备问题的可能性；④套圈的磨削变形统计见表1

2.分析

从以上观察到的现象表明，产生磨削变形即不是材料和热处理质量指标不合格，也不是磨削设备及工艺方面造成的，经过仔细分析我们认为，内应力是造成套圈磨削变形的根本原因。

众所周知，具有内应力的零件，其内部组织处于一种不稳定的状态，它有强烈的倾向要恢复到一个稳定的没有应力的状态，即使在常温下零件也会缓慢、不断地进行这种变化，直到内应力消失为止。在这一转化过程中，零件的形状和原有的精度将受到影响。

本次磨削变形的应力源来自两个方面：

①热处理残余应力

套圈在淬火等热加工过程中，由于各部分厚度不均匀而造成冷却速度和收缩程度的不一致，以及金相组织转变的体积变化，都使套圈内部产生相当大的内应力。具有内应力的套圈在短期内看不出有什么变形，因为此时内应力尚处于相对平衡的状态。但在磨去某些表面层以后，平衡就被破坏，内应力重新分布，套圈明显地出现变形，甚至造成裂纹。

②磨削应力

首先，在磨削过程中，套圈表面层在切削力、切削热的作用下，也会产生不同程度的塑性变形和金属组织的变化所引起的体积改变，使工件表面层产生内应力。再次加工后，内应力重新分布，使套圈产生变形。其次，由于套圈壁厚较小，随着外径越大套圈的刚性越差，抗变形能力则越差,套圈尺寸结构的不合理,更容易造成磨削时变形增大。 因此,我们确定了解决磨削变形问题的步骤为:

● 了解套圈热处理应力的分布及大小； ● 进一步降低套圈的内应力； ● 解决磨削变形。

3. 试验方法及结果

3.1试验方法及测试条件 试验方法：

首先选外径80,100,110各两个热处理套圈,在套圈外圆每隔90o 选择一个测点，测点编号A 、B 、C 及D ，测试外圆表面环向残余应力。 测试条件：

采用X350A 型X 射线应力仪，测量参数为：管电压25kV ，电流5mA ，Cr 靶K α辐射，准直管直径2mm ，Fe(211)衍射面，2θ扫描范围147o ～165o ，扫描步距0.2o ，时间常数0.5s ，Ψ角0o ～45o ，应力常数 -318MPa/( o )。

残余应力的测试委托上海交通大学材料科学与工程学院进行，测试结果见表2。

②套圈磨削变形试验件数为50件(以下同).

3.2针对表2的测试结果,在不影响产品性能的前提下,对套圈淬回火工艺作调整(见表3),并进行应力测试和磨削试验,结果见表4。

表3

4.讨论

(1)1#与2#零件表面残余应力不同，1#为拉应力，2#为压应力，可能与取样的随机性有关。

测试结果证实，1#与2#零件表面残余应力幅度不大。

(2)3#与4#零件表面存在-509MPa—605MPa的残余压应力。可以推论，零件内部必然存在一

定拉应力与表面压应力平衡。

(3)5#与6#零件表面存在-414MPa—477MPa的残余压应力。需要说明，由于零件表面经过了

抛光处理，对X射线应力测试结果有所影响。

(4)从7#-12#这批零件的测量结果来看，通过调整淬回火工艺,表面残余应力都不是很高。不

过这些数据仍然可以说明一些问题，即随着回火温度的提高，最大拉应力与最小压应力都有所降低，即应力均匀性得到改善。

(5)当零件尺寸较大时，在淬火过程中很难确保整个零件冷却条件的均匀，从而导致不均匀的

残余应力分布。

(6)大尺寸零件在磨削过程中由于力矩较大，更容易造成零件的刚性变差,产生较大的塑性变

形.

5. 结论

①保护气氛淬火中,大都以零件表面产生压应力为主。同一批次、同一工艺参数的零件中有拉应力和压应力,这可能与零件的入油时的状态不一致有关(网带炉以自由落体方式进入油槽),因此,有压应力也有拉应力(如1#、2#).

②在不影响机械性能的前提下,应尽量提高回火温度和适当延长回火时间,达到既不影响零件

的机械性能、又能充分降低淬火内应力的影响、减少磨削变形的目的,对于解决薄壁类零件的磨削变形问题不失为一条简捷而有效的方法.

③通过增加磨削次数及增加粗磨后的稳定处理,也可以作为降低磨削变形的辅助手段。

参考文献: