轴承磨削烧伤与裂纹鉴别、原因分析及预防

轴承零件磨削烧伤和裂纹的鉴别、原因分析及预防

一.概述

轴承套圈在磨加工中，由于磨粒对工件的切削、刻划和摩擦作用，使金属表面产生塑性变形，由工件内部金属分子间相对位移产生内摩擦而发热；砂轮切削时，相对于工件的速度很高，与工件表面产生剧烈的外摩擦而发热，又因为每颗磨料的切削都是瞬间的，其热量生成也在瞬间，又不能及时传散，所以在磨削区域的瞬时温度较高，一般可达到500～1200℃，如果散热措施不好，很容易造成工件表面的烧伤，在工件的表层（一般有几十微米几百微米）出现变质层，破坏了工件表面的组织，甚至出现肉眼可见的严重的烧伤。

酸洗后烧伤呈黑色，这种烧伤产生的温度在回火温度以上到临界点Ac1之间，大约在200℃~740℃之间。低于轴承钢的回火温度不会产生烧伤。二次淬火烧伤又称“白烧伤”，冷酸洗后烧伤呈亮白色，这种烧伤产生的温度范围在钢的临界点Ac1以上。

磨削烧伤在金属表层会产生很大应力，因而在烧伤处有时会出现裂纹，这种裂纹成为磨削裂纹。通常情况下，磨削裂纹非常细小，肉眼观察无法发现，必须采用专用仪器才能将其区分。

磨削烧伤对轴承寿命影响非常大，有数据表明，有烧伤的轴承工作寿命仅为几小时到几十小时，仅为设计寿命的10%左右。

所以鉴别烧伤和裂纹，并采取有效措施减少或避免磨削烧伤和裂纹就显得尤为重要。

1、磨削烧伤和磨削裂纹的几种鉴别方法

1.1冷酸洗法鉴别磨削烧伤

滚子磨削烧伤用冷酸洗法鉴别，见图1和图2。由图1a)可见，滚子经冷酸洗后，外径有暗黑色宽带，这些宽带是由于工件在磨削时产生的高温回火烧伤，马氏体组织发生分解，析出碳化物，使金属表面不耐腐蚀。图1b)是回火烧伤的金相图。图2为滚子端面在磨削时产生的二次淬火烧伤（箭头所指的白亮区）。这种烧伤温度已经超过钢的临界点Ac1，大约在800℃以上。原来的马氏体组织被重新加热转变成奥氏体，随后快冷被淬火。在白亮区边缘被黑色带包围，这层黑色区属于高温回火烧伤区。

a)滚子磨削高温回火烧伤b)套圈磨削高温烧伤组织图

图1高温回火烧伤

1.2用显组织和显微硬度鉴别磨削烧伤

用显微组织鉴别磨削二次淬火烧伤见图3,。图片从右向左是工件表层向内部逐步过渡的组织，最外层白亮区是二次淬火马氏体，硬度在800HV，见图5；中间层为高温回火烧伤区；左边是心部非烧伤区。

图4为磨削过程造成高温回火烧伤的显微组织，在不同位置测定显微硬度。可以明显看出，表层暗黑色高温回火区硬度较低，压痕较大，而心部硬度较高，压痕较小，中间过渡区也很介于二者之间。

图5是一个典型的在磨削过程中造成二次淬火烧伤的硬度变化曲线。由图可以看出：表层到30μm深处，硬度在500HV以上，说明这层组织为二次淬火马氏体；从30~75μm硬度急剧下降，这层组织为二次淬火烧伤向高温回火烧伤过度的区，到75μm硬度最低，仅为450HV，组织由回火屈式体构成；随后出现一个拐点，硬度在逐步升高，到深度375μm以后硬度才达正常。从75~375μm是高温回火烧伤区。从显微硬度变化曲线不难看出，磨削烧伤层深度为375μm。

1.3用磁力探伤法鉴别磨削裂纹

用磁力探伤法鉴别磨削裂纹是生产中广泛应用的一种有效方法，它不仅用于磨削裂纹检查，而且还能发现别的表面缺陷。磁力探伤原理是将大电流通过线圈和电磁铁而产生强大磁场，磁力线通过被检的轴承零件，如果零件表面有裂纹，则在磁极的两极，磁力线就不连续。若把零件放到磁性铁粉中，则在磁极的两极处吸附大量铁粉，使裂纹形象扩大而被识别。

磁力探伤显示的磨削裂纹如图6所示。这种裂纹非常微小，不经磁力探伤，肉眼根本无法发现。应该注意的是，磁力探伤仅能发现磨削裂纹，而对磨削烧伤却无能为力。

1.4用热酸洗界别磨削烧伤

磨削烧伤会使工件表面产生很大的拉应力，这种应力在热酸洗的情况下会议裂纹的形式暴露出来。用50%HCl溶液，加热到50℃~70℃，保温20~30min，磨削裂纹如图7、图8、图9所示.

磨削裂纹的特征是裂纹位于磨削烧伤表层，裂纹呈细微网状或与磨削纹路相垂直方向分布，有时也可延伸到金属内部，裂纹边缘无脱碳。

图9和图10是同一轴承内圈，在其内经用不同的酸洗方法所显示的不同形貌，比较图9和图10可以清楚地看出，冷酸洗仅能显示磨削烧伤，而热酸洗才能暴露磨削缺陷的全貌。

2.关于磨削烧伤热酸洗裂纹问题的讨论

磨削烧伤裂纹通常用肉眼和冷酸洗很难发现，热酸洗后却特别明显，见图7、8、9，因此有人怀疑热酸洗后的裂纹不是磨削烧伤造成的，而是热酸洗造成的。可以肯定地说，磨削烧伤会在工件表面产生很大的拉应力，这种应力有时在工件磨削后就已经形成裂纹。磁力探伤发现的裂纹就是这种裂纹。热酸洗会使这种裂纹进一步扩展。另一种情况是烧伤工件还未形成裂纹，在随后的热酸洗形成应力腐蚀裂纹。这种应力以龟裂纹形式显露出来，如果将烧伤试件进行600℃高温回火，把磨削应力充分消除，再进行热酸洗就没有裂纹显露。

原苏联工具钢专家IO.A盖尔列在工具钢一书中，分析工具钢在淬火后磨削烧伤时，测试磨削应力结果如图11所示。由图可见，用X射线测得磨削应力最高可达900~1000N/mm2。磨削应力分布在表层深度为0.15mm.

以上讨论说明，磨削应力是客观存在的，会对轴承带来很大隐患，甚至导致轴承轻微受力就会断裂，引起轴承早起疲劳破坏，严重影响轴承使用寿命。

需要说明的是，在同一工件上，无烧伤的磨削表面热酸洗未有裂纹。因此可以说，磨削烧伤热酸洗裂纹实际上是磨削应力线路的一种形式。

4、结论

（1）通过以上分析和讨论可以看出，冷酸洗法是检查磨削裂纹的一种有效方法。冷酸洗方法简单，成本地、低，操作容易，可靠性高，适合生产应用。

（2）磁力探伤法是发现磨削裂纹的有效方法，但是他对烧伤无法显示，也就是说不能用它来检查磨削烧伤。

（3）纤维组织和显微硬度法是用来鉴别磨削烧伤和磨削裂纹的最科学方法，可以从本质上揭示磨削烧伤和磨削裂纹的基本规律，但它只适合质量鉴定之用，不适合生产检测。

（4）热酸洗法使磨削应力得到充分释放，能够更直观地显示磨削应力裂纹的形貌特征。

二、轴承磨削烧伤的原因分析

1、轴承磨削烧伤的一般原因分析

在实际生产中有以下具体因素可造成烧伤：

（1）工艺系统振动、机床振动和液压系统压力不稳。在振动瞬间会增大磨削量，造成烧伤，此时烧伤沿工件表面呈振纹分布，也叫振纹烧伤。振文烧伤的类型如下图所示

（2）砂轮修整不良、使磨料不锋利，造成烧伤，此时烧伤沿砂轮磨痕分布，也叫划痕烧伤。（3）无心夹具吸力不足或支承松动，工件会产生瞬间滑动，会引起烧伤。

（4）磨削量不均匀，磨削厚度不一致，会产生局部烧伤。

（5）砂轮过硬，进给量过大、工件转速过高（工件速度过高会降低砂轮的切削能力）会使工件表面产生均布烧伤。

2、各磨削工序产生的磨削烧伤原因分析

2.1平面磨削：

平面工序如在立式单头磨床上磨平面时，在正确执行操作规范的情况下，有以下几种因素会引起烧伤。

a.砂轮轴窜动，增大瞬间磨削量引起烧伤；此时须紧砂轮轴轴承或更换轴承。

b.工作台磁盘跳动或转速不均匀，增大了瞬间磨削量引起烧伤；须检修磁盘减速器的各种组件如蜗轮、蜗杆等、更换磨损件。

c.磁盘磁力小或断磁，这会使工件在磁盘上打滑、引起烧伤；检修，应调整充、退磁线路。

d.往复行程定位不灵，若行程开关接触不好或往复减速器组件磨损，蜗轮、蜗杆机构不能自锁，会使拖板里冲、撞击、跳动而造成烧伤。

在双端面平面磨床（如M7675系列）磨削，有以下原因会造成烧伤：

●送料导板磨损，不平直，送料不均匀；

●导板与砂轮工作面不平行；

●砂轮端面进口太小,使砂轮外缘承担大部分切削量,而砂轮变钝。

2.2外圆磨削

无心式外圆磨床如M1083，一般有以下几种特殊情况：

●进刀托板爬行、冲刀、使进刀量忽然增大引起烧伤；须调整楔铁、清洗润滑拖板或刮研导板、检修丝杠、丝母，更换磨损件。

●火花没调整合适，在入口处磨削过多，前端易烧伤，在出口处磨削过多则工件呈螺旋形痕迹。

●进刀量过大或电器元件接触不良，会使热继电器在工件中跳闸，而使零件停顿，此时应快速退刀。

2.3内圆磨削

内径工序在磨削时砂轮与工件的接触弧较长，产生的热量较多；冷却液不易喷射到磨削区域、散热条件差；排屑困难，易堵塞砂轮，这些都是造成磨削高温的原因，所以冷却液必须充分有效，砂轮要及时有效修整。像MZ208系列内圆磨床，其砂轮修整得补偿机构必须可靠，否则会发生因修整不到砂轮面造成烧伤。因这类机床补偿机构是靠滚子磨擦传动来来实现的，不能确保每次都得到相同的补偿量，目前较多的情况是将补偿机构由滚子磨擦机构改为步进电机机构。

2.4沟道磨削

对摆头磨削，其砂轮的自锐性要强，一般用橡胶结合剂砂轮，因为在磨削区域的高温下，橡胶结合剂易老化变脆，变钝的磨粒在摆动下易脱落，因此，应使砂轮经常保持锋利。对切入磨削来讲，其砂轮保持形状的性能要强，一般用较硬的砂轮，其自锐性较差，所以要经常有效修整，且冷却液要充分。对外沟工序来讲，是最易引起烧伤的工序，冷却充分尤为重要；另外由于砂轮

表面转速不同，造成砂轮磨损程度不均匀，要求其修整效果要好，修正器旋转速度均匀、平稳、补偿机构要可靠，同时金刚石要锐利，笔尖位置应低于砂轮中心1～2mm，否则在修整时易引起振动，影响修整效果。

三、磨削烧伤的预防

由于烧伤是磨削区域产生大量的热量而又未及时散发造成的，因此避免烧伤必须减小热量的产生，加速热量的散发，也就是减小磨削时的内、外摩擦，且使工件得到充分有效的冷却。对冷却液来讲，其成分浓度要合适，流量、压力要充分，确实起到清洗作用（冲刷砂轮及工件的摩擦，冷却和润滑作用）。

减少摩擦热的产生，最终是要减少磨削时的内、外摩擦，这要综合考虑以下几方面的因素：

●减小磨削厚度，使金属塑性变形减小，内摩擦减小，从而减少磨削热；

●提高工件转速，工件磨削表面通过磨削区域的时间缩短，可减少磨削热的聚积；

●选择合适的砂轮，并进行精密修整

从砂轮特性来讲，磨料硬度高，则切削性能好，可减少发热，但磨料硬度不可太硬，组织不能太细，否则磨钝的磨料不易脱落，磨料间微孔易塞实而使砂轮降低切削性能，并增加工件与砂轮的接触面积，在工件表面强烈挤压，摩擦导致温度增高。

因此为避免烧伤且保证磨料效率、工件精度，在粗磨时刻采用硬度低、组织号大的砂轮，选用较大的磨削厚度；在终磨时选用较硬的，组织号较小的砂轮，保证有效修整砂轮，并选用较小的磨削厚度；对于磨削强度高、硬度高和导热性差的材料，易采用较小的进给量，提高工件转速，可有效避免烧伤。