轴承套圈表面残余应力与变质层的形成机理

轴承套圈磨削表面残余应力与变质层的形成机理 摘要：本文主要分析了轴承套圈表面残余应力与变质层的形成机理，分类及具体分析，以确保轴承加工质量。 关键词：残余应力；塑性变形；热应力；相变应力；变质层；磨削液 1.磨削表面残余应力的形成机理 磨削表面残余应力主要由磨削时的塑性变形、热应力和相变应力三者综合作用所形成，其中热应力的影响最大。 1.1塑性变形 磨削时，由于砂轮磨粒微刃在很多情况下，具有大的负前角，导致工件表层材料的局部塑性变形非常严重。在磨粒微刃划过的表面部分上，沿磨削方向产生压缩塑性变形，从而产生拉应力；而在垂直于磨削方向出现拉伸塑性变形，从而产生拉应力。 另外，砂轮作用于被加工表面的法向分力和由此产生的摩擦分力一起对被加工表面产生挤光作用。当磨料微刃不锋利或切削条件恶劣时，挤光作用的影响更为明显。挤光作用会使得磨削表面产生压应力。 1.2热应力 磨削时，由于强烈的挤压塑性变形与摩擦而产生很大的摩擦热，致使工件表层材料与基体材料产生很大温差。温度高的表层材料由于体积膨胀，会收到温度低的基体材料的阻碍，从而产生压应力。当表层应力超过材料屈服极限时，将使表层材料发生压缩塑性变形。磨削完毕后，当表层温度下降至与基体材料温度一致时，材料体积又收缩，再受到基体材料的牵制，因而使表层材料产生残余拉应力。 1.3相变应力 磨削时，若工件表层温度大于材料相变温度，则表层组织将发生相变。由于各种金相组织的体积不同，从而产生不同应力。若表层材料相变后膨胀（如经奥氏体后又转变为马氏体），则表层产生压应力，基体材料产生拉应力；相反，若表层材料相变后压缩（如从马氏体转化为屈氏体或索氏体），则表层产生拉应力，基体材料产生压应力。 另外，磨削时，由于磨削液的作用，磨削表层在冷却过程中会产生一个降温梯度，它与热应力的影响刚好相反，可以减缓由热应力造成的表层拉应力。磨削区的温度越高、磨削液的冷却系数越大时，表层下的温差越大，对热应力造成的残余应力的降低也就越明显。 在磨削过程中，除了上述影响磨削表面参与应力的因素外，表层的二次淬火和回火现象等，也对残余应力有一定影响。 对于影响磨削表面残余应力的上述主要因素，基本上可归纳为磨削力、磨削温度和磨削液的冷却性。磨削力和磨削温度是磨削过程中产生的磨削现象，其直接对残余应力产生影响；而磨削液对残余应力的影响，一方面是通过表面冷却过程直接产生的，另一方面是通过对磨削力和磨削温度的影响间接产生的。 利用磨削表面残余应力产生的原因，可以控制一些因素，从而获得所需的残余应力状态。例如：一般希望工件终加工表面具有适当的残余应力，以提高材料的疲劳强度，此时可采用精磨、细磨和光磨，由于产生的磨削热低，表层和里层的温差小，摩擦力起着主导作用，故易于在表层产生残余压应力。 2.磨削表面变质层的形成机理 在磨削加工中，工件表面变质层一般是必然存在的，只是深浅程度不同而已。 根据磨削表面变质层的形成机理，影响因素主要是磨削热和磨削力。 2.1磨削热的作用 在磨削加工中，砂轮和工件接触区内，消耗大量的能，产生大量的磨削热，造成磨削区的局部瞬时高温。实测实验条件下的瞬时温度，可发现在0.1～0.001ms内磨削区的瞬时温度可达1000～1500℃.这样的瞬时高温，足以使工件表面至一定深度下的材料产生高温氧化，非晶态组织、高温回火、二次回火、甚至烧伤开裂等多种变化或缺陷。 2.1.1表面氧化层 瞬时高温作用下的钢表面与空气中的氧发生作用，生成极薄（20～30nm）的铁氧化物薄层。氧化层厚度与表面磨削变质层总厚度呈对应关系。 2.1.2非晶态组织层 磨削区的瞬时高温使工件表面达到熔融状态时，熔融的金属分子流又被均匀地涂敷于工件表面，并被基体材料以极快的速度冷却，形成了极薄的一层非晶态组织层。非晶态组织层具有高的硬度和韧性，但只有10nm左右，很容易在精密磨削加工中被去除。 2.1.3高温回火层 磨削区的瞬时高温可以使工件表面一定深度（10～100nm）内被加热到高于工件回火加热的温度。在没用达到奥氏体化温度的情况下，随着被加热温度的提高，其表面下逐层产生与加热温度相对应的再回火或高温回火的组织转变，硬度也随之下降。加热温度越高，硬度下降也越厉害。 2.1.4二次回火层 当磨削区的瞬时高温将工件表面层加热到奥氏体化温度以上时，则该层奥氏体组织在随后的冷却过程中，又被重新淬火成马氏体组织。凡是有二次淬火烧伤的工件，其二次淬火层之下必定是硬度极低的高温回火层。 2.2磨削力的作用 在磨削过程中，工件表层将受到砂轮切削力、挤压力和摩擦力的作用。尤其是后两者的作用，使工件表层形成方向性很强的塑性变形层和加工硬化层。这些变质层必然影响表面层残余应力的变化。 2.2.1冷塑性变形层 在磨削过程中，每一颗磨粒就相当于一个切削微刃。磨粒除切削作用之外，还会使工件表面承受挤压作用，使工件表面留下明显的塑性变形层。这种变形层的变形程度随着砂轮磨钝的程度和磨削进给量的增大而增大。 2.2.2热塑性变形层 磨削热在工件表面形成的瞬时温度，使一定深度的材料层的弹性极限急剧下降，甚至达到弹性消失的程度。此时工件表层材料在磨削力、特别是挤压力和摩擦力的作用下，引起的自由伸展，受到基体材料的，表面被压缩，在表层形成了塑性变形。热塑性变形（又称高温塑性变形）在磨削工艺不变的情况下，随工件表面温度的升高而增大。 2.2.3加工硬化层 由于磨削加工变形，引起表面层的硬度升高。 2.3其它表面变质层 除磨削加工之外，锻造和热处理加热所造成的表面脱碳层，在以后的加工中若没有被完全去除，残留于工件表面也将造成表面软化变质层。 结束语 本文分析了轴承套圈表面残余应力与变质层的形成机理，特别是···，使我们在现有生产条件下，可以通过选择合理工艺参数，合理选择砂轮、磨削液等措施，有效减少残余应力和变质层的形成，确保轴承套圈加工表面质量，提高滚动轴承工作质量和使用寿命。