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轴承套圈的磨削烧伤及其检测方式的研究

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金川 李颖

 (南京工业职业技术学院)

  摘 要:轴承套圈的加工流程可分为车加工、热处理和磨加工三个阶段。其中以磨加工阶段最为重要,磨加工的质量将直接影响轴承的精度和最终使用寿命。而在磨加工过程中,磨削烧伤是最容易产生的加工缺陷,而对其检测却又是极其困难的。本文将深入分析各种烧伤的本质特征及其检测手段的原理,以期在生产过程中方便对磨削烧伤选择适合的检测方式。

  关键词:轴承;磨削烧伤;检测方式

  轴承套圈磨削时,由于磨削区域的瞬时高温(通常可以达到900~1500℃),达到相变温度以上时,将使零件表层金相组织发生变化,使表层金属强度和硬度降低,并伴有残余应力产生,甚至出现微观裂纹,这种现象称为磨削烧伤。

  究其根本原因,是由于磨削过程中,砂轮的磨粒细小且转速快,切削中会产生大量的磨削热,而磨削后产生的磨削又非常少,大约只能带走10%的磨削热,而接近90%的磨削热留在了待加工工件上,同时如果冷却不充分,过高的磨削热将进一步导致磨削烧伤。

  如果要检测并控制磨削烧伤,首先需要了解轴承套圈在磨削加工中出现的磨削烧伤的种类及表象,才能进而针对不同的烧伤程度来进行检测手段的选择。

  1 轴承套圈磨削烧伤的种类及表象

  1.1在套圈磨削表面形成拉应力的应力状态

  这种情况是由于在磨削过程中过量的磨削热使得零件温度达到退火温度,表层材料体积减小,形成较大的拉应力,应力曲线如图1所示。在这种情况下,磨削表面的最大应力将达到约400N/mm2,通常无金相组织的变化,硬度无改变,也没有裂纹发生。


  1.2在磨削表面形成回火区并且伴随着表面硬度的下降

  在这种情况下,磨削热的积累进一步使得加工工件的温度升高到材料的回火温度,此时从金相上可以明显的看出回火区域,如图2所示;同时从磨加工表面开始测量零件的硬度也可明显看到硬度的梯度分布,如图3所示。




  1.3在磨削表面形成淬火区

  在这种情况下,磨削热的积累使加工工件的温度达到了材料的淬火温度,此时从金相上(如图4所示)可以明显观察到亮白色的淬火区域,同时磨削层表面的应力状态(如图5所示)最大可以达到约800N/mm2




  1.4在磨削表面形成裂纹

  当磨削热持续积累,材料表面的拉应力持续升高,当材料表面的张应力超过材料承受能力,则产生裂纹。裂纹在金相显微镜下可以清晰看到(如图6所示),有时肉眼都可观察到。在这种情况下应力值可达到约1200800N/mm2(如图7所示)。




  2 磨削烧伤的检测手段

  综上所述,已知轴承套圈出现的磨削烧伤的种类和特征,就需要采取措施进行检测和判别,以达到尽量避免磨削烧伤的目的。但前述的金相分析及应力分析因检测周期太长,只适合作为研究的手段,所以通常在实际的磨削加工过程中采用方便快捷的检测手段,以指导磨削工艺参数的调整。以下提供几种实用快捷的检测手段。

  2.1酸洗检测

  这是目前磨削加工领域较为普遍的检测手段。这种检测方法的原理是:基于钢硬化后,各个不同的微观结构再经腐蚀,其外观表象不同,主要过程包括预处理(清洗),腐蚀,冲洗,中和,干燥,再处理及结果评估。其典型的轴承套圈烧伤检测样件如图8所示。


  这种检测方式较快捷,对本文前述的四类烧伤都可以检测,并且不破坏原始样件的应力状态。但缺点也显而易见,它是一种破坏性检测,检测后的零件不能再被使用。

  2.2磁粉探伤

  这种检测方式在实际生产中被广泛应用,是无损探伤的一种。主要用来检测工件表面是否存在裂纹。检测时,被检工件必须先被磁化,然后将带有铁粉并含有色素的悬浮溶液浇注在被测工件表面。如有裂纹存在,由于在裂纹处的漏磁场存在,那么一定浓度的铁粉就会填充到开口的裂纹中去,于是裂纹便可以在荧光灯下被看到,如图9所示。

磁粉探伤只能用于证明在轴承套圈表面存在开口的裂纹,无法用来验证是否存在内应力、磨削表面是否被回火或者是淬火等。


  2.3涡流探伤

  这也是一种无损检测。其原理:测量是基于金属微观结构的变化所引起的传导率变化来进行检测的,原理如图10所示。当将一个通入交流电的线圈放在一块金属导体附近时,由于线圈产生交变的磁场,从而使金属导体表面形成一环形电流,即涡流。导体中的涡流也会产生自己的磁场并反作用于线圈,进而导致线圈电压和阻抗的改变。


  当轴承套圈表面或近表面出现缺陷时,将影响到涡流的强度和分布,涡流的变化又引起检测线圈电压和阻抗的变化,根据这一变化,就可以间接知道缺陷的存在。这种检测方式也可以对前述的四类烧伤进行检测,并且不破坏原始样件的应力状态。

  2.4Barkhausen噪音检测

  这也是一种无损检测。其检测原理是:任何铁磁性材料都是由一个个类似于独立的条形磁铁的小的磁性区域组成的,这些区域被称作磁畴;每个磁畴之间都会被称为畴壁的边界区区分开。而外加的磁场会引起这些畴壁的前后运动;当畴壁运动而产生的电脉冲被叠加到一起时,便会产生一种类似噪音的信号,这就是Barkhausen噪音(如图11所示)。


  如果零件表面存在磨削烧伤,将会依据噪音的异常而被检测出来。

  在实际的使用中,这种检测方式有一定的局限性,首先,这种检测方式会影响零件表面的应力状态。经检测之后的零件,其表面原始的应力状态将发生改变,将无法根据应力状态来复核零件状态。其次,当需要检测烧伤裂纹时,只有当裂纹的周围存在回火或者淬火区域时,才可以被检测出。这种检测方式对前三种烧伤形式均可以方便的进行检测。

  3 结论

  综上所述,轴承套圈的磨削烧伤有不同的形式,在实际的生产加工过程中,应该根据实际情况来选择合适的测量手段来进行烧伤检测。具体可以参照表1来进行选择。



来源:《农机使用与维修》