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残余应力对轴承套圈磨削变形的影
作者：bearingpower 发表时间：2010-12-12
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 RingAbstract：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（VDP）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表1外径（mm）套圈壁厚（mm）磨削变形（μm）合格率（%）804.83-81001005.38-100901105.911-10060-70本文将就以上问题的形成原因和解决办法展开讨论.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:l 了解套圈热处理应力的分布及大小；l 进一步降低套圈的内应力；l 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Kα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。表2编号外径(mm)应力测试(MPa)磨削变形(μm)备注ABCD180111.471.8117.8138.73-8磨削变形满足要求280-88.7-131.9-30.1-15.73-8磨削变形满足要求3100-541.5-591.2-528.3-559.740-100磨削变形超标4100-558.3-573.7-508.5-604.840-100磨削变形超标5110-477.1-428.8-429.8-455.440-100磨削变形超标6110-413.3-421-463.5-414.140-100磨削变形超标说明：①表中负应力值代表压应力，正应力值代表拉应力。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编号外径(mm)淬火工艺回火工艺回火硬度(HRC)温度时间油温温度时间7,8110835℃40min80℃185℃4Hor60-619,10110835℃40min80℃185℃4Hor60-6111,12110835℃40min80℃185℃4Hor60-61表4编号外径(mm)应力测试(MPa)磨削变形(μm)备注ABCD7110-108-53-61914-11磨削变形满足要求811010196-69-129磨削变形满足要求911015331-96-393-8磨削变形满足要求10110-3816243-81磨削变形满足要求1111018-90118-33-8磨削变形满足要求12110-91-644141磨削变形满足要求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:- 市场一部：022-58519722
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