9Cr18内圈沟道磨削划伤原因分析

师歌，王长峰，李凌鑫，孙立才，张林

(洛阳轴研科技股份有限公司，河南 洛阳 471039)

滚动轴承作为精密零部件，其性能直接影响主机的工作性能，因此对轴承的质量要求愈加严格。沟道作为滚动轴承的工作表面，起到引导钢球沿着正确轨迹运动并承载的重要作用，因此沟道加工质量直接影响轴承的旋转精度和使用寿命。

加工9Cr18不锈钢材料轴承套圈时，由于材料的特殊性，砂轮磨粒脱落、修整砂轮用金刚石不锋利、工件转速过高等诸多因素都会造成沟道频繁出现划伤，成为制约轴承质量的瓶颈。为了保证该类轴承的质量，在散光灯下使用20倍显微镜对沟道表面进行检查，不允许出现划伤。为解决存在的沟道划伤问题，进行了相应的工艺试验和分析，力求降低出现划伤的概率，提升套圈沟道磨削质量。

1 划伤形貌

B7004/HVP4内圈沟道划伤横截面微观形貌如图1所示，图中标识区域1为圆弧状沟道划伤，深度约15 μm。

图1中标识区域2内的白色点即为硬质碳化物，不规则地分布于9Cr18材料内部，硬度大于材料基体硬度，碳化物颗粒的最大直径可达几十微米。

图1 内圈沟道划伤横截面微观形貌

2 划伤原因分析

2.1 材料

9Cr18为马氏体不锈钢，经淬回火处理后，得到显微组织基体为隐针马氏体和少量残余奥氏体，且大块状及颗粒状共晶碳化物和二次碳化物不规则散布于材料内部。1 000～1 080 ℃范围内，随着淬火温度升高，更多的碳化物得到溶解，材料强度和硬度提高，塑性降低；200～300 ℃回火时，碳化物析出，材料强度、硬度都有所降低，但塑性提高，便于后续磨削加工。

磨削过程中，较大碳化物与砂轮磨粒撞击，造成砂轮磨粒提前脱落，并粘附于砂轮上，在后续磨削过程中这些粘附的磨粒在沟道表面产生犁沟效应，出现划伤。

2.2 砂轮特性

砂轮磨粒的破损程度、形状、尺寸(粒度)及砂轮硬度决定了磨粒受外力作用时脱落的难易程度。韧性越好的砂轮抗破损能力越强；磨粒粒度越大，脱落后造成的沟道划伤越深；砂轮硬度越高磨粒越难脱落，不仅会降低磨削效率，而且易造成烧伤、裂纹等缺陷。

生产实践表明选择较软或中软的砂轮较好；适量加大冷却液供液压力和流量，使磨削液容易进入沟道，带走磨屑和磨削热，可以有效保证沟道磨削质量，降低沟道磨削烧伤率。

2.3 机床参数

2.3.1 磨削进给速度

磨削加工时径向力既作用于工件又作用于砂轮，磨粒的强度和磨粒的结合强度一定，当磨削力超过了磨粒的强度和结合强度极限时，砂轮强度降低，磨粒碎裂、折断并且整粒甚至成片从砂轮上脱落，极易造成沟道磨削划伤。减小径向力的主要途径是减小磨削用量，特别是减小横向磨削进给速度，也可以通过增加对砂轮的修整次数来减小径向力。

2.3.2 工件转速

(1)

式中：vs为砂轮转速；Ft为切向磨削力；vω为工件转速；ap为背吃刀量；B为磨削宽度。

根据(1)式可知，提高工件转速，可以降低磨削温升，从而降低磨削烧伤出现的概率。而当工件转速过高时，单位时间砂轮与内圈沟道的接触时间短。磨粒经历滑擦、耕犁过程，塑性变形逐渐产生并堆积，在加工表面耕犁出沟痕，其两侧金属滑移隆起。而后，由于砂轮接触内圈沟道时间短，砂轮与内圈沟道开始分离，切削力变小，切削厚度不再增大，切削变形区的滑移剪切变形无法继续增大，最终无法顺利形成带状切屑并沿磨粒前刃面排出，从而形成积屑瘤并部分滞留于砂轮表面，在随后的磨削过程中对沟道造成划伤。

2.3.3 砂轮修整

砂轮磨钝后，切削作用减弱，需要对砂轮进行修整。生产中普遍使用金刚石砂轮修整器，为保证金刚石尖角锋利，需保证金刚石与砂轮接触点低于砂轮轴线1～2 mm，金刚石笔杆在垂直方向向上倾斜10°～15°，以保证金刚石切削砂轮时产生负前角和主偏角。

研究表明[2]，随着金刚石修整切入深度的增加，修整面积增大，修整器与砂轮的碰撞比例增大，砂轮的锐利程度相应增加。如果由于金刚石笔杆安置角度出现偏差，导致金刚石尖角锋利度降低，在修整砂轮时切入深度较小，将无法通过金刚石修整得到锐利程度较高的磨粒。钝化的磨粒进行磨削加工，会形成剪切型切屑，残留于沟道中可能划伤沟道表面。

降低金刚石修整补偿量不但可提升砂轮磨粒锐利程度，而且可降低大颗磨粒在磨削过程中碎裂、脱落的概率，从而降低磨削划伤率[3]。

3 试验分析

为进一步分析砂轮和机床各参数对内圈沟道磨削划伤的影响，以70XX/HVP2内圈沟道磨削为例进行磨削工艺试验。

3.1 砂轮选择

磨削加工9Cr18不锈钢选用硬度较高的微晶刚玉(MA)或单晶刚玉(SA)砂轮，粒度为60#～150#，硬度为G～L。选用不同型号的砂轮对70XX/HVP2内圈沟道进行粗磨、细磨、终磨3遍循环磨削加工试验，沟道出现划伤的概率统计结果见表1。

表1 使用不同型号砂轮时磨削划伤率统计结果 %

由表中数据分析可知：(1)使用单晶刚玉砂轮比使用微晶刚玉砂轮粗磨磨削划伤率降低了10%，细、终磨磨削划伤率降低了5%。(2)粗磨适合选择粒度为100#的砂轮，细、终磨适合选择粒度为120#的砂轮；使用粒度为120#的砂轮进行细、终磨时磨削划伤率比使用粒度为100#的砂轮降低5%。(3)选用硬度为J的砂轮比使用硬度为K的砂轮磨削划伤率低7.5%。

综合分析认为，粗磨时选用单晶刚玉，粒度为100#，硬度为J的砂轮SA100J6V60；细、终磨选用单晶刚玉，粒度为120#，硬度为J的砂轮SA120J6V60。

3.2 机床参数的影响

选用合适的砂轮，采用数控内圈沟道磨床进行磨削工艺试验，磨床、砂轮修整各参数初设值和调整后值见表2。分别在初设参数、调整机床单参数(其他参数不变)下加工70XX/HVP2轴承内圈沟道各40件，20倍显微镜下检查沟道划伤数量。

表2 磨床、砂轮修整各参数初设值与调整后值对比

3.2.1 磨削量

由磨削量调整前、后磨削划伤工件数量统计结果可知，调整参数后粗磨内圈沟道划伤率降低15%，细磨内圈沟道划伤率降低20%，磨削结束沟道划伤率共降低了25%。

3.2.2 进给速度

由进给速度调整前、后磨削划伤工件数量统计结果可知，调整参数后粗磨内圈沟道磨削划伤率降低5%，细磨后内圈沟道磨削划伤率降低10%，磨削结束沟道划伤率共降低了15%。

3.2.3 光磨时间

由光磨时间调整前、后磨削划伤工件数量统计结果可知，调整参数后内圈沟道经粗、细、终3次磨削后磨削划伤率无显著降低，但沟道表面粗糙度明显改善，合格率由95%增至100%(图2)，有效保证了终磨加工后内圈沟道表面粗糙度。

图2 光磨时间对内圈沟道表面粗糙度的影响

3.2.4 工件转速

由工件转速调整前、后磨削划伤工件数量统计结果可知，调整参数后粗磨内圈沟道磨削划伤率降低10%，细磨内圈沟道磨削划伤率降低17.5%，磨削结束沟道划伤率共降低了22.5%。

3.2.5 总体影响

机床全部参数调整前、后(砂轮修整参数调整)内圈沟道磨削划伤率的变化如图3所示。由图可知，调整所有参数后粗磨内圈沟道磨削划伤率降低27.5%，细磨内圈沟道磨削划伤率降低35%，磨削结束沟道划伤率共降低了40%，极大地降低了内圈沟道划伤废品率。

图3 参数调整对沟道磨削划伤率的影响

参数调整对内圈沟道表面粗糙度的影响如图4所示。由图可知，参数调整前沟道表面粗糙度不合格率为5%，参数调整后沟道表面粗糙度合格率达到100%，且表面粗糙度Ra<0.2 μm的概率从10%提升至57.5%，沟道表面质量得到大幅提升。

图4 调整参数对沟道表面粗糙度的影响

4 结束语

工艺试验表明，通过调整磨削量、减缓磨削进给速度、增加光磨时间、降低工件转速，调整砂轮修整使9Cr18材料内圈沟道磨削划伤率由45%降至7.5%，内圈沟道表面粗糙度合格率达到100%，磨削质量得以大幅提高。

需要特别注意的是，粗磨内圈沟道时若产生较深的划伤，即使经过后续磨削，也会因磨削余量有限而难以消除划伤，因此粗磨沟道质量控制尤为重要，适当提高粗磨砂轮粒度可降低磨削划伤程度。另外，由于受砂轮转速和磨削冷却的限制，对于外圈沟道的磨削难度更大，在兼顾机床参数的同时，砂轮的选择和冷却水的控制也必须严格，才能保证外圈沟道的磨削质量。