刘晓初，赵 传，李 凡，覃 哲，周文波，陈 凡

(广州大学 a.机械与电气工程学院;b.金属材料强化研磨高性能加工重点实验室，广州 510006)

强化研磨轴承套圈残余应力的分析*

刘晓初a,b，赵 传a,b，李 凡a,b，覃 哲a,b，周文波a,b，陈 凡a,b

(广州大学 a.机械与电气工程学院;b.金属材料强化研磨高性能加工重点实验室，广州 510006)

为了得到残余应力在深度方向的分布关系，对6组不同强化研磨加工时间下的试样进行了金相分析，推导出了强化研磨时间对强化层厚度的影响规律。经过SEM分析，对强化层进行了分区，解释了强化研磨产生残余应力的实质原因。然后对强化研磨残余应力场进行检测，并对应力释放造成的影响通过弹性理论计算并加以修正。结果表明强化研磨工艺喷射比较均匀，随着测量深度地增加，残余应力值随之增加。在30μm深度以上，残余压应力衰减很快，在120μm深度左右，基本上没有残余应力，在150μm～180μm之间，残余应力会由压应力转变为拉应力。

残余应力；强化研磨；强化层

0 引言

强化研磨是一种基于复合加工方法的抗疲劳、抗腐蚀、抗磨损金属材料精密加工技术，该加工技术可以加工出高精度、表层具有残余应力的轴承套圈，同时降低其表面粗 糙度、提高表面硬度。

已加工表面残余应力是衡量零件表面加工质量的重要指标[1]，通常情况下，已有研究证明预应力能很好地提升工件表面疲劳强度和耐腐蚀性能[2]。国内外学者对残余应力做了大量的研究，Mittal and Rowe[3]在不同工艺条件下采用铝轮磨削加工淬硬轴承钢En31(硬度HRC62)，研究发现：粗磨产生的残余拉应力经磨削深度为10μm细磨后完全被消除，并且细磨后产生残余压应力。K. Neaiiey[4]等研究了磨削DIN 100Cr6钢时，磨削液对残余应力的影响，研究表明纯油的磨削液相对于水基磨削液更易产生提高工件疲劳寿命的残余应力分布。Janez Grum[5]指出选用合适的磨削、工艺参数，同时考虑工件材料的物理和机械特性，可以得到较好的残余应力。缪霞等[6]揭示了磁处理对轴承环冷轧-淬火残余应力的影响规律和作用机理，为轴承环冷轧残余应力控制提供理论和技术依据。杨吟飞等[7]用MSC.Marc软件对某型飞机主起支撑接头的7085铝合金锻件毛坯的淬火-压缩工艺进行了数值仿真，获得了毛坯残余应力分布趋势，并对测量残余应力的小孔法作了必要的修正。

虽然他们做了一些研究，但只研究了部分磨削工艺参数对残余应力的影响，并且大部分加工在普通磨床下进行。本文通过取6组轴承套圈在强化研磨机上进行加工，其它工艺参数保持不变，对时间进行单一变量试验。加工完之后进行线切割截取样品，将截取后的样品在金相显微镜下进行观察对比，揭示了强化研磨加工时间与表面强化层厚度的变化规律，用Proto iXRD射线应力分析仪检测了其残余应力，并进行了修正，对强化研磨的可行性和可靠性提供了实验验证和数值参考，有利于提高轴承的疲劳寿命。

1 强化研磨试验

本试验在强化研磨机上进行，其原理如图1所示，通过强化研磨料( 由强化钢丸、研磨粉、强化研磨液组成) 与高压气体混合，经高压喷射系统作用形成气、液、固三相混合喷射流，与套圈表面产生随机等概率的碰撞[8]，从而达到对工件表面进行强化研磨效果。

图1 强化研磨原理

试验样品采用6012轴承内圈，材料为GCr15轴承钢。将6组轴承分别编号为1～6，研磨料配制比例见表1，强化研磨加工工艺参数见表2，将2～6号轴承加工时间分别为60s、90s、120s、150s、180s。

表1 研磨料配制比例

表2强化研磨工艺参数

2 截面滚道分析

2.1 样品制备及材料准备

将6组轴承套圈进行线切割来截取样品，线切割尺寸为18mm×5mm，如图2所示，右边的是从轴承套圈上面切割下来的样品。由于样品材料不规则，需要将样品进行镶嵌，用金相镶嵌粉沫对2组样品进行热固性塑料压制，如图3所示，观察的组织结构为样品的横截面。

图3 镶嵌

镶嵌的目的在于在磨光与抛光时更容易握持，镶嵌完成后，先用砂轮对样品进行粗磨，在粗磨时随时用水进行冷却，以防止过热而引起金相组织的变化，粗磨完成后，用清水清洗，吹干，然后用03号金相砂纸抛光。抛光完成后，用棉花沾上3%～4%硝酸酒精溶液浸蚀需要观察的表面，样品表面发暗时就可停止，浸蚀完毕后，立即用清水冲洗，再用酒精冲洗，最后吹干。由此，样品试样的制备已经完成，可进行上镜拍照。

2.2 结果分析

图4是在金相显微镜下(放大200倍)拍摄的6组样品金相组织图，图4a是未经过强化研磨的样品，图4b～图4f是在不同强化研磨时间之下滚道的截面金相组织。可以很明显地观察到，滚道表面部分慢慢变暗，由此可以推断，颜色较暗的区域就是塑性强化区域，图4f中表明了这一现象，红色线以下部分是塑性强化区域，以上部分是未强化区域。图5表示了强化研磨时间与强化层深度的关系，对比图5，说明了两个问题：第一，强化研磨产生的残余应力是由于滚道表层塑性变形而产生的；第二，从最开始的60s强化研磨时间到180s的强化研磨时间，随着时间的增加，强化层的深度也跟着增加。加工180s，强化层的深度达到了117μm，但是并没有趋于一个稳定的状态，表明若在相同加工工艺下，要想达到最大的强化深度，加工时间是大于180s的，但是对于实际情况，强化层深度为117μm已基本足够，原因是轴承滚道最大次表面应力往往会导致轴承失效，而最大次表面应力在距离表面0.345b～0.5b处[9](对于典型的滚动轴承，如6012轴承，约为0.49b，b通常小于0.25mm)。

(a) 1号式样的金相组织 (b)2号式样的金相组织

(c)3号式样的金相组织 (d)4号式样的金相组织

(e)5号式样的金相组织 (f)6号式样的金相组织图4 不同编号试验的的金相组织

图5 强化研磨时间与强化层深度的关系

在上文中分析到，强化研磨会引起工件的塑性变形。而塑性变形对金属显微组织将产生显著的影响，塑性变形本身是一个复杂的过程，不仅使金属外形结构改变，而且会引起内部组织的变化，包括了晶粒形态的改变，晶粒内部亚结构的变化以及形变织构[10]。

图6 1号样品SEM

图7 4号样品SEM

图8 4号样品SEM

为了探究强化研磨产生残余应力的本质原因，通过SEM对1号和4号样品进行放大拍摄。图6为1号样品的SEM，1号样品只有很浅的一层强化层，这是超精加工滚道时产生的，样品的组织是非常均匀的。图7中，4号样品的强化研磨加工时间为120s，在塑性变形区域可以明显地分为3层，分别为：塑性变形Ⅰ区，塑性变形Ⅱ区和塑性变形Ⅲ区。在塑性变形Ⅰ区，变形程度剧烈，从而诱导铁素体发生相变，在SEM下比较暗，同时，图8中也反映了在这一区域伴随着大量的位错产生，故在这一区域，残余应力值应较高。塑性变形Ⅱ区亮度明显比Ⅰ区要高，这一区域相变程度小，但是仍有大量的位错产生。塑性变形Ⅲ区是一个过度的区域，较为明亮，和未变形区域亮度基本相当，只有少量的位错产生。残余应力也会在这一区域过渡，即由残余压应力逐渐变成残余拉应力。

3 残余应力检测与结果分析

3.1 残余应力检测方法

通过用电解法逐层剥除套圈滚道表层材料，在试验中,用电解腐蚀法将试件表面去除极薄的一层,则存在此层中的残余应力随之消失,因而破坏了原有的平衡状态。这时,残余应力自动重新分布,并形成新的平衡状态,整个试件也随之变形[11]。所以,将该层的厚度及试件的变形量测出后,代入相应的计算公式,即可求得该层内的残余应力。

用Proto iXRD射线应力分析仪，Cr靶Kα辐射，准直管直径1mm，211衍射晶面，双512通道位敏探测器，β角±3°摆动，同倾衍射方式，执行ASTM E915-10、EN15305-2008、GB7704-2008标准， 进行残余应力检测。检测对象是4号套圈，如图9所示，在4号套圈强化研磨处理前，对其表面残余应力进行检测，以探究强化研磨加工工艺对轴承滚道残余应力的影响。利用X射线应力分析仪测试轴向及切向残余应力。如图10所示，沿0°，120°， 240°各取一个测试点进行测试，标记为点1，点2，点3，每个点检测一个切线方向的应力σx和轴向应力σy。电解层厚度控制在30μm，并用千分尺测量厚度。

图9 要测量的轴承套圈

图10 测量点

根据残余应力检测方案，测量1，2，3点的残余应力值，除了主应力之外，每个点还有相应的切应力，来确认该点的主应力数值是否可靠。

3.2 修正原理

(1)

(2)

式(2)中，e为圆半径，d为高即电解深度，D′表示内圈沟道直径，L表示内圈沟道实际长度(6012轴承L=10mm)。

3.3 结果分析

根据公式(1)～公式(2)，以点1为例，将修正后的结果绘制成曲线如图11、12所示。

图11 腐蚀深度与修正后残余应力的关系

图12 修正误差

图11为经过理论修正后的腐蚀深度与残余应力的关系，在30μm深度以上，残余压应力衰减很快，在120μm深度左右，基本上没有残余应力，当深度大于120μm时，残余应力就会出现正值，即由残余压应力变为残余拉应力。残余应力随着材料在径向方向的深入，应力值逐渐由负值增大到正值，在120μm深度左右，残余应力趋于平稳，由此说明强化研磨强化层深度在120μm左右，在文中，通过金相组织分析，测得了强化层的厚度是117μm，这说明测量的数据比较可靠。图12为测量的残余应力与修正后的残余应力的 误差变化情况，可以很明显地看出，误差随着腐蚀深度的增加而增加，这是因为电解腐蚀的深度增加了，而造成应力释放加大，在腐蚀深度小于180μm深度，轴向与切向的误差始终小于0.15%，因而其应力释放造成的残余应力的重新分布所产生的误差是可以忽略的。另外，在腐蚀层小于60μm时，轴向和切向残余应力的误差大致相当，在腐蚀层大于60μm后，轴向误差大于切向误差，这是由于强化研磨时喷射的角度造成的。

4 结论

(1)将强化研磨试验后的样品进行SEM分析可得，强化研磨产生的残余应力是由于滚道表层的塑性变形；随着时间的增加，强化层的深度也跟着增加，要想达到最大的强化深度，加工时间要大于180s。

(2)经过射线应力分析仪检测，强化研磨工艺会提高轴承滚道表面的残余压应力，工件表面由原来的约-500MPa提高到-900MPa左右，在30μm深度以上，残余压应力衰减很快，在120μm深度左右，基本上没有残余应力，当深度大于120μm时，残余应力由残余压应力变为残余拉应力。

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(编辑李秀敏)

AnalysisofResidualStressinBearingRingsofReinforcedGrinding

LIU Xiao-chua,b,ZHAO Chuana,b,LI Fana,b,QIN Zhea,b,ZHOU Wen-boa,b,CHEN Fana,b

(a.School of Mechannical and Electrical Engineering；b.Key Laboratory of High-peformance Metal Materials Reinforced Grinding Machining，Guangzhou University，Guangzhou 510006，China)

In order to get the distribution relation of residual stress in depth direction,By means of metallographic analysis of 6 groups of samples with different strengthening grinding time,The influence of the reinforced time on the thickness of the strengthening layer was deduced,The strengthening layer was divided after SEM analysis,The essential reason of the residual stress caused by the enhanced grinding is explained,Then, the residual stress field of reinforced grinding is measured,And the effect of stress release is modified by elastic theory,The results show that the jet is more uniform, and the residual stress increases with the increase of measurement depth. At the depth of 30μm, the residual compressive stress attenuates rapidly, and there is no residual stress in the depth of about 120μm, and the residual stress will change from compressive stress to tensile stress between 150μm and 180μm.

residual stress;strengthening grinding; strengthened layer

TH140.7;TG113.25

：A

1001-2265(2017)09-0005-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.09.002

2017-04-28；

：2017-05-17

国家自然科学基金重点项目：基于可控强化研磨加工的工业机器人轴承套圈设计与制造基础研究(U1601204)

刘晓初(1964—),男，湖南耒阳人，广州大学教授，博士，研究方向为智能装备及机器人、绿色设计与制造，(E-mail)gdliuxiaochu@163.com。