利用磨料流去除空心滾子內(nèi)孔氧化皮的試驗(yàn)研究

1、概述

目前，應(yīng)用于軋機(jī)領(lǐng)域的大型滾動(dòng)軸承由于在鋼材軋制過(guò)程中承受載荷大，導(dǎo)致軸承中主要承載的滾動(dòng)體受力較大。為提高軸承承載能力，多選用空心滾子，通過(guò)支柱穿過(guò)空心滾子，并與保持架采用焊接的方式連接。支柱焊接保持架在重載工況下會(huì)出現(xiàn)滾動(dòng)體或滾道表面的疲勞失效，除保持架鉆孔不齊和焊接應(yīng)力造成的支柱偏斜外，與空心滾子連接的支柱孔內(nèi)表面氧化皮去除不凈引起的剝落、表面磨損也會(huì)造成軸承疲勞失效。為減少滑動(dòng)摩擦對(duì)滾子的損害，通常采用噴砂或手工方法去除空心滾子內(nèi)孔氧化皮，但加工效率低，很難實(shí)現(xiàn)均勻去除，還對(duì)工人和環(huán)境造成較為惡劣的影響。

圖1 磨料流加工法的加工原理

Fig.1 Machining principle of abrasive flow machining method

圖2 磨料流設(shè)備及原理示意圖

Fig.2 Diagram of abrasive flow equipment and principle

磨料流加工常用磨料有碳化硅、立方氮化硼、氧化鋁和金剛砂。基于上述4種磨料的材料去除特性，選擇碳化硅黏彈性磨料作為磨削介質(zhì)進(jìn)行試驗(yàn)。為驗(yàn)證磨料粒度對(duì)加工表面的加工效果，選擇220目(粒徑65 μm)和46目(粒徑330 μm)的碳化硅磨料，在用磨料擠壓空心滾子時(shí)，采用“穿膛過(guò)”式的擠壓方式，且不設(shè)置背壓(在工件末端處不設(shè)置與磨料流流動(dòng)方向相反的壓力)。通過(guò)調(diào)節(jié)夾具的開(kāi)口壓力使推程和回程的擠壓壓力皆為6.5 MPa，背壓壓力為2.0 MPa，磨料完成1次往復(fù)運(yùn)動(dòng)需18 s，循環(huán)擠壓設(shè)為50 次，總加工時(shí)間為15 min。加工完成后利用線切割機(jī)將空心滾子切開(kāi)進(jìn)行觀察。

3、結(jié)果與討論

3.1 磨料粒度對(duì)氧化皮去除效果的影響

采用220目和46目的碳化硅黏彈性磨料去除氧化皮的對(duì)比效果如圖4所示：采用粒度較細(xì)的220目碳化硅磨料時(shí)，磨料流的磨料粒子呈漿體狀而無(wú)法識(shí)別個(gè)體磨料，加工后工件表面仍有少量氧化皮殘留，且分布不均勻；采用粒度較粗的46目碳化硅磨料時(shí)，磨料流的磨料粒子幾乎肉眼可見(jiàn)，加工后氧化皮已經(jīng)完全去除，漏出金屬表面本體。由于磨料流是一種柔性微刃切削，當(dāng)碰到硬點(diǎn)時(shí)會(huì)主動(dòng)退讓，當(dāng)目數(shù)較小且被拋光表面較粗糙時(shí)，磨粒從表面滑過(guò)并不起切削作用或切削深度微小，而選用粒度較粗的磨粒，在表面可以充分地進(jìn)行滑擦、耕犁、翻滾，完成切削過(guò)程，氧化皮的去除效果好。

3.2 內(nèi)孔表面粗糙度的建模分析

在磨料流加工中，假定工件內(nèi)表面輪廓均勻，初始表面粗糙度為Ra₀，并且磨料在壓力作用下沿工件內(nèi)孔的軸線方向往復(fù)移動(dòng)，劃痕方向上的峰谷粗糙度Rt₀與算術(shù)平均表面粗糙度Ra比值恒定。假定Ra_i為第i次加工后獲得的內(nèi)孔表面粗糙度，其模型可由(1)式計(jì)算，即

式中：N為單位面積作用的磨料的磨粒數(shù)量；l_s為加工行程；R_w為磨料流的半徑；R_c為磨料缸的內(nèi)徑；d_g為磨粒的直徑；t為材料去除深度。由(1)式可知當(dāng)工件內(nèi)表面較粗糙時(shí)，材料去除深度較大，應(yīng)采用較大的磨粒直徑。若想獲得高精度內(nèi)表面，磨粒直徑應(yīng)隨工件表面粗糙度的變化及時(shí)調(diào)整，采用多階段磨料流加工，根據(jù)每個(gè)加工階段后工件表面粗糙度，逐漸減小磨料直徑。

3.3 磨料流加工對(duì)內(nèi)孔表面粗糙度的影響

表面粗糙度作為表面完整性的一個(gè)重要指標(biāo)，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量起著決定性作用。通過(guò)試驗(yàn)可以看出磨料流加工時(shí)，游離態(tài)的碳化硅磨粒對(duì)GCr15軸承鋼滾子內(nèi)表面粗糙度具有很好的改善效果。利用接觸式探針對(duì)磨料流加工后的滾子內(nèi)孔表面粗糙度進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如圖5所示：隨著氧化皮的去除，內(nèi)孔表面粗糙度Ra值均明顯下降。內(nèi)孔表面經(jīng)過(guò)15 min磨料流加工后，采用46目磨粒時(shí)，Ra由初始的4.60 μm降至1.00 μm；而采用220目的磨粒時(shí)，Ra僅降至1.63 μm。由此可見(jiàn)，選擇合適的磨粒目數(shù)對(duì)表面的加工精度和加工效率起到至關(guān)重要的作用。

式中：N為單位面積作用的磨料的磨粒數(shù)量；l_s為加工行程；R_w為磨料流的半徑；R_c為磨料缸的內(nèi)徑；d_g為磨粒的直徑；t為材料去除深度。由(1)式可知當(dāng)工件內(nèi)表面較粗糙時(shí)，材料去除深度較大，應(yīng)采用較大的磨粒直徑。若想獲得高精度內(nèi)表面，磨粒直徑應(yīng)隨工件表面粗糙度的變化及時(shí)調(diào)整，采用多階段磨料流加工，根據(jù)每個(gè)加工階段后工件表面粗糙度，逐漸減小磨料直徑。

3.3 磨料流加工對(duì)內(nèi)孔表面粗糙度的影響

表面粗糙度作為表面完整性的一個(gè)重要指標(biāo)，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量起著決定性作用。通過(guò)試驗(yàn)可以看出磨料流加工時(shí)，游離態(tài)的碳化硅磨粒對(duì)GCr15軸承鋼滾子內(nèi)表面粗糙度具有很好的改善效果。利用接觸式探針對(duì)磨料流加工后的滾子內(nèi)孔表面粗糙度進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如圖5所示：隨著氧化皮的去除，內(nèi)孔表面粗糙度Ra值均明顯下降。內(nèi)孔表面經(jīng)過(guò)15 min磨料流加工后，采用46目磨粒時(shí)，Ra由初始的4.60 μm降至1.00 μm；而采用220目的磨粒時(shí)，Ra僅降至1.63 μm。由此可見(jiàn)，選擇合適的磨粒目數(shù)對(duì)表面的加工精度和加工效率起到至關(guān)重要的作用。

4、結(jié)論

針對(duì)空心滾子內(nèi)孔表面氧化皮的去除難題，利用磨料流加工法去除內(nèi)孔氧化皮，獲得了較為理想的加工效果，且磨料粒度對(duì)表面的加工質(zhì)量至關(guān)重要。通過(guò)試驗(yàn)與研究得出以下結(jié)論：

1)將碳化硅磨粒作為黏彈性流體磨料介質(zhì)應(yīng)用于磨料流加工中，加工質(zhì)量較高，且可有效去除內(nèi)孔表面的氧化皮。

2)采用的黏彈性碳化硅磨料粒徑應(yīng)與被去除氧化皮表面相匹配，若去除氧化皮較厚且表面較祖糙的毛坯面，應(yīng)選用較粗氮化硅磨粒；若去除氧化皮較薄且表面較光滑，則需選用超細(xì)碳化硅磨粒。

3)隨著氧化皮的去除，滾子內(nèi)孔表面粗糙度顯著降低。若延長(zhǎng)加工時(shí)間(增加加工循環(huán)次數(shù))并選擇合適的粒度，內(nèi)孔表面粗糙度完全可以實(shí)現(xiàn)納米級(jí)的精密加工。

4)利用磨料流加工法去除空心滾子內(nèi)孔氧化皮，由于黏彈性磨料在出口處的突然擠入和釋放時(shí)形成的擠壓壓力過(guò)大，從而導(dǎo)致“喇叭口”現(xiàn)象的形成。在擠壓過(guò)程中增加磨粒流回程壓力，可以有效抑制“喇叭口”的形成。

5）與傳統(tǒng)手工和噴砂加工法相比，采用磨粒流加工方法去除氧化皮在經(jīng)濟(jì)性、加工質(zhì)量、綠色加工等方面的優(yōu)勢(shì)更顯著。

（參考文獻(xiàn)略）

文章發(fā)表于2022年2期《軸承》

引文格式：

于吉鯤，孫旭，吳鳴宇.利用磨料流去除空心滾子內(nèi)孔氧化皮的試驗(yàn)研究[J].軸承，2022（2）：39-43.

軸研所公眾號(hào)         軸承雜志社公眾號(hào)