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轴承表现为力和热的作用
发布时间:2018-04-12
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磨削的全过程表现为力和热的作用。磨削时砂轮与工件间发生摩擦作用和切削作用,在砂轮和工件上分别作用着大小相等、方向相反的力,这种相互作用的力称为磨削力。磨削时由于摩擦和切削,产生的热量传入砂轮、磨屑或被切削液带走,然而砂轮是热的不良导体,因此几乎80%的热量传入工件和磨屑,磨削区域的瞬间温度可达1000℃的高温而烧伤工件的表层。故磨削时特别注意冷却液对工件的冷却,减小磨削过程中的摩擦,降低磨削热,保证零件加工的质量。
  1.2 磨削加工缺陷分析
  由于磨削和热处理工艺不合理,磨削后,引起工件表面退火、烧伤、磨削裂纹和残余应力,模具在循环载荷作用下,微裂纹扩张,最后导致疲劳失效。如磨削速度过快引起金属烧伤;用钝的或重载砂轮磨削或使用过细的砂轮和冷却剂使用不当引发磨削裂纹等。
  1.2.1 磨削烧伤的主要原因
  工件在磨削时产生磨削热,在磨削区会产生局部瞬时达1000℃的高温,使工件表层金相组织局部发生变化,并在某些部分出现变色现象即磨削烧伤。故引起模具磨削烧伤的主要原因是磨削热,而影响磨削热的因素很多,如磨削工艺系统的刚性不足,磨床工作台进给运动不均匀,工件加工余量的不均匀,砂轮的特性及其磨损程度等等,将引起砂轮与工件之间产生振动,加工时径向进给量过大,砂轮与工件接触区增加,都会影响切削区的温度。
  1.2.2 磨削裂纹的主要原因

图1 磨削裂纹

图2 型腔尖角处磨削裂纹
  淬火零件在磨削加工后出现很细很浅的裂纹,称为磨削裂纹,如图1、2所示。
  磨削裂纹多与磨削方向垂直,有时也呈网状,或称龟裂。其深度在0.03mm以内。细小的磨削裂纹难于用肉眼观察,需用磁粉探伤或稀硝酸冷侵蚀才能显示。这些磨削裂纹即使可以通过轻磨予以去除,但危害犹存,常导致模具在服役中早期失效。模具热处理后磨削裂纹的产生和模具的材质、热处理后的马氏体晶粒度和残余奥氏体量、回火后的残余应力、磨削加工工艺等有关。
  (1)模具材质的影响。模具材料中存在着严重的碳化物偏析,特别是高碳钢(Cr12等)模具钢中网状碳化物、带状碳化物、块状碳化物等,破坏了基体组织的连续性,磨削时最易导致磨削裂纹的出现。
  在磨削淬硬钢时,冷却充分,表面层产生二次淬火,部分残余奥氏体转变为马氏体,而马氏体比容较大,比容增加,表面产生压应力;如果磨削冷却不好,或不用冷却液,表面产生回火,发生马氏体转变,表面产生拉应力(如γ-Fe转变为α-Fe时铁的体积会膨胀1%),这些应力(残余应力可达到500~1000MPa),如果超过材料的屈服极限时,便产生磨削裂纹。
  (2)材料热处理工艺的影响。模具钢淬火温度过高会增加钢中马氏体针的长度,降低了材料的强韧性,增加了材料的脆性。另外,由于淬火温度过高,增大了淬火内应力,导致模具磨削时出现裂纹。模具淬火后残余奥氏体过多,在磨削加工时,由于砂轮和工件剧烈摩擦而产生大量热,使模具表面温度升高,促使残余奥氏体向马氏体转变,产生较大的组织应力,产生磨削裂纹。
  (3)回火后的残余应力的影响。模具经热处理淬火后未立即回火,淬火温度过高,有网状碳化物,回火后未回火马氏体或残余奥氏体过多,在磨削时都会产生相变,产生应力使工件表层产生裂纹。模具淬火、回火后残余应力越大,经过磨削时,残余应力和磨削应力迭加值越大,当迭加应力超过材料的强度极限时,模具磨削表面即出现裂纹。
  (4)磨削工艺不当引起磨削裂纹。模具在磨削加工时,砂轮的砂粒刃口与工件进行摩擦切削,磨削时进给量越大,刃口切削能力越差,则残留切削应力越大;另外,砂轮与模具剧烈摩擦会产生大量热,砂轮硬度越高,磨削速度越快,产生的热量越大,当急剧冷却时,就会产生磨削热应力,温升越高,热应力越大。由于模具表层温度升高到临界点以上,淬火后的组织也会发生转变,又会产生组织应力,多种应力综合超过模具材料强度极限,便会引起模具表层产生磨削裂纹。
  2 减少磨削加工缺陷的措施
  表面烧伤和产生磨削裂纹是影响模具寿命的主要原因。为了减少磨削引起工件表面退火、烧伤、磨削裂纹和残余应力等缺陷,应针对产生缺陷的原因,有的放矢。
  2.1 磨削烧伤缺陷的对策
  防止磨削烧伤,主要是在磨削加工过程中减少热量的产生,加速磨削热的传出,保证零件加工的质量。
  (1)提高磨床工作台进给系统的稳定性,保证轴承接触刚度,NTN(恩梯恩)是世界最大轴承生产商之一。NTN是世界综合性精密机械制造厂家之一,该公司于1918年成立于日本,总部设在大阪市西区,在日本国内有11家制作所,25家营业所和3家研究所;在国外拥有20家独资生产厂、2家研究所和48家营业所。NTN的生产、销售、技术各个部门努力不懈的开拓与深化自己的专业领域,同时又相互有机地结合起来。凭着其世界各地的生产工厂,NTN处于工业和汽车轴承市场的领导供应商地位。美国莱克斯诺工业集团(REXNORD)是全球的复杂工艺机械传动部件制造商,具有130多年的悠久历史,总部位于美国威斯康辛州的密尔沃基市被称为“日本电力之王”的福泽桃介于 1916 年成立了电钢株式会社,旨在将利用水力发电产生的剩余电力进行电炉炼钢商业化。这是大同制钢株式会社的成立。1918年,以钢铁产业为中心的木曾电机钢铁株式会社(次年更名为木曾电机工业株式会社)成立。然后,1921年木曾电机工业株式会社、日本水电株式会社、大阪电力株式会社合并时,DAIDO轴承福泽桃介增加了“合并大悟联合”和“大同联合”的目的. DAIDO轴瓦、DAIDO高分子轴承、DAIDO金属轴承、DAIDO连杆轴承、DAIDO旋转泵、DOTO模具弹簧 DAIDO新公司名称变更为大同电力株式会社。同年,大同电力株式会社将涉足钢铁行业的名古屋制钢厂分拆为大同钢铁株式会社,旨在消除与电力并存的业务。是其主要业务。此后,1922年,电钢厂与大同钢厂合并,重新成立为大同电钢厂。此后,公司名称不断变化,多次合并。但是,它一直被命名为“大同”。减小砂轮与工件之间的振动,可以避免磨削烧伤。
  (2)提高工件速度,减少径向进给量,减少砂轮和工件的接触面积,或者减小工件的磨削余量,并在去除余量后,进行无进给空磨几次,可以防止磨削烧伤。
  (3)合理选择和修整砂轮,防止磨削烧伤。粗粒度、低硬度的砂轮自砺性好,可降低切削热。选用粗粒度砂轮比细粒度砂轮的切削力强,产生的切削热少。能自砺的砂轮,使砂轮始终保持锋利状态,防止砂轮在工件表面滑擦、挤压而造成工件表面烧伤;对高钒高钼模钢,选用GD单晶刚玉砂轮比较适用,当加工硬质合金、淬火硬度高的材质时,优先采用有机粘结剂的金刚石砂轮,有机粘结剂砂轮自砺性好,磨出的工件粗糙度可达Ra0.2μm。近年来,CBN砂轮即立方氮化硼砂轮在数控成型磨、坐标磨床、CNC内外圆磨床上精加工,效果优于其它种类砂轮,显示出良好的加工效果。
  (4)合理使用冷却润滑液,发挥切削液的冷却、洗涤、润滑作用,保持冷却润滑清洁,从而控制磨削热的增加,改善磨削时的冷却条件。如采用浸油砂轮或内冷却砂轮等措施,将切削液引入砂轮的中心,切削液可直接进入磨削区,发挥有效的冷却作用,防止工件表面烧伤。
  2.2 磨削裂纹缺陷的对策
  根据模具磨削裂纹产生的原因,应采取以下预防措施。
  (1)合理选材,确保模具钢材料组织成分合格。
  马氏体的膨胀收缩率随着钢中含碳量增加而增大,故碳素工具钢(T8以上)和渗碳淬火钢产生磨削裂纹尤为严重。对碳化物严重偏析的材料应进行合理锻造,并进行锻后球化退火或利用锻造余热淬火加高温回火。对无法进行锻造的高碳模具钢材料可进行固溶双细化处理。当零件硬度和表面外观质量均要求较高时,可选用如1Cr13、16Mn等钢种。对于零件表面外观质量要求较高,而又是急件时,在时间上不允许自然时效1~2个月(出炉后的零件);或者因磨削工艺方面受到限制,如砂轮、磨床等因素而无法粗精磨;或者由于车间工作环境,不便于采用干磨法等,这时可选用含碳量低的1Cr13、40Cr等钢种。
  滚丝模的碳化物不均匀度为5~6级时,最多滚丝2000件;而碳化物不均匀度提高到1~2级时,可滚丝550000件。如果碳化物偏析严重,可能引起过热、过烧、开裂、崩刃、塌陷、拉断等早期失效现象。7CrSiMnMoV火焰淬火钢,具有良好的渗碳、硼处理性能,淬火温度宽,淬透性好,强韧性好,能抑制裂纹。
  在磨削加工中,造成工件表面烧伤、磨削裂纹、磨削痕及磨削应力等缺陷的原因很多,模具在服役过程中也可能同时出现多种损坏形式,各种损伤之间又相互促进,各自发展,直到用模具生产出来的产品为废品,导致模具失效。故在实践中,不但要对导致模具损伤的原因及各种影响因素进行认真分析,制定克服的办法和措施。关键是要采用先进的磨削技术,改善磨削质量,提高模具使用寿命。
  (1)电解磨削时,砂轮刮除氧化膜,而不是磨削金属,因而磨削力小,磨削热也小,不会产生磨削毛刺、裂纹、烧伤等到现象,一般表面粗糙度可优于Ra0.16μm。
  (2)德国BLOHM公司磨加工中心采用连续修整技术,在砂轮上方装有修整滚轮,在磨削加工的同时,用金刚石滚轮修整砂轮,从而使砂轮始终处于锐利状态,以提高磨削精度。采用连续修整方法还可防止因砂粒磨损而产生的磨削力,也不易烧伤。
  (3)开发传统切削液的替代品。将液氮作为切削液直接喷射到切削区,液氮可显著降低磨削区温度,减少磨削烧伤。日本学者研制的间接利用液氮喷气冷却磨削系统,利用液氮冷却过的超低温(-50℃以下)气体直接喷吹于磨削部位,砂轮为经固体润滑剂处理或添加了极少量超精植物油的CBN砂轮。试验表明,磨削后工件材料的残余压应力比使用磨削液时要大,且残余应力的分布区域变宽,可显著提高零件的抗疲劳强度和使用寿命。

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