基于强化研磨的轴承套圈表面“油囊”研究

梁忠伟1，2温溢恒1，2刘晓初1，2王豪1

（1.广州大学机械与电气工程学院，广东 广州 510006；2.广州市金属材料强化研磨高性能加工重点实验室，广东 广州 510006）

摘要：为研究强化研磨加工后轴承套圈表面的形貌变化以及验证微观“油囊”的存在，结合试验，分析加工前后轴承套圈表面形貌，并对表面微观“油囊”进行定量分析。结果表明：经强化研磨加工后，套圈表面存在明显的皱褶与大量的小凹坑，验证了微观“油囊”的存在，且分析得出“油囊”具有较强的储油能力，可达到自润滑的效果。

基金项目：国家自然科学基金，项目编号：51275100；项目名称：国家科技支撑计划项目，项目编号：2011BAF09B01

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关键词 ：强化研磨；表面形貌；微观油囊；储油能力

0引言

润滑对轴承非常重要，良好的润滑可以大大降低摩擦系数，减少磨损［1］。对于复杂恶劣的工作环境，传统的油脂润滑方式存在较大的局限性，而轴承自润滑方式可实现轴承的无油或少油润滑，有效地提高工作效率，保证了轴承的使用性能，延长了轴承的寿命［2-3］。

轴承强化研磨技术是一种复合的新型加工方法，其集合了“强化塑性加工”与“研磨微切削”技术［4］。强化研磨加工过程中，高压喷射出的研磨料会使轴承套圈表面产生皱褶与凹陷［5-7］。因此本文将通过观察轴承套圈表面的微观形貌来探讨表面微观“油囊”的存在性，并分析“油囊”的储油性能，为实现轴承套圈的自润滑提供新的加工技术思路。

1试验

1.1试验设备与试验对象

本试验使用的加工设备为广州大学刘晓初教授自主研发的轴承套圈无芯强化研磨机，其主要结构包括：电磁无芯夹具系统、强化研磨料高压喷射与回收装置、自动控制系统。

试验加工对象为经过热处理和精加工后的6207深沟球轴承套圈，其材料为GCr15轴承钢，外径为72.00 mm，宽度为10.00 mm。

1.2试验强化研磨料的配制

试验中强化研磨料主要由研磨粉（其主要成分为棕刚玉）、研磨强化液、铸钢丸以及轴承钢丸按照质量分数比例配制而成。强化研磨料的组分如表1所示。

1.3试验方案

加工参数分别设置为：

（1） 喷嘴与套圈表面距离为45 mm；

（2） 喷射角度为45°；

（3） 工件转速为150 r/min；

（4） 加工压力为0.4 MPa；

（5） 加工时间为5 min。

加工完成后，采用线切割技术分别对未经强化研磨的轴承套圈和经强化研磨的轴承套圈进行切割取样，选择理想区域，采用型号为JSM-7001F的场发射扫描电子显微镜（FESEM）来观察两个轴承套圈试样的表面微观形貌。

2试验结果与分析

2.1表面微观形貌对比

未经强化研磨的轴承套圈试样，经场发射扫描电子显微镜放大1 000倍后的表面微观形貌如图1所示。

从图中可看出，轴承套圈表面形貌较为规律，且平整、光洁，无明显皱褶和凹坑，纹理清晰、规则。其原因在于，未经强化研磨加工的轴承套圈是经过精加工处理的，因此纹理方向一致，表面粗糙度较小，但无明显的小凹坑“油囊”，不利于储存润滑油。

经强化研磨的轴承套圈试样，经场发射扫描电子显微镜放大1 000倍后的表面微观形貌如图2所示。

从图中可看出，轴承套圈表面微观形貌变得杂乱无章，纹理紊乱且较为模糊，表面出现明显的皱褶与凹坑。强化研磨加工过程中，研磨料高压喷射到套圈表面，使其发生弹塑性变形，表面纹理变得紊乱，且出现大量的小凹坑，由于存在小凹坑，故轴承在润滑的过程中，更有利于储存油分子，实现自润滑的目的。这表明经强化研磨加工后，轴承套圈出现了有利于储存油分子的微观“油囊”，可以大大降低轴承运动时的摩擦系数，减少了轴承的磨损。

2.2表面微观“油囊”大小定量分析

经强化研磨加工后的轴承套圈表面出现的“油囊”较多，且形状大小不一，选择经场发射扫描电子显微镜扫描放大5 000倍后的表面微观形貌图，在图上选取6个不同区域的“油囊”，如图3所示。

根据图像比例估算“油囊”实际面积，并通过单分子油膜法来估算油分子直径，得出其直径为d=3.0×10－10m，同时由圆形面积公式S=πd2/4，可计算出油分子中心横截面面积为S油=7.07×10-20m2。由此，可计算得到单个微观“油囊”容纳油分子的数目，如表2所示。

从表2可以看出，轴承套圈经过强化研磨加工后，其表面产生的皱褶与小凹坑，即微观“油囊”，均具有较强的储油能力。其中，面积最小的区域为S4，该处“油囊”约容纳6.36×107个油分子；面积最大的区域为S3，该处“油囊”容纳的油分子数约达1.62×108个；6个不同区域的微观“油囊”平均可容纳油分子数约为1.17×108个。因此，与未经强化研磨加工的轴承套圈相对比，经强化研磨加工后的轴承套圈具有更强的储油能力，经加工后表面产生的微观“油囊”能有效储存油分子，在轴承工作过程中，达到自润滑的效果，降低摩擦，减少磨损，延长了轴承的使用寿命。

3结论

（1） 经强化研磨加工的轴承套圈，其表面整体形貌紊乱，纹理模糊不清，存在明显的皱褶与凹坑，产生了有利于储存油分子的微观“油囊”。

（2） 强化研磨加工后的轴承套圈表面的微观“油囊”具有较强的储油能力，可以使轴承降低摩擦系数，减少磨损，提高疲劳寿命，同时实现少油润滑，减少了添加润滑剂的次数，提高了工作效率，为实现轴承自润滑功能提供了参考。

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参考文献］

［1］刘彭，刘宪武，吴钰婷.润滑技术在设备中的应用与研究［J］.装备制造技术，2015（6）：59-63.

［2］杨丽颖，李长春，王守仁，等.固体自润滑轴承的设计与应用［J］.轴承，2004（3）：9-11.

［3］刘超锋.国内自润滑轴承用材料的研究和开发［J］.铸造技术，2006（4）：416-420.

［4］广州大学.一种机械表面强化研磨加工的方法：中国，2010101013903［P］.2010-06-16.

［5］陈志斌，刘晓初，李文雄，等.轴承套圈强化研磨表面残余应力试验研究［J］.机电工程技术，2013（12）：76-78.

［6］李振，张相琴，张雪萍，等.轴承钢硬切削表面残余应力对滚动接触界面疲劳寿命的影响［J］.上海交通大学学报，2011（1）：50-55.

［7］蔡培雷，汪宏斌，陈卓.强化处理对GCr15钢球残余应力和微观组织的影响［J］.材料科学与工艺，2013，21（6）：144-148.

收稿日期：2015-08-18

作者简介：梁忠伟（1978—），男，广东广州人，博士，副教授，主要从事先进制造技术、强化研磨加工、农林灌溉流体力学的研究工作。