王東峰 袁巨龍 王燕霜 程勇杰 呂冰海

1.浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,杭州，310023 2.洛陽(yáng)軸承研究所有限公司,洛陽(yáng)，471039 3.齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，濟(jì)南，250353 4.山東省機(jī)械設(shè)計(jì)研究院，濟(jì)南，250031

0 引言

軸承是機(jī)械裝備的核心基礎(chǔ)零部件，其精度和質(zhì)量直接決定了主機(jī)的工作性能，有關(guān)研究表明，大約有30%的機(jī)械故障是由軸承失效導(dǎo)致的[1]。文獻(xiàn)[2]統(tǒng)計(jì)了軸承失效原因，在所有導(dǎo)致軸承失效的因素中，外圈疲勞失效占比58%、內(nèi)圈疲勞失效占比13%、滾動(dòng)體疲勞失效占比3%，其他為氧化、顯微疲勞等，也就是說80%的軸承是由于零部件接觸疲勞而失效，而由內(nèi)外圈接觸疲勞引起的失效竟達(dá)70%。在工作狀態(tài)時(shí)，軸承溝道與滾動(dòng)體在外載荷作用下發(fā)生頻繁接觸、相對(duì)運(yùn)動(dòng)和摩擦，工作表面可能會(huì)發(fā)生變形、剝落、磨損、擦傷、燒傷和裂紋等，最終導(dǎo)致軸承失效，而軸承溝道粗糙度、波紋度、表面缺陷、微觀組織、殘余應(yīng)力和硬度等表面完整性參數(shù)與軸承疲勞壽命密切相關(guān)，決定了軸承的抗疲勞性能。因此，軸承套圈溝道的工作表面性能很大程度上決定了整個(gè)軸承的服役性能和壽命極限，是保障軸承安全運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵。

與國(guó)外先進(jìn)水平相比，我國(guó)在軸承套圈的表面完整性、滾動(dòng)體的形狀精度和一致性方面的研究存在較大不足，直接影響了軸承的性能和壽命[3]。通過優(yōu)化加工工藝參數(shù)和應(yīng)用新型工藝技術(shù)提高軸承表面完整性，并綜合考慮到加工效率、設(shè)備成本以及節(jié)能環(huán)保等方面，在提高軸承綜合服役性能的同時(shí)進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化，應(yīng)是我國(guó)軸承工業(yè)未來重點(diǎn)發(fā)展的方向之一。本文對(duì)當(dāng)前精密滾動(dòng)軸承溝道表面完整性研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述：探討軸承套圈溝道表面完整性的定義及內(nèi)涵，詳細(xì)分析套圈溝道表面形貌特征參數(shù)、表層物理特性參數(shù)、表層冶金狀態(tài)參數(shù)等對(duì)軸承性能的影響、應(yīng)控制的指標(biāo)及工藝技術(shù)研究現(xiàn)狀，概述軸承溝道表面完整性的新技術(shù)，并對(duì)軸承溝道表面完整性技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行總結(jié)和預(yù)測(cè)。

1 軸承溝道表面完整性及內(nèi)涵

1.1 廣義的表面完整性

早在20世紀(jì)50年代初，HENRIKSEN[4]就開始了關(guān)于機(jī)械加工零件表面完整性中殘余應(yīng)力特征的研究。1964年，在美國(guó)Defense Metals Information Center召開的一次技術(shù)座談會(huì)上，F(xiàn)IELD等[5]首次明確地提出表面完整性這個(gè)名詞，表面完整性是表征、評(píng)價(jià)和控制加工制造過程中被加工零件表面層內(nèi)可能產(chǎn)生的各種變化及其對(duì)最終成品使用性能影響的一個(gè)綜合性指標(biāo)[6-7]。初銘強(qiáng)等[8]在研究航空零部件加工表面完整性時(shí)將影響零件表面各種完整性的屬性特征分為三類：①形貌特征，如織構(gòu)、波紋度和表面粗糙度；②受影響的力學(xué)性能，如殘余應(yīng)力和硬度；③ 冶金狀態(tài)，如微觀結(jié)構(gòu)、相變、晶粒尺寸和形狀、夾雜物等。目前國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)表面完整性的研究分為兩個(gè)部分，即加工工藝對(duì)表面完整性影響和表面完整性表征模型?？傮w來說，表面完整性受多種因素影響，對(duì)表面完整性的評(píng)價(jià)絕不能從某一個(gè)側(cè)面來衡量，而是應(yīng)將表面完整性看作一個(gè)系統(tǒng)，通過建立表面完整性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系對(duì)表面完整性進(jìn)行全面綜合評(píng)價(jià)。

1.2 軸承溝道的表面完整性

在軸承相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中，涉及表面完整性的內(nèi)容很少，只有GJB269A—2000《航空滾動(dòng)軸承通用規(guī)范》對(duì)軸承零件外觀內(nèi)容作了規(guī)定，包括套圈和滾動(dòng)體表面的裂紋、燒傷、銹蝕、碰傷等。國(guó)內(nèi)外針對(duì)軸承溝道表面完整性的研究也不多，蘇涌翔[9]歸納了軸承溝道表面完整性的具體范圍，如圖1所示。

圖1 軸承溝道表面完整性參數(shù)[9]Fig.1 Surface integrity parameters of bearing grooves[9]

從便于實(shí)際生產(chǎn)和工程應(yīng)用的角度，重點(diǎn)關(guān)注的軸承溝道表面完整性一般是指溝道經(jīng)過某個(gè)加工工序之后特別是經(jīng)過超精加工工序之后的成品軸承溝道表面狀況，其屬性特征包括形貌特征(表面粗糙度、波紋度、缺陷)、物理特性(殘余應(yīng)力、硬度)、冶金狀態(tài)(微觀組織、變質(zhì)層)。目前，軸承溝道表面完整性已成為評(píng)價(jià)軸承溝道精密磨削和超精質(zhì)量最為重要的指標(biāo)[10]，也是成品軸承性能及壽命預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)參數(shù)，涵蓋了軸承精度、性能及可靠性壽命等特征。

2 軸承溝道表面形貌特征研究現(xiàn)狀

2.1 粗糙度和波紋度

滾動(dòng)軸承工作中產(chǎn)生的噪聲和溫升通常可以追溯到要求嚴(yán)格的滾動(dòng)體表面不良條件，稱為“分布缺陷”，它是用來描述制造過程所產(chǎn)生的表面光潔度和形狀特征的。軸承行業(yè)中，將波長(zhǎng)略小于或等于滾動(dòng)體與溝道的赫茲接觸寬度的表面缺陷特征定義為“粗糙度”，而較長(zhǎng)波長(zhǎng)的則定義為“波紋度”[11]，如圖2所示。

圖2 軸承溝道表面波紋度及粗糙度示意圖Fig.2 Diagram of corrugation and roughness ofbearing raceway surface

粗糙度是反映零部件表面質(zhì)量、微觀幾何形狀誤差的一個(gè)重要指標(biāo)，不同的表面粗糙度對(duì)零部件的疲勞性能有著不同的影響。軸承套圈滾道、滾動(dòng)體的表面粗糙度會(huì)影響表面潤(rùn)滑狀態(tài)和摩擦因數(shù)，減小表面粗糙度值能夠延長(zhǎng)軸承的壽命。同時(shí)，表面粗糙度屬于“微尺度”范疇，在這種情況下，局部彈性接觸區(qū)近似等于或小于赫茲接觸面積。這種彈性變形的產(chǎn)生極為迅速，使得兩次接觸間隔的時(shí)間極短。對(duì)于較高頻率的振動(dòng)，例如10 kHz以上，這種變形被認(rèn)為是產(chǎn)生軸承振動(dòng)的一個(gè)主要原因。與振動(dòng)水平相比，噪聲水平受粗糙度的影響更大，特別是對(duì)聽覺范圍以上的頻率，表面粗糙度的影響更顯著。

顯然，無(wú)論是降低軸承振動(dòng)或是提高軸承壽命，都要解決同一個(gè)問題，即保證球與滾道接觸區(qū)有合適的粗糙度，從而保證接觸面的完全流體潤(rùn)滑，避免金屬表面的接觸碰撞。從潤(rùn)滑質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)Λ也可以看出接觸表面粗糙度的重要性：

Λ=h0/Ra

式中，h0為球與滾道之間的潤(rùn)滑油膜厚度；Ra為接觸表面粗糙度的算術(shù)平均值。

很多試驗(yàn)表明，當(dāng)Λ>4時(shí)，接觸面處于完全流體潤(rùn)滑狀態(tài)。如果工作表面粗糙度過大，就會(huì)造成粗糙表面直接接觸，如果粗糙度值太小，表面過于光滑，也會(huì)因潤(rùn)滑劑保持不住而很快處于貧油狀態(tài)。低噪聲軸承試驗(yàn)結(jié)果表明，套圈溝道表面粗糙度的控制指標(biāo)Ra不應(yīng)大于0.025 μm，Ry(微觀不平度十點(diǎn)高度)不應(yīng)大于0.25 μm，Rz(輪廓最大高度)不應(yīng)大于0.15 μm。

目前，為了獲得軸承溝道理想的粗糙度，一般采取先精密磨削再超精加工或拋光的加工工藝方法，并通過工藝優(yōu)化，保證軸承套圈成品工作表面具有合適深度的微觀凹谷以滯留潤(rùn)滑劑，同時(shí)減小微觀凸起峰的高度，比如超精加工中的“拉絲工藝”,這種工藝在軸承工作表面形成的微織構(gòu)不僅可以降低軸承振動(dòng)，而且可以降低滾道和球的磨損，提高軸承使用壽命。秘文博[12]對(duì)氮化硅(Si3N4)陶瓷軸承外圈溝道進(jìn)行精磨及超精加工實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：進(jìn)給速度影響圓度，砂輪線速度影響溝道表面粗糙度，優(yōu)化工藝參數(shù)后磨削表面粗糙度降低到0.0253 μm。JIANG等[13]提出考慮表面粗糙度、暗蝕層厚度和加工時(shí)間的研磨工藝模型，獲得了優(yōu)化的工作轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到了對(duì)表面粗糙度的技術(shù)要求。ZHOU等[14]建立了磨削參數(shù)-粗糙度一階響應(yīng)面模型，得出二者之間的顯式表達(dá)式，獲得了滿足溝道表面質(zhì)量要求的約束。常舟等[15]以軸承滾道磨削表面完整性離散度作為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)基于砂輪轉(zhuǎn)速、工件轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量的正交試驗(yàn)(表1)，采用PGI(phase grating interferometric)接觸式非球面測(cè)量?jī)x測(cè)量軸承滾道粗糙度，結(jié)果表明，粗糙度在0.3～0.6 μm之間，隨著砂輪轉(zhuǎn)速的升高，粗糙度的標(biāo)準(zhǔn)差逐漸減小，但粗糙度呈減小趨勢(shì)(圖3)。吳玉厚等[16]研究超精工藝參數(shù)對(duì)氮化硅陶瓷軸承套圈溝道表面粗糙度的影響，發(fā)現(xiàn)超精加工時(shí)間、油石壓力、工件切線速度、長(zhǎng)行程擺蕩頻率和短行程擺蕩頻率各工藝參數(shù)從大到小依次影響溝道表面粗糙度。王浩[17]對(duì)氮化硅陶瓷套圈溝道超精研加工表面粗糙度進(jìn)行試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：粗超階段(超精加工第一階段)，油石壓力對(duì)溝道表面粗糙度影響最大，精超階段，超精加工時(shí)間和長(zhǎng)行程擺蕩速度對(duì)溝道表面粗糙度影響最大，粗超階段改善溝道表面粗糙度強(qiáng)于半精超階段和精超階段。REN等[18]將在線電解修銳磨削技術(shù)(ELID)引入到陶瓷球軸承溝道加工中，實(shí)現(xiàn)了溝道的精密加工，溝道表面粗糙度在0.03 μm以內(nèi)，基于工作陰極的軸承外圈溝道ELID磨削加工如圖4所示。FATHIM等[19]將ELID技術(shù)應(yīng)用到超精軸承溝道，獲得了粗糙度Ra為0.027 μm的高質(zhì)量表面。為了能夠進(jìn)一步降低軸承溝道的表面粗糙值度，DANG等[20]利用超聲滾壓工藝對(duì)300M鋼進(jìn)行表面強(qiáng)化，一次超聲滾壓過程就能夠降低工件的表面粗糙度值一個(gè)量級(jí)(Ra從0.3 μm降低到0.025 μm)。

表1 磨削試驗(yàn)工藝參數(shù)表[15]Tab.1 Grinding test process parameter table[15]

圖3 粗糙度與磨削工藝參數(shù)關(guān)系示意圖[15]Fig.3 Diagram of relationship between roughnessand grinding process variable[15]

圖4 軸承溝道ELID超精加工示意圖[18]Fig.4 Diagram of ELID superfinishing ofbearing raceway[18]

波紋度屬于表面幾何形狀偏差，是一種形狀誤差，包括橢圓度和棱圓度。在軸承潤(rùn)滑良好(Λ>4)、無(wú)污染、保持架運(yùn)轉(zhuǎn)正常、承受載荷適當(dāng)?shù)那闆r下，軸承振動(dòng)特別是中高頻振動(dòng)主要由溝道和滾動(dòng)體的波紋度引起。軸承的彈性撓曲振動(dòng)和剛體振動(dòng)都隨軸承零件工作表面的波紋度誤差改進(jìn)而減小。某型號(hào)深溝球軸承超精后加工套圈溝道波紋度與軸承振動(dòng)值的關(guān)系如表2[21]所示。

表2 軸承溝道波紋度與振動(dòng)平均值[21]Tab.2 Mean value of corrugation and vibration ofbearing channel[21]

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)軸承波紋度激振進(jìn)行了大量研究， TALLIAN等[22]通過實(shí)驗(yàn)分析了內(nèi)外圈溝道形狀誤差對(duì)軸承振動(dòng)產(chǎn)生的影響，并指出多組波紋度誤差分量與振動(dòng)頻率之間存在的對(duì)應(yīng)關(guān)系，指出低級(jí)數(shù)的外圈波紋度影響滾動(dòng)體通過頻率的振幅。YHLAND[23]在TALLIAN等[22]研究的基礎(chǔ)上，對(duì)波紋度誤差的理論激勵(lì)頻率和測(cè)量得到的振動(dòng)信號(hào)頻率進(jìn)行了對(duì)比分析，得到了波紋度與軸承振動(dòng)頻譜的相關(guān)性。MEYER等[24]發(fā)現(xiàn)溝道形狀誤差不僅會(huì)產(chǎn)生一系列的主激勵(lì)頻率，還會(huì)在其旁邊產(chǎn)生調(diào)制頻率，且每組頻率的間隔與形狀誤差的波數(shù)成正比。WARDLE[25]證明，當(dāng)滾動(dòng)體數(shù)量和波紋度數(shù)相等時(shí)，軸承將產(chǎn)生劇烈振動(dòng)，因?yàn)槌霈F(xiàn)了載荷和所有滾動(dòng)體的諧調(diào)振動(dòng)。RAHNEJAT等[26]在對(duì)主軸振動(dòng)研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，軸承內(nèi)圈波紋度誤差激勵(lì)在一定頻率間隔上產(chǎn)生的振動(dòng)響應(yīng)幅值比較大，該頻率間隔與波紋度誤差的諧波階次成正比。SUNERSJ?[27]在實(shí)驗(yàn)中分析了內(nèi)圈溝道波紋度與滾動(dòng)體尺寸不一致產(chǎn)生的振動(dòng)頻率。WARDLE[25,28]、LYNAGH等[29]、邵建敏等[30]和趙聯(lián)春等[31-32]進(jìn)一步通過動(dòng)力學(xué)模型得出并總結(jié)了特定階次的內(nèi)外圈溝道和滾動(dòng)體表面波紋度誤差產(chǎn)生的振動(dòng)激勵(lì)主頻率和調(diào)制頻率。波紋度誤差對(duì)軸承振動(dòng)的影響不僅與其階次有關(guān)，還與幅值有關(guān)。馮克明[33]的研究表明,軸承振動(dòng)加速度在一定頻率范圍內(nèi)隨著外圈溝道波紋度誤差幅值的減小而減小，當(dāng)波紋度誤差幅值減小到一定程度時(shí)，振動(dòng)加速度響應(yīng)趨于穩(wěn)定。孫立明等[34]基于實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)，分別采用線性、對(duì)數(shù)和指數(shù)回歸方程分析了球軸承振動(dòng)加速度響應(yīng)幅值與溝道波紋度誤差之間的相關(guān)性。KANKAR等[35]研究了內(nèi)外圈溝道表面波紋度對(duì)轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)非線性振動(dòng)的影響，預(yù)測(cè)了軸承內(nèi)外圈各階波紋度特定頻率分量的離散頻譜，同時(shí)建立了激勵(lì)振動(dòng)頻率和波紋度階數(shù)的關(guān)系。李云彬[36]針對(duì)溝道表面波紋度引起的軸承振動(dòng)響應(yīng)建立了軸承外圈溝道表面波紋度動(dòng)力學(xué)模型，發(fā)現(xiàn)隨波紋度最大幅值的增大，軸承的振動(dòng)響應(yīng)隨之增大，并且波數(shù)與滾動(dòng)體數(shù)目相等或成倍數(shù)關(guān)系時(shí)軸承的振動(dòng)響應(yīng)會(huì)突然增大。時(shí)博陽(yáng)[37]建立了實(shí)測(cè)波紋度圓柱滾子動(dòng)力學(xué)模型，發(fā)現(xiàn)滾動(dòng)體振動(dòng)能量隨轉(zhuǎn)速和軸承所受徑向力的增大而增大，外圈和滾動(dòng)體的振動(dòng)加速度峰值頻率和轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系。LIU等[38]為了研究牽引電動(dòng)機(jī)軸承波紋度的影響，建立了時(shí)變位移、接觸剛度和接觸剛度激勵(lì)的相關(guān)模型，結(jié)果顯示,控制波紋的振幅和避免波數(shù)為滾動(dòng)體的整數(shù)倍可以有效降低振動(dòng)和噪聲。

波紋度對(duì)軸承的振動(dòng)有著重要影響，而波紋度與軸承套圈的精磨和超精加工工藝、工裝夾具等密切相關(guān)。李彥等[39]發(fā)現(xiàn)機(jī)床的加工精度、主軸振動(dòng)和磨削參數(shù)的選擇不當(dāng)會(huì)引起溝道表面振紋的產(chǎn)生，通過調(diào)整機(jī)床、優(yōu)化磨削參數(shù)以及合理調(diào)整電磁無(wú)心夾具等，可有效降低套圈溝道的表面波紋度。于長(zhǎng)友等[40]探討了在終磨、酸洗和超精加工過程中，控制風(fēng)電增速齒輪箱軸承溝道波紋度的方法，提高了波紋度的穩(wěn)定性和加工效率。尹龍等[41]基于磨削砂輪上磨粒的運(yùn)動(dòng)軌跡分析加工參數(shù)對(duì)軸承溝道表面波紋度的影響，發(fā)現(xiàn)：隨著超聲振幅和砂輪轉(zhuǎn)速的增大，軸承溝道波紋度先減小后增大；隨磨削深度和進(jìn)給速度的增大，溝道波紋度增大；傳統(tǒng)磨削輔以超聲可有效抑制波紋度的增大。VIITALA[42]提出了一種補(bǔ)償磨削軸承套圈加工軸圓度的方法，可最大限度地減小軸承套圈的加工圓度誤差，同時(shí)也能夠最大限度地降低軸承波紋度。

2.2 表面缺陷

材料的質(zhì)量、熱處理工藝、切削加工方式和工作環(huán)境等都會(huì)對(duì)軸承溝道表面缺陷的萌生造成一定的影響[43]。在冶煉過程中，軸承材料中夾雜物的產(chǎn)生無(wú)法避免，是造成軸承表面缺陷的一大主因。KAZUYA等[44]對(duì)包含不同成分和尺寸氧化物的鋼樣品進(jìn)行滾動(dòng)接觸疲勞壽命研究，發(fā)現(xiàn)減小鋼樣品中的氧化物尺寸可以提高接觸疲勞壽命，鋼樣品接觸疲勞壽命隨氧化物的化學(xué)組成不同而變化。GUETARD等[45]采用球桿配置機(jī)研究了各種軸承鋼的滾動(dòng)接觸疲勞，提出氧化物的形成導(dǎo)致局部體積膨脹，然后由于楔形效應(yīng)加速了裂紋的傳播。MAKINOA等[46]研究了硫化夾雜物對(duì)高強(qiáng)度鋼接觸疲勞性能的影響，采用同步加速度層析成像作為連續(xù)觀察接觸疲勞損傷的成像方法，發(fā)現(xiàn)在缺陷處引發(fā)垂直裂紋，垂直裂紋擴(kuò)展過程中引發(fā)水平裂紋，水平裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致剝落失效，接觸疲勞裂紋的起始和傳播過程如圖5所示。由此可見，軸承材料中夾雜物對(duì)軸承滾動(dòng)接觸疲勞壽命有影響，為了能夠提高軸承滾動(dòng)接觸疲勞壽命及可靠性，對(duì)軸承材料的冶煉工藝與技術(shù)的研究極為重要。

(a)虛構(gòu)缺陷起源的案例示意圖

(b)夾雜物3D圖像案例圖5 RCF裂紋的起始和傳播過程[46]Fig.5 Initiation and propagation of RCF cracks[46]

軸承的熱處理工藝包括淬火、多道回火以及深冷處理，這些熱處理方式對(duì)軸承的硬度以及抗疲勞性能均有著重要的影響。熱處理工藝不合理會(huì)造成溝道表面缺陷。如淬火過熱產(chǎn)生粗大的馬氏體，可使軸承韌性降低，嚴(yán)重的會(huì)造成淬火裂紋[47]；淬火欠熱則會(huì)引起塊狀托氏體或針狀托氏體產(chǎn)生，降低溝道表面硬度和耐磨性；熱處理脫碳會(huì)極大降低軸承的耐磨性和耐疲勞性，使局部產(chǎn)生拉應(yīng)力造成微裂紋的產(chǎn)生。為控制熱處理過程中產(chǎn)生表面缺陷，孫欽賀[48]提出了一系列熱處理質(zhì)量控制措施。為防止產(chǎn)生過熱組織，應(yīng)根據(jù)材料選擇合理的加熱溫度和時(shí)間；為防止產(chǎn)生欠熱組織，可檢查金相顯微組織分析原因并采取相應(yīng)的措施；為防止產(chǎn)生淬火裂紋，要嚴(yán)格控制原材料質(zhì)量，選擇合理的淬火溫度、保溫時(shí)間、冷卻介質(zhì)和冷卻方式，淬火后要及時(shí)回火，控制碳勢(shì)防止表面脫碳。LI等[49]研究了不同的熱處理參數(shù)和深冷處理(-75℃)對(duì)低碳馬氏體軸承鋼微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響，深冷處理能夠提高淬火、回火軸承鋼的硬度和拉伸強(qiáng)度，但隨著深冷、回火反復(fù)次數(shù)的增加，軸承鋼的韌性降低。WU等[50]研究了起始球化微觀結(jié)構(gòu)對(duì)GCr15軸承鋼淬火、回火后的耐磨性和接觸疲勞性能的影響，軸承鋼球化退火后的球化程度對(duì)淬火、回火后不溶碳化物的大小和分布有著決定性的影響，球化程度的增加和起始滲碳體晶粒尺寸的減小能夠使不溶碳化物的顆粒大小減??；在線低溫球化退火處理不僅能夠縮短球化退火時(shí)間，而且能夠提高淬火、回火后軸承鋼的耐磨性和抗疲勞性能。

溝道磨削加工過程中，磨削燒傷是一種典型缺陷，可誘發(fā)軸承溝道表面剝落。范文明等[51]分析了軸承溝道磨削燒傷引發(fā)溝道表面剝落的原因和形成過程，如圖6所示，磨削燒傷造成溝道局部表層組織、性能、殘余應(yīng)力發(fā)生改變；滾動(dòng)接觸應(yīng)力作用下，磨削燒傷帶形成周向裂紋，周向裂紋根部的線狀疲勞源向兩側(cè)局部周向獨(dú)立擴(kuò)展，最終形成大面積周向剝離帶。明確磨削燒傷剝落作用機(jī)制，可為尋找軸承溝道剝離原因提供依據(jù)。張祁泳[52]認(rèn)為磨削的溫升效應(yīng)使溝道表層組織發(fā)生相變，熱塑性變形造成很大殘余拉應(yīng)力的產(chǎn)生，致使應(yīng)力集中造成疲勞失效；指出控制磨削用量、優(yōu)化砂輪參數(shù)、提高冷卻效果和確保工藝系統(tǒng)剛性等可預(yù)防磨削燒傷的產(chǎn)生。李迎麗等[53]提出制定合理的磨削工藝流程，穩(wěn)定控制套圈溝道表面磨削質(zhì)量，可規(guī)避磨削燒傷。規(guī)范溝道磨削工藝流程，提高磨削過程控制，對(duì)調(diào)控磨削燒傷、提高軸承的抗疲勞性能極為重要。

圖6 磨削燒傷軸承內(nèi)圈溝道剝落過程示意圖[51]Fig.6 Schematic diagram of grinding burn spallingprocess of bearing inner ring[51]

軸承套圈溝道表面缺陷會(huì)降低軸承作為零部件產(chǎn)品的安全性和可靠性，造成安全事故的發(fā)生。因此，一方面要不斷優(yōu)化工藝技術(shù)減少表面缺陷的產(chǎn)生，另一方面要研發(fā)軸承表面缺陷檢測(cè)技術(shù)以控制存在表面缺陷的軸承流入市場(chǎng)。軸承表面缺陷檢測(cè)常見方法有超聲波檢測(cè)技術(shù)、紅外線檢測(cè)技術(shù)、磁漏檢測(cè)技術(shù)、渦流探傷檢測(cè)技術(shù)和機(jī)器視覺檢測(cè)技術(shù)等[54]。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器視覺檢測(cè)打破其他常規(guī)無(wú)損檢測(cè)僅針對(duì)特定缺陷或?qū)χ車h(huán)境有要求的局限性，以智能、高效、無(wú)損等優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用于自動(dòng)化生產(chǎn)。SPINOLS等[55]采用霍夫變換擬合直線和向量分析的方法，基于機(jī)器視覺檢測(cè)設(shè)計(jì)了不銹鋼帶寬度和表面缺陷檢測(cè)系統(tǒng)。蘭葉深等[56]提出一種基于視覺顯著性的軸承表面缺陷檢測(cè)方法，采用高斯金字塔降維分層—超像素分割—像素顯著值提取—缺陷定位識(shí)別方法，提高了檢測(cè)效率，降低了漏檢率。吳義權(quán)[57]設(shè)計(jì)了一套基于機(jī)器視覺的軸承外圈表面缺陷識(shí)別系統(tǒng)，提出了一種結(jié)合相關(guān)系數(shù)判別、特征向量組合和包裹法的特征選擇算法。張?jiān)閇58]提出了一種基于機(jī)器視覺軸承表面缺陷自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，采用圖像灰度值的標(biāo)準(zhǔn)差和均值范圍進(jìn)行初次分類和二值化處理。BASTAMI等[59]利用振動(dòng)信號(hào)分析來確定滾子軸承的缺陷，并同時(shí)采用輸入點(diǎn)、輸出點(diǎn)的時(shí)間差來確定自然缺陷的尺寸。LIU等[60]基于振動(dòng)信號(hào)在陶瓷軸承外套圈的傳輸，利用裂紋位置與時(shí)變剛度的密切關(guān)系確定裂紋的位置。

3 軸承溝道表層物理特性研究現(xiàn)狀

3.1 硬度

硬度與接觸疲勞壽命、耐磨性和彈性極限存在緊密聯(lián)系，從而直接影響軸承的使用壽命，是評(píng)判軸承溝道表面完整性的一個(gè)重要指標(biāo)[61]。熱處理工藝是提高軸承溝道表面硬度的重要手段，通過淬火、回火和退火，可改變微觀組織結(jié)構(gòu)獲得最佳的硬度值。肖愛武[62]對(duì)機(jī)床主軸軸承鋼進(jìn)行不同溫度的淬火和回火實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：隨淬火溫度升高，回火馬氏體基體粗化，第二相粒子數(shù)量和尺寸減小，硬度先增大后減小；淬火溫度為1030 ℃時(shí)，可得到最高回火硬度；隨回火溫度升高，回火馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗鹎象w和回火索氏體，450 ℃以下硬度無(wú)變化，超過450 ℃后硬度值急劇減小。LIAN等[63]研究了滲碳M50NiL軸承鋼在固溶期間表面碳化物的演變，分析它對(duì)軸承鋼回火后硬度的影響，得出高溫固溶和低溫回火相結(jié)合的熱處理方式不僅硬度高，而且碳化物細(xì)小且分布均勻。SU等[64]對(duì)深回火滲碳M50NiL軸承鋼的組織和硬度影響進(jìn)行研究，如圖7所示，結(jié)果顯示：在深回火過程中，碳化物從馬氏體(ML)中析出，起到第二相強(qiáng)化的作用，但馬氏體中碳含量的減少削弱固溶強(qiáng)化作用，因此，總體上硬度增大不明顯；由于滲碳層表面馬氏體中析出的碳化物積聚形成塊狀碳化物(BC)，且碳化物總數(shù)明顯減少，與初始狀態(tài)相比500 ℃深回火5次后表層硬度最低；回火次數(shù)的增加促進(jìn)碳化物析出，削弱了鋼的基體硬度；較高溫度回火次數(shù)的增加有利于碳化物的進(jìn)一步溶解和碳原子向滲碳層的擴(kuò)散，從而增加滲碳層的深度，但碳化物的溶解影響小于碳擴(kuò)散對(duì)鋼硬度的影響。從微觀組織演變特征探討熱處理對(duì)硬度的影響，為新的熱處理工藝提高硬度的機(jī)理研究提供了思路。HUANG等[65]采用恒溫?zé)崽幚磔S承鋼，在880 ℃奧氏體化+200 ℃恒溫處理6 h下軸承鋼的金相由細(xì)小、均勻的微觀結(jié)構(gòu)組成，獲得了最高的硬度(61.2HRC)。

圖7 深回火M50NiL軸承鋼微觀組織演變示意圖[64]Fig.7 Diagram of microstructure evolution of deep tempered M50NiL bearing steel[64]

滲碳處理是一種典型的表面硬化法，在滲碳爐中控制碳勢(shì)，使材料表面獲得所需的含碳量及滲碳層深度，進(jìn)而提高零部件表面的綜合性能。KUMAR等[66]采用等離子滲碳技術(shù)對(duì)不同熱處理后的AISI52100鋼試樣進(jìn)行處理發(fā)現(xiàn)：淬火和回火試樣處理后表面硬度降低，退火試樣處理后表面硬度明顯升高，同時(shí)發(fā)現(xiàn)在表層生成了Fe4N等氮化物。傳統(tǒng)滲碳20Cr2Ni4軸承鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后，表面形成高碳馬氏體，硬度高且耐磨性好，心部形成低碳馬氏體，硬度低，沖擊韌性好，得到廣泛的應(yīng)用[67]。但高碳馬氏體韌性差，回火脆性大，淬透性差，不足以應(yīng)用于重型軸承中。因此，WANG等[68]開發(fā)了新型滲碳納米貝氏體軸承鋼滲碳熱處理工藝，納米貝氏體不僅比高碳馬氏體具有更高的韌性，且硬度和強(qiáng)度與之相當(dāng)，兩種滲碳工藝滲碳層的硬度分布對(duì)比如圖8所示。從表面到心部?jī)煞N鋼的硬度不斷減小，表面顯微組織不同，但表面硬度相差不大；23Cr2Ni2Si1Mo鋼心部含碳量高于20Cr2Ni4鋼心部含碳量，心部硬度較高。表面細(xì)微的納米貝氏體組織更有利于提高硬度值，使軸承溝道表面耐磨性和抗疲勞性更加優(yōu)異，應(yīng)用于重型軸承非常有前景。劉瀟[69]對(duì)高鐵軸承套圈滲碳熱處理工藝進(jìn)行相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)：隨滲碳溫度的升高、碳濃度的增大及滲碳時(shí)間的延長(zhǎng)，軸承套圈表面顯微硬度增大；滲碳溫度和滲碳時(shí)間對(duì)套圈硬度梯度和滲碳層碳含量影響較顯著。由滲碳工藝的研究現(xiàn)狀可以得到，滲碳處理能夠在熱處理的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高軸承套圈的表面硬度，但是傳統(tǒng)滲碳處理存在韌性差、滲透性差等問題，為此等離子滲碳以及新型滲碳技術(shù)的研究具有一定的緊迫性。

圖8 20Cr2Ni4鋼和23Cr2Ni2Si1Mo鋼滲碳層硬度對(duì)比[68]Fig.8 Comparison of hardness of carburizing layer between 20Cr2Ni4 steel and 23Cr2Ni2Si1Mo steel[68]

由常舟等[15]以砂輪轉(zhuǎn)速、工件轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量的正交試驗(yàn)(表1)看，磨削后滾道硬度在62～65 HRC之間，硬度變化不大，如圖9所示。因此，傳統(tǒng)的軸承磨削加工基本不改變表層硬度，同時(shí)因加工后粗糙度較大，還需進(jìn)行研磨和拋光處理，效率較低且污染軸承溝道表面[70]。針對(duì)傳統(tǒng)軸承磨削加工工藝的不足，劉曉初等[71]研究了結(jié)合“強(qiáng)化塑性加工”與“研磨微切削”的軸承新型強(qiáng)化研磨工藝，原理如圖10a所示，分析了磨料中不同直徑的軸承鋼丸組合配比對(duì)軸承內(nèi)圈溝道面的硬度及形貌的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)化效果與鋼丸的直徑組合配比有關(guān)，直徑為 2 mm和3 mm 的組合配比強(qiáng)化效果最佳，可均勻地使表面金屬發(fā)生彈塑性變形，大大提高了溝道表面的硬度。他們對(duì)強(qiáng)化研磨后的表面化學(xué)成分進(jìn)行分析，得到了有“表面織構(gòu)層(包括油囊、紋理)、富氮化學(xué)物理膜層、富氮表面強(qiáng)化層”的三層復(fù)合結(jié)構(gòu)[72]，如圖10b所示。蕭金瑞等[73]研究6012 深溝球軸承內(nèi)圈溝道表面在不同加工參數(shù)下的強(qiáng)化研磨微納加工時(shí)發(fā)現(xiàn)：隨噴射壓力、加工時(shí)間及噴射角度的增大，試樣表面平均硬度隨之增大；表面硬度受加工時(shí)間影響最大。因此，強(qiáng)化研磨能夠提高軸承溝道表面硬度，提高軸承溝道的表面質(zhì)量。

圖9 硬度與磨削工藝參數(shù)關(guān)系示意圖[15]Fig.9 Diagram of relationship between hardness and grinding parameters[15]

1.研磨料高壓噴頭 2.電磁吸盤 3.軸承套圈 4.右支撐 5.左支撐 6.氮?dú)鈬婎^(a)套圈強(qiáng)化研磨工藝[71]

(b)強(qiáng)化研磨三層復(fù)合結(jié)構(gòu)[72]圖10 軸承套圈強(qiáng)化研磨工藝及結(jié)構(gòu)示意圖Fig.10 Diagram of bearing ring strengthening grinding process and structure

3.2 殘余應(yīng)力

軸承溝道表面的殘余應(yīng)力狀態(tài)對(duì)其性能的影響僅次于表面硬度，相同硬度、高殘余壓應(yīng)力的軸承鋼表現(xiàn)出了更長(zhǎng)的滾動(dòng)接觸疲勞壽命。軸承溝道表面殘余應(yīng)力分布狀態(tài)由磨削力、磨削熱和組織材料相變?nèi)唏詈献饔脹Q定。TORKAMANI等[74]利用表面高頻淬火在C56E2軸承鋼表面形成了高硬度層、在表層形成了殘余壓應(yīng)力。王德祥[75-76]建立了軸承內(nèi)圈溝道磨削殘余應(yīng)力有限元模型，發(fā)現(xiàn)增大接觸應(yīng)力和磨削力比有利于溝道表層殘余壓應(yīng)力的產(chǎn)生；同時(shí)研究了磨削工藝參數(shù)對(duì)溝道表層殘余應(yīng)力的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)砂輪轉(zhuǎn)速和磨削深度的增大，不利于表層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力；增大對(duì)流傳熱系數(shù)和降低磨削液切削初始溫度有利于殘余壓應(yīng)力的產(chǎn)生。由常舟等[15]以砂輪轉(zhuǎn)速、工件轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量的正交試驗(yàn)(表1)看，磨削后溝道殘余壓應(yīng)力變化較大，整體來說隨著砂輪轉(zhuǎn)速的升高，滾道殘余應(yīng)力由壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力，如圖11所示。SHAH等[77]以AISI52100軸承鋼為材料研究磨削相變對(duì)殘余應(yīng)力的影響發(fā)現(xiàn)：在磨削過程中，磨削熱超過奧氏體化溫度，高冷卻速度會(huì)導(dǎo)致馬氏體的形成，引發(fā)殘余壓應(yīng)力的產(chǎn)生，殘余壓應(yīng)力與馬氏體比例和影響深度存在直接相關(guān)性；同時(shí)建立了磨削過程平面有限元模型及考慮相變和未考慮相變下的殘余應(yīng)力模型，如圖12所示，考慮相變和工件表面殘余應(yīng)力的仿真得到殘余壓應(yīng)力，忽略相變仿真，出現(xiàn)了殘余拉應(yīng)力。由于實(shí)驗(yàn)過程中對(duì)切削溫度及刀具磨損進(jìn)行檢測(cè)和預(yù)測(cè)不易，因此采用有限元數(shù)值模擬分析磨削殘余應(yīng)力是重要的輔助手段，但大多數(shù)學(xué)者忽略了材料相變的影響，僅考慮主要因素的影響，從而導(dǎo)致得到的分析結(jié)果過于片面。

(a)套圈環(huán)向殘余應(yīng)力均值磨削工藝參數(shù)關(guān)系

(b)套圈軸向殘余應(yīng)力均值與磨削工藝參數(shù)關(guān)系圖11 套圈殘余應(yīng)力均值與磨削工藝參數(shù)關(guān)系[15]Fig.11 Relationship between mean value of residual stress and grinding process parameters[15]

圖12 考慮相變與不考慮相變下殘余應(yīng)力的剖面分布[77]Fig.12 Profile distribution of residual stress with or without phase transformation[15]

為了避免磨削的熱損傷對(duì)軸承溝道表面質(zhì)量的影響，“以車代磨”淬硬軸承的硬態(tài)切削被引入到軸承溝道的精密加工中。在探索“以車代磨”工藝中，研究硬態(tài)切削過程中軸承鋼加工表面殘余應(yīng)力分布規(guī)律極其重要，可以為后續(xù)車削軸承溝道殘余應(yīng)力的控制和工藝參數(shù)優(yōu)化提供理論指導(dǎo)。陶亮等[78]運(yùn)用金屬切削軟件Advantedge對(duì)GCrl5淬硬軸承鋼的硬態(tài)切削過程進(jìn)行熱力耦合切削仿真發(fā)現(xiàn)：殘余應(yīng)力隨切削深度的逐漸增大由壓應(yīng)力過渡成拉應(yīng)力；隨切削速度的增大，殘余壓應(yīng)力先減小后增大；隨進(jìn)給量的增大，殘余壓應(yīng)力最大值和應(yīng)力深度顯著增大；背吃刀量對(duì)殘余壓應(yīng)力影響較小。ZHANG等[79]指出在低的切削速度下，殘余壓應(yīng)力主要由塑性變形和微觀組織結(jié)構(gòu)引起；在高切削速度下，拉伸殘余應(yīng)力主要由切削熱引起。LIU等[80]探討了刀尖半徑和刀具磨損對(duì)硬車削過程中殘余應(yīng)力的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：切削早期刀尖半徑對(duì)殘余應(yīng)力影響顯著，隨刀尖半徑的增大，表面殘余應(yīng)力存在向拉伸方向延伸的趨勢(shì)；隨刀具磨損的增加，表面殘余拉應(yīng)力和次表面壓應(yīng)力均增大，但刀尖半徑對(duì)殘余應(yīng)力分布影響減小。JOUINI等[81]研究了硬車削、磨削對(duì)AISI軸承鋼表面質(zhì)量的影響，精密硬車削軸承鋼表層的殘余壓應(yīng)力分布呈現(xiàn)“溝形”分布，周向和切向殘余壓應(yīng)力分別為-120 MPa和-437 MPa，隨著工件表層深度的增加，周向、切向殘余壓應(yīng)力分別在25 μm、30 μm表層處出現(xiàn)最大值，分別為-680 MPa、-800 MPa；精密磨削表層周向、切向的殘余壓應(yīng)力最大分別為-186 MPa、-444 MPa，之后逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力。由此可見，精密硬車削能夠使溝道表層及一定深度表層處保持殘余壓應(yīng)力，在軸承溝道加工中表現(xiàn)出了顯著的優(yōu)越性。

超精加工最終決定溝道的應(yīng)力分布情況，對(duì)延長(zhǎng)軸承疲勞壽命，提高軸承的可靠性具有重大意義。精密加工過程中殘余應(yīng)力離散度的研究，有助于了解和掌握加工表面的殘余應(yīng)力分布特性以及提高疲勞壽命和預(yù)測(cè)精度。高二威[82]分析了加工軸承套圈各道工序的殘余應(yīng)力離散度，熱處理后軸承內(nèi)圈表面殘余應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)差達(dá)到59.95 MPa，經(jīng)超精加工后降低為18.27 MPa，工序累積增大了表面殘余應(yīng)力平均值，但殘余應(yīng)力離散度未增大，離散度呈現(xiàn)逐漸收斂的狀態(tài)，經(jīng)過超精加工后表面殘余應(yīng)力分布一致性較高。葛培琪等[83]研究了精研加工參數(shù)對(duì)溝道表面殘余應(yīng)力影響，發(fā)現(xiàn)軸承溝道表面存在殘余壓應(yīng)力，軸承溝道底部表面周向殘余應(yīng)力大于軸向殘余應(yīng)力，油石壓力對(duì)溝道表面殘余壓應(yīng)力的影響最大，工件轉(zhuǎn)速、切削角、振蕩頻率等參數(shù)影響較小。超精工藝參數(shù)選擇時(shí)應(yīng)當(dāng)著重考慮油石壓力參數(shù)，為控制軸承溝道表層壓力分布選擇合理工藝參數(shù)提供參考。

4 軸承溝道表層冶金狀態(tài)研究現(xiàn)狀

軸承滾動(dòng)體與套圈溝道接觸，高應(yīng)力下會(huì)出現(xiàn)滾動(dòng)接觸疲勞，形成大量不可逆轉(zhuǎn)的微觀結(jié)構(gòu)變化，一般先出現(xiàn)暗蝕區(qū)(DER)，隨后出現(xiàn)白色蝕刻帶(WEBs)[84]。OSTERLUND[85]等通過掃描電鏡觀察了滾動(dòng)接觸疲勞下的DER和WEBs，發(fā)現(xiàn)白色部分為碳質(zhì)物，暗蝕結(jié)構(gòu)為鐵氧體。SMELO等[86]借助大量現(xiàn)代材料表征手段，對(duì)發(fā)生滾動(dòng)接觸疲勞的AISI52100軸承鋼的DER和WEBs進(jìn)行了綜合分析，發(fā)現(xiàn)最初的球狀鐵鉻碳化物(FeCr)3C在DER中未發(fā)現(xiàn)任何改變，但是在30°和80°的WEBs上出現(xiàn)了初級(jí)球狀碳化物。在軸承鋼微觀結(jié)構(gòu)改變中，碳和鉻被重新分配，角度帶的形成與這些化學(xué)元素的擴(kuò)散有關(guān)。軸承接觸疲勞暗蝕區(qū)是由于溫度的升高和變形引起的回火造成的。大量研究發(fā)現(xiàn)，DER的形成可能與晶體組織的位錯(cuò)作用有關(guān)[87]，通常發(fā)生在低碳淬火鋼的疲勞過程中。KANG等[88]提出了一種由位錯(cuò)滑移引起的碳擴(kuò)散模型，發(fā)現(xiàn)在變形回火過程中，位錯(cuò)可以隨碳滑動(dòng)，導(dǎo)致軸承DER區(qū)域的硬度降低，從而加速軸承的疲勞失效。KANG等[89]還從多尺度研究了DER對(duì)軸承鋼滾動(dòng)接觸疲勞壽命的影響，DER在5×106疲勞周期出現(xiàn)，DER是由馬氏體碎片對(duì)應(yīng)的細(xì)長(zhǎng)斑塊組成。通過EBSD觀察可知，DER表現(xiàn)出高的核平均定向錯(cuò)(KAM)和低的平均波段對(duì)比度，表明在該區(qū)域出現(xiàn)了高程度的累積應(yīng)變，同時(shí)在DER形成時(shí)，碳呈定向分布，碳在基體中的濃度降低，碳濃度的降低與位錯(cuò)輔助回火模型估計(jì)的結(jié)果有很好的相關(guān)性，而微小的偏差可能是由于溝槽的形成降低了接觸壓力或/和殘余應(yīng)力的產(chǎn)生。軸承溝道的微觀組織結(jié)構(gòu)與滾動(dòng)接觸抗疲勞壽命密切相關(guān)，從DER、WEBs形成、發(fā)展過程中微觀結(jié)構(gòu)變化的角度分析軸承溝道滾動(dòng)接觸疲勞機(jī)制，來發(fā)展提高軸承溝道抗疲勞性能的加工方法是未來的重要研究方向。

軸承套圈鍛造過程是一個(gè)不均勻的變形過程，了解整個(gè)鍛造成形過程中的微觀組織演變機(jī)制非常重要。潘光永[90]基于DEFORM-3D有限元軟件分析不同熱鍛成形條件對(duì)GCr15軸承套圈微觀組織的影響，指出，熱變形過程中鍛件內(nèi)部組織發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，摩擦因數(shù)影響溝道表面組織的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸，在一定變形條件下，鍛件平均晶粒尺寸隨變形量和變形速度的增大而減小，隨變形溫度升高而變大。JIANG等[91]利用反向擠壓+熱輾擴(kuò)來制備8Gr4Mo4V軸承套圈毛坯，能夠獲得合理的流程線分布，整個(gè)熱鍛過程出現(xiàn)了不均勻的塑性變形，高應(yīng)變使軸承套圈獲得了細(xì)小晶粒和更大的晶粒尺寸比，而熱鍛過程后的球化處理能夠使細(xì)長(zhǎng)狀晶粒轉(zhuǎn)變?yōu)槠骄Я３叽绱笮?～9 μm的等軸晶粒，最終得到均勻粒狀珠光體金相，初生碳化物沒有溶解，決定了流程線分布。JIANG等[92]探討了經(jīng)過多階段熱鍛和球化退火M50軸承套圈溝道微觀組織結(jié)構(gòu)的變化，不同加工階段溝道表面微觀組織結(jié)構(gòu)演變示意圖見圖13，M50鋼棒料在1120 ℃下加熱一段時(shí)間后會(huì)完全奧氏體化，但初生碳化物高溫下不溶解；多階段熱鍛后，晶粒被拉長(zhǎng)，大塊的碳化物沿軸向均勻分布，表面形成規(guī)則圖案的流線，冷卻后形成板條狀和針狀的馬氏體混合物；環(huán)軋后的軸承套圈經(jīng)過球化退火，獲得碳化物均勻分布的粒狀珠光體組織，溝道表面發(fā)生再結(jié)晶，由細(xì)長(zhǎng)晶粒轉(zhuǎn)變成等軸晶粒，使顯微組織更加均勻。綜上所述，軸承套圈鍛造是大變形過程，對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)演變有重要影響，決定了后續(xù)的球化退火、淬火、回火、加工后的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。

圖13 不同加工階段溝道表面微觀組織結(jié)構(gòu)演變示意圖[92]Fig.13 Diagram of microstructure evolution of groove surface at different processing stages [92]

軸承環(huán)冷軋成形是一種先進(jìn)的塑形成形技術(shù)[93]，可以獲得較細(xì)密的晶粒組織及合理分布的金屬流線，套圈溝道成形效率高、質(zhì)量均勻且表面光滑。FENG等[94]研究預(yù)冷軋對(duì)M50軸承鋼碳化物溶解和析出的影響，發(fā)現(xiàn)預(yù)冷軋后的M50軸承鋼在隨后淬火過程中，大量納米級(jí)碳化物沿孿晶馬氏體析出，回火造成未溶解的碳化物峰值強(qiáng)度降低，均表明冷軋促進(jìn)了初生碳化物的溶解，同時(shí)隨軋制率的增大碳化物析出量增加。KALASHAMI等[95]對(duì)軸承雙相鋼軋制過程中微觀結(jié)構(gòu)演變進(jìn)行分析，晶粒細(xì)化過程如圖14所示。在第一階段，冷軋?jiān)龃罅穗p相鐵素體-馬氏體組織的位錯(cuò)密度及鐵素體的晶界面積，為退火時(shí)再結(jié)晶提供驅(qū)動(dòng)力；第二階段，冷軋鋼退火期間，能量通過再結(jié)晶釋放，到達(dá)退火臨界溫度之前微觀組織由再結(jié)晶鐵素體和回火馬氏體組成；第三階段，退火開始時(shí)，顯微組織由具有再結(jié)晶鐵素體晶粒的逆奧氏體組成，再結(jié)晶的鐵素體晶粒長(zhǎng)大，通過在水中臨界區(qū)淬火，顯微組織轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂星度爰?xì)小馬氏體的超細(xì)晶粒鐵素體。為解決傳統(tǒng)軸承套圈溝道不規(guī)則鍛造造成的碳化物聚集和加熱次數(shù)多產(chǎn)生晶粒粗大及脫碳較深的問題，吳玉成等[96]采用了棒料車環(huán)坯-直接碾擴(kuò)成形的工藝，新工藝較原工藝脫碳層深度減小約1/3，碳化物均呈帶狀分布，溝道表面金屬流線呈均勻散開流線，解決了鍛件金屬流線控制的難題。探索軸承環(huán)冷軋過程中微觀組織的變化，為優(yōu)化軋制工藝水平和相關(guān)零部件生產(chǎn)提供相應(yīng)的理論支持。

圖14 軋制熱處理過程中微觀組織結(jié)構(gòu)演變示意圖[95]Fig.14 Diagram of microstructure evolution during rolling heat treatment[95]

軸承套圈溝道熱處理能夠獲得優(yōu)異的熱處理組織和性能，使溝道的強(qiáng)度、沖擊韌性、硬度和耐磨性等得到不同程度的提高，獲得較高綜合性能的軸承溝道表面。米振莉等[97]研究典型高碳鉻鋼(GCr15)在不同熱處理工藝下微觀組織和性能的關(guān)系發(fā)現(xiàn)：常規(guī)淬回火熱處理得到回火馬氏體組織，貝氏體等溫淬火處理得到下貝氏體組織，預(yù)先淬火后等溫回火得到馬氏體和貝氏體復(fù)合組織，貝氏體變溫處理得到下貝氏體組織。研究結(jié)果表明，馬氏體硬度高于下貝氏體，貝氏體、下貝氏體和馬氏體復(fù)合組織強(qiáng)度和沖擊韌性均高于回火馬氏體，殘余奧氏體量的減少提高了溝道尺寸的穩(wěn)定性。LIAN等[98]對(duì)M50NiL軸承鋼套圈滲碳熱處理后的層狀組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn):針狀回火馬氏體、少量殘余奧氏體和球碳化物組成硬化層，鐵素體基體和厚板條回火馬氏體組成心部層,針狀回火馬氏體及少量碳化物組成過渡層，熱處理后獲得了溝道表面高硬度、心部高沖擊韌性的軸承套圈。

5 提高表面完整性新技術(shù)

噴丸、超聲滾擠壓和超聲振動(dòng)等表面機(jī)械強(qiáng)化技術(shù)，可在高頻沖擊下使零件表面產(chǎn)生微小塑形變形、細(xì)化表層金屬晶粒、引入殘余壓應(yīng)力、提高軸承溝道的表面硬度并降低表面粗糙度，從而提高軸承溝道的抗疲勞性能。劉瑋等[99]對(duì)軸承用CuNiCrSi合金進(jìn)行激光噴丸研究，發(fā)現(xiàn)激光噴丸后試樣表面硬度得到提高，試樣表面出現(xiàn)最大殘余壓應(yīng)力，且引起了試樣表面裂紋源發(fā)生內(nèi)移。蘇涌翔[9]研究加工參數(shù)對(duì)超聲滾擠壓軸承套圈的表面粗糙度、殘余應(yīng)力和加工硬化影響的程度和規(guī)律發(fā)現(xiàn)：隨著轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度的增大，表面粗糙度增大，殘余壓應(yīng)力值減小；隨著靜壓力和振幅增大，表面粗糙度先減小后增大，殘余壓應(yīng)力值增大；表面顯微硬度隨轉(zhuǎn)速和靜壓力增大而減小，隨振幅的增大先增大后減小。OLIVER等[100]利用硬車、深滾壓復(fù)合來進(jìn)行滾動(dòng)軸承套圈的加工，這兩種工序的復(fù)合可以縮短工藝尺寸鏈，顯著降低表面粗糙度，提高套圈表面質(zhì)量。ZHANG等[101]采用超聲波軋制處理GC15軸承鋼，超聲滾壓能夠降低GCr15軸承鋼的表面粗糙度，當(dāng)滾壓能量為11.24 GW/cm2、42.90 GW/cm2、64.92 GW/cm2時(shí)，表面粗糙度Ra減小到0.510 μm、0.469 μm、0.386 μm，而高的滾壓能量能夠惡化軸承鋼表面，同時(shí)未滾壓處理的淬火、退火GCr15軸承鋼的硬度為789.97HV，在三個(gè)滾壓能量參數(shù)下，表面硬度分別達(dá)到827.42HV、875.21HV、3.48HV；由于表面粗糙度值的減小和硬度的提高，干摩擦過程中，摩擦因數(shù)明顯減小。表面機(jī)械強(qiáng)化技術(shù)能夠在引入殘余壓應(yīng)力、細(xì)化晶粒的同時(shí)達(dá)到表面光整的目的，有利于處理軸承套圈溝道強(qiáng)化的問題，但因?yàn)榇嬖诟哳l沖擊力，在達(dá)到溝道表面強(qiáng)化的同時(shí)會(huì)引起軸承套圈的變形。

表面涂層技術(shù)將基材和表面涂層的性能特點(diǎn)結(jié)合，發(fā)揮出兩者的綜合優(yōu)勢(shì)，達(dá)到提高軸承套圈溝道強(qiáng)度、硬度、耐磨性和耐腐性等性能的作用。BOUZAKIS等[102]通過沖擊法測(cè)定低溫物理蒸汽沉積的PVD涂層的疲勞極限，發(fā)現(xiàn)高的沉積溫度能夠提高涂層的硬度和耐磨性，但如果溫度超過最終熱處理溫度，硬度會(huì)降低。黃志強(qiáng)等[103]在軸承表面采用等離子堆焊DH-60粉末涂層進(jìn)行強(qiáng)化，結(jié)果表明涂層分布均勻致密，與基體結(jié)合強(qiáng)度高，大大減小了軸承表面磨損量，且耐磨性提高了30%。提高涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度，提高涂層厚度均勻性，降低涂層設(shè)備成本，是未來應(yīng)用涂層技術(shù)需要改進(jìn)的方向。

為了進(jìn)一步拓展熱處理工藝，提高軸承溝道表面完整性，表面改性技術(shù)得到發(fā)展。雷聲[104]研究應(yīng)用激光對(duì)軸承表面實(shí)施相變硬化處理(激光淬火)的關(guān)鍵技術(shù)問題發(fā)現(xiàn)：激光淬火在軸承表面產(chǎn)生較多的殘余奧氏體、細(xì)小碳化物和過飽和隱晶馬氏體，使軸承溝道表面的硬度得到明顯提高，最高硬度值接近1000HV，硬化處理后軸承表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，較常規(guī)淬火組織的回火穩(wěn)定性得到明顯提高。但激光表面硬化的硬化層塑性和韌性均低于常規(guī)熱處理，且存在硬化層深度不均勻的現(xiàn)象。羅燕等[105]對(duì)比分析普通、滲碳、碳氮共滲復(fù)合化學(xué)熱處理M50NiL鋼軸承套圈的相關(guān)物理特性時(shí)發(fā)現(xiàn)：氮化物及碳氮化合物溶于α-Fe中，內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化形成殘余壓應(yīng)力；較其他熱處理工藝形成的過渡硬化層更加平緩，表層硬度及次表層應(yīng)力得到了極大提高，且心部保持了良好的強(qiáng)度和韌性；軸承套圈溝道的耐磨性和抗疲勞性得到改善。目前表面改性技術(shù)對(duì)軸承溝道表面處理是較好的技術(shù)，但設(shè)備成本、環(huán)境污染和工序復(fù)雜等問題局限了該技術(shù)的規(guī)?；瘧?yīng)用。

CARCUA等[106]利用微量潤(rùn)滑磨削52100軸承鋼來增強(qiáng)潤(rùn)滑和冷卻效果，添加水和清洗噴射的微量潤(rùn)滑能夠大幅度減小軸承鋼的表面粗糙度值和圓度偏差，而添加水的微量潤(rùn)滑能夠獲得相比添加油的微量潤(rùn)滑更好的表面質(zhì)量，傳統(tǒng)微量潤(rùn)滑和水微量潤(rùn)滑均沒有引起工件表層的微觀結(jié)構(gòu)和硬度發(fā)生變化。NADOLNY等[107]利用切削區(qū)的混合冷卻和潤(rùn)滑來進(jìn)行100Cr6軸承套圈的外圓磨削，外圓磨削結(jié)果顯示新型混合輔助磨削能夠五倍延長(zhǎng)砂輪的壽命。雖然傳統(tǒng)磨削和新型混合輔助磨削均能夠引起磨削燒傷，但是新型混合輔助磨削在第六個(gè)軸承套圈時(shí)才出現(xiàn)磨削燒傷，而傳統(tǒng)磨削在第一個(gè)套圈就已經(jīng)出現(xiàn)了磨削燒傷，混合輔助磨削能夠明顯降低工件表面粗糙度值，獲得優(yōu)異的表面質(zhì)量。BINGI等[108]在氧化鋁砂輪上安裝附件，利用激光在線修正SAE52100軸承套圈內(nèi)圓磨削過程中的砂輪，通過掃描電子顯微鏡觀察到激光修正后的砂輪出現(xiàn)了納米脈沖汽化的粗砂、黏結(jié)材料引起的損傷，隨著激光參數(shù)的變化，砂輪表面損傷程度發(fā)生變化，激光修整引起了黏結(jié)劑的熔化和重新排列，從而導(dǎo)致了更高的晶粒暴露，這在磨削中起著至關(guān)重要的作用；3D共焦顯微圖像能夠表征激光修正后砂輪表面的粗糙度參數(shù)Spk(突出峰部高度)、Sk(中心部的水平差)、Svk(面的突出谷部深度)，采用單點(diǎn)金剛石修正進(jìn)給速率0.1 mm/r時(shí)，Spk、Sk、Svk分別在12～16.9 μm、10～16 μm和40～58 μm范圍內(nèi)，采用激光修正進(jìn)給速率0.016 mm/r和0.032 mm/r時(shí)，Spk、Sk、Svk分別在14～18.5 μm、11～12.9 μm和37.8～51.4 μm，因此激光修正的效果與金剛石修正的效果相似。由此可見，為了有限抑制磨削燒傷，提高軸承套圈的表面質(zhì)量，微量潤(rùn)滑、混合潤(rùn)滑、激光在線修正技術(shù)已經(jīng)在軸承套圈磨削中得到應(yīng)用，表現(xiàn)出了巨大的優(yōu)越性。CAO等[109]、ZHANG等[110]、DING等[111]也進(jìn)行了超聲振動(dòng)輔助磨削技術(shù)方面的研究，雖然沒有在軸承溝道磨削中應(yīng)用，但是也能夠降低工件表面粗糙度值，顯著抑制磨削燒傷。

UMBRELLO等[112]為了降低切削溫度，利用低溫冷卻技術(shù)對(duì)AISI52100軸承鋼進(jìn)行硬車削，低溫冷卻限制了工件表層白層的形成，降低了白層厚度和表面粗糙度值，優(yōu)化了表層殘余應(yīng)力分布，從而提高了軸承鋼的抗疲勞強(qiáng)度。BICEK等[113]利用液氮冷卻硬車削加工AISI52100軸承鋼，液氮冷卻硬車削正火軸承鋼能夠延長(zhǎng)刀具的壽命370%，淬硬軸承鋼硬車削刀具壽命延長(zhǎng)15%，這種現(xiàn)象主要是由淬硬軸承鋼切削過程中的振動(dòng)導(dǎo)致的；液氮冷卻能夠提高正火軸承鋼表面硬度10%～15%，而在傳統(tǒng)硬車削和水冷中軸承鋼表面的硬度沒有明顯變化；液氮冷卻還能夠抑制工件表層殘余拉應(yīng)力的產(chǎn)生，促使殘余壓應(yīng)力的生成。CETINDAG等[114]針對(duì)硬車削AISI 52100軸承鋼的低表面質(zhì)量和刀具壽命問題，利用新的微量冷卻潤(rùn)滑技術(shù)輔助硬車削AISI 52100軸承鋼，相比干硬車削、傳統(tǒng)冷卻潤(rùn)滑車削，刀具前后刀面的磨損量減少，工件表面粗糙度Ra降低到0.076～0.078 μm，工件表層的殘余壓應(yīng)力得到明顯提高，傳統(tǒng)微量潤(rùn)滑和油-水微量潤(rùn)滑均能夠得到滿意的效果。KIM等[115]利用低溫噴霧方法來降低AISI52100軸承鋼硬車的切削溫度、延長(zhǎng)刀具壽命，液氮最佳噴嘴方向是45°，相比傳統(tǒng)硬車削和潤(rùn)滑硬車削，液氮低溫霧化能夠延長(zhǎng)刀具壽命3～6倍，能夠減少加工成本和碳排放。張碩等[116]利用高能電脈沖對(duì)GCr15軸承鋼進(jìn)行硬車削，電脈沖的熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)的耦合作用下，切削力得到有效減小，表面粗糙度值Ra由1.26 μm降低到0.96 μm。為了能夠延長(zhǎng)刀具壽命、降低軸承鋼的表面粗糙度值、提高表面質(zhì)量，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從低溫冷卻、微量冷卻潤(rùn)滑、電脈沖輔助等方面進(jìn)行了相關(guān)研究。

6 總結(jié)和展望

軸承在工業(yè)領(lǐng)域戰(zhàn)略地位非常明顯，它直接或間接地影響著20萬(wàn)億元人民幣以上規(guī)模的經(jīng)濟(jì)量[117]，是一個(gè)國(guó)家工業(yè)實(shí)力的重要體現(xiàn)。高端軸承不僅是高端裝備的核心部件，也是重要的戰(zhàn)略物資，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)家安全具有戰(zhàn)略意義[118]。由中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)主編、中國(guó)軸承工業(yè)協(xié)會(huì)編著的《高端軸承技術(shù)路線圖》明確指出，中國(guó)高端軸承產(chǎn)業(yè)需要往零部件表面完整性制造、抗疲勞產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)方面努力[117]。因此，優(yōu)化軸承溝道的表面完整性來提高整體軸承的使用性能和壽命是軸承研究的重要方向，從多角度研究如何提高軸承溝道的表面完整性，可以考慮如下幾個(gè)方面：

(1)從表面完整性的變化分析軸承溝道滾動(dòng)接觸疲勞機(jī)制，發(fā)展提高軸承溝道抗疲勞性能的加工方法，是未來軸承加工技術(shù)研究的重要發(fā)展方向。

(2)加強(qiáng)材料質(zhì)量的檢驗(yàn)和優(yōu)化軸承溝道成形加工工藝，能夠分別從源頭減少軸承溝道因材料產(chǎn)生質(zhì)量問題和磨削燒傷以及裂紋的產(chǎn)生。

(3)研究熱處理產(chǎn)生的微觀組織及其性能，可以優(yōu)化現(xiàn)有熱處理工藝或拓展新型熱處理技術(shù)。

(4)應(yīng)用在線檢測(cè)技術(shù)手段，通過采用表面完整性檢測(cè)和控制設(shè)備，監(jiān)控軸承溝道表面完整性各參量，進(jìn)而實(shí)時(shí)調(diào)控工藝參數(shù)達(dá)到所需的表面完整性，是未來研究?jī)?yōu)化工藝參數(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。