电脉冲辅助硬车淬硬轴承钢表面摩擦学性能研究

Research on Tribological Properties of Hardened Bearing Steel Surfaces by Electric Pulse Assisted Hard Turning

摘要

淬硬轴承钢恶劣的硬车加工性能显著降低了工件表面完整性，导致淬硬轴承钢摩擦磨损性能较差。基于电脉冲辅助切削技术开展了电脉冲辅助淬硬轴承钢的硬车实验，研究了其表面完整性和表面耐磨性。研究结果表明，相比于传统硬车淬硬轴承钢，电脉冲辅助硬车淬硬轴承钢工件表面完整性得到了显著提高，电脉冲辅助硬车淬硬轴承钢的摩擦因数降低了20%，磨痕宽度和深度分别减小了48.7%和93.33%，显著提高了淬硬轴承钢的摩擦磨损性能。

Abstract

The poor hard turning performance of hardened bearing steels significantly reduced the surface integrity of the workpieces， resulting in poor friction and wear performance of hardened bearing steels. Based on the superiority of electric pulse assisted cutting technology， the surface integrity and surface wear resistance of hardened bearing steels were studied. The results show that the surface integrity of the workpieces is improved significantly， the friction coefficient is reduced by 20%， the width and depth of the wear scar are reduced by 48.7% and 93.33% respectively， and the friction and wear performance of the hardened bearing steels is significantly improved.

Graphical abstract

关键词

淬硬轴承钢 / 电脉冲辅助硬车 / 硬车加工性能 / 表面完整性 / 耐磨损性能

Key words

hardened bearing steel / electric pulse assisted hard turning / hard turning performance / surface integrity / wear resistance

Author summay

孙富建，男，1986年生，副教授。研究方向为电脉冲辅助切削加工。E-mail：[e-mail]

梁志强^*（通信作者），男，1984年生，教授、博士研究生导师。研究方向为先进切削磨削与刀具技术、微细加工、微细刀具设计与制造、多场辅助加工、特种机床与装备。E-mail： [e-mail]。

0 引言

轴承钢材料需要淬火处理以提高轴承套圈的硬度与耐磨性，淬硬轴承钢硬度在60HRC以上，切削加工性能极其恶劣^［1］，淬硬轴承钢硬车加工一直是近几十年来的研究热点问题^［2］。崔伯第^［3］开展了陶瓷刀具硬车GCr15淬硬轴承钢研究，建立了切削参数与工件表面粗糙度的关系。于良等^［4］探究了高速硬车AISI4340钢的聚晶立方氮化硼（PCBN）刀具磨损机理，发现刀具前刀面以氧化磨损和黏结磨损为主，后刀面以磨粒磨损、氧化磨损和黏结磨损为主，且高强钢的硬度对PCBN刀具磨损的影响微弱。WANG等^［5］利用液体CO₂低温辅助硬车轴承钢，通过合理控制切削参数能够降低工件表面粗糙度达81.5%。

电脉冲辅助切削技术通过电致塑性效应降低工件强度和硬度，减小塑性变形所需应力^［6］，同时刀具-切屑/工件摩擦副间快速移动的电子群会形成滑动电接触行为，可以降低摩擦副间的摩擦因数，改善其摩擦学性能^［7］。EGEA等^［8］利用电脉冲辅助切削SAE1020、SAE1045和SAE4140钢，相比于传统切削，工件表面粗糙度降低了6%~40%，工件表面加工硬化程度减小了6%~16%。冯耿超等^［9］开展了电脉冲辅助车削Ti-6Al-4V钛合金研究，与传统车削相比，主切削力、轴向表面粗糙度和工件表面加工硬化程度分别下降了27.3%、18.7%和16.6%，且工件表面晶粒被拉长。王海波^［10］利用电脉冲辅助车削304不锈钢，工件表面粗糙度下降了61.7%，工件表面加工硬化程度降低，刀具磨损有效减小。

由研究现状可知，电脉冲辅助切削能够有效改善工件表面质量，但是电脉冲辅助硬车淬硬轴承钢的研究暂未见报道，硬车淬硬轴承钢的摩擦磨损性能对轴承的服役寿命至关重要，电脉冲辅助硬车淬硬轴承钢的表面摩擦磨损性能也暂未明确。为此，本文开展电脉冲辅助硬车淬硬ZGCr61轴承钢实验，研究电脉冲辅助硬车淬硬ZGCr61轴承钢的表面完整性以及表面摩擦磨损性能。

1 实验材料与实验方案

1.1 实验材料与刀具

ZGCr61淬硬轴承钢具有优秀的耐磨损性能、极高的硬度以及良好的接触疲劳寿命，本文选取直径为50 mm的淬硬ZGCr61淬硬轴承钢作为实验材料，其化学成分和力学性能分别如表1和表2所示。

实验选用CNGA12404 CBN刀片，刀杆型号为MCLNL2020K12，刀片与刀杆能够提供切削角度：前角-6°、后角5°、主偏角95°、副偏角5°。

1.2 实验设备及实验方案

在OKUMA-BYJC LBR-370数控车床上搭建电脉冲辅助硬车实验平台。数控车床通过液压卡盘对工件进行装夹固定，利用脉冲电源产生脉冲电流，形成脉冲电源—左碳刷—工件—右碳刷—脉冲电源的回路。为防止对机床造成影响，采用绝缘胶带实现对刀具和机床主轴的绝缘。电脉冲辅助硬车实验平台如图1所示。选用脉冲电源的频率范围0~700 Hz、有效电流范围0~600 A、有效电压范围0~10 V，占空比可调。

通过开展传统干硬车ZGCr61淬硬轴承钢实验，得到优化后的切削参数为：切削速度200 m/min、进给量0.05 mm/r、背吃刀量0.25 mm，电脉冲辅助ZGCr61淬硬轴承钢硬车加工脉冲电流参数如表3所示。利用TR200粗糙度测量仪测量5次硬车工件表面粗糙度值Ra，取其平均值作为工件表面粗糙度值；选用HM-FD600E超景深显微镜观察工件表面形貌、工件表面磨损形貌及其磨痕深度；采用JSM-IT100扫描电子显微镜观察工件表面强化层微观结构；利用TMDHV-1000Z维氏显微硬度计测量工件表面显微硬度进行测量，工件表面层每层深硬度测量5次，取其平均值；采用HRS-2M型高速摩擦磨损试验机开展硬车淬硬轴承钢的摩擦磨损实验，摩擦磨损实验载荷为20 N、转速为300 r/min、行程为5 mm，对磨材料选用GCr15轴承钢珠。

2 实验结果与分析

2.1 工件表面粗糙度

电脉冲辅助硬车淬硬轴承钢表面的形成原理如图2所示。在电脉冲辅助硬车过程中，电致塑性效应通过热效应与非热效应的耦合促进了位错的湮灭，并加速动态再结晶，提高材料的塑性，减小塑性变形所需应力，以此改善材料的加工性能，还能显著降低已加工表面的残余面积高度；电脉冲辅助硬车可以在刀具-切屑/工件间形成电子流动，产生的滑动电接触可以降低摩擦副间的摩擦因数，改善其摩擦学性能，使得工件表面缺陷显著减少。

不同电流密度J_m下电脉冲辅助硬车淬硬轴承钢工件表面形貌如图3所示，可以看出，传统干硬车淬硬轴承钢的表面粗糙度值Ra为0.324 μm；电流密度为0.075 A/mm² 时，已加工工件表面粗糙度值Ra为0.238 μm；电流密度为0.15 A/mm² 时，已加工工件表面粗糙度值Ra为0.222 μm；电流密度为0.225 A/mm²时，已加工工件表面粗糙度值Ra减小至0.173 μm，相比于普通车削时降低了46.6%。李小睿等^［11］研究发现，对比传统硬车，低温CO₂ 辅助硬车GCr15轴承钢工件的表面粗糙度降低了28.1%；GOVIND等^［12］研究发现，对比传统硬车，超声振动辅助硬车AlSI 52100钢表面粗糙度下降了8.29%。由此可见，电脉冲辅助硬车淬硬轴承钢在降低工件表面粗糙度方面具有显著的优势。

2.2 工件表面加工硬化

在切削力、切削温度的共同影响下，切削工件表面产生严重的塑性变形，大量的位错发生纠缠以至于阻碍位错的运动，导致晶粒破碎和被拉长，致使材料塑性变形能力下降，从而发生加工硬化现象^［13］。在电脉冲辅助硬车过程中，电致塑性效应能够加快位错湮灭，降低位错密度，促进动态再结晶软化，从而抑制切削工件表面的加工硬化现象^［14］。电脉冲辅助硬车淬硬轴承钢表面强化层材料动态再结晶原理如图4所示。

图5所示为电脉冲辅助硬车淬硬轴承钢工件表面硬度分布情况，可以看出，传统干硬车工件表面硬度达到了62.35HRC；当电流密度为0.225 A/mm²时，电脉冲辅助淬硬轴承钢工件表面硬度为60.08HRC，相比传统硬车工件表面硬度下降3.6%。KHATIR等^［15］在激光辅助硬车AISI 4340钢研究中发现，切削后的快速冷却会导致已加工工件表面加工硬化率随着激光能量的增加而提高。虽然超声、液氮冷却等辅助硬车工件表面加工硬化率的研究暂未见报道，但张翔宇等^［16］利用高速超声辅助切削TC4和GH4169合金时发现高速超声辅助切削均能提高工件表面的加工硬化程度；潘多^［17］利用液氮辅助切削加工γ-TiAl合金，发现当切削速度较大时，液氮辅助加工会加剧工件表面的加工硬化程度。综上所述，相较于其他辅助加工技术，电脉冲辅助加工技术在降低加工硬化程度方面有着独特的优势。

2.3 塑性应变层

在切削加工过程中，已加工工件表面层材料要承受剧烈的摩擦、塑性变形和切削热的共同影响^［18］，引起工件表面层材料发生金相转变、位错纠缠和动态再结晶等^［19］。工件表层材料在塑性变形过程中受热力耦合作用会发生较低程度的动态再结晶行为，而电致塑性效应能产生额外的再结晶驱动力，提高晶界迁移速率，促使动态再结晶的发生，使晶粒尺寸显著减小^［20-21］。如图6所示，电脉冲辅助硬车淬硬轴承钢表面变质层晶粒会发生严重塑性变形，晶粒沿切削方向被拉长，晶粒尺寸明显细化，且硬车工件表面强化层厚度随电流密度的增大而逐渐增大。

由图6可知，传统干硬车工件表面强化层深度为5.49 µm；电流密度为0.075 A/mm²时，电脉冲辅助硬车淬硬钢表面强化层深度为6.83 µm，工件表面层晶粒尺寸得到明显细化；电流密度为0.15 A/mm²时，电脉冲辅助硬车淬硬钢表面强化层深度为7.43 µm；当电流密度达到0.225 A/mm²时，电脉冲辅助硬车淬硬轴承钢工件表面强化层深度增大至8.11 µm，比传统干硬车时增大了47.72%。根据电脉冲的电致塑性效应，普通硬车和电脉冲辅助硬车工件表面强化层形成原理如图7所示。假设将已加工工件表面强化层分为n层，每层层厚为Δd_i （i=1，2，…，n）。在普通硬车淬硬轴承钢时，切削温度在工件表面层会形成较浅的热影响区，已加工工件表面层在切削力、切削热协同影响下，表面层材料会发生塑性变形和动态再结晶，但是动态再结晶发生率较低，因此表面层存在大量的位错纠缠，层厚为Δd_i 材料的高加工硬化难以使塑性变形力传递到层厚为Δd_i+1材料。在电脉冲辅助硬车时，集肤效应使脉冲电流主要集中在工件表面层，且集肤深度远远大于强化层厚度，工件表层材料在切削温度、热效应与非热效应的耦合作用下加剧了动态再结晶行为，降低了工件表层材料的加工硬化行为，切削刀具可以将切削力传递到材料更深层，因此电脉冲辅助硬车工件表面强化层的深度随着电流密度和电流频率的增大而增大。

2.4 摩擦磨损性能

对于滚动轴承，轴承套圈的优越耐磨性能可以提高其服役性能和服役寿命，一般来说，工件的摩擦磨损性能与工件表面粗糙度和表面硬度密切相关。崔通等^［22］利用激光冲击强化提高了工件表面硬度，有效改善了工件的摩擦磨损性能。张飞等^［23］通过超声表面滚压处理45号钢，发现较小的粗糙度值和较高的表面硬度可提高工件摩擦磨损性能。

电脉冲辅助硬车淬硬轴承钢工件表面摩擦因数的变化趋势如图8所示。材料的磨损可以分为磨合阶段和稳定阶段，在磨合初期由于点接触而导致摩擦因数不稳定^［24］；随着摩擦磨损逐步进入稳定阶段，由最初的点接触转变为面接触，摩擦因数减小，并逐渐趋于平稳^［25］。由图8可以看出，在磨合阶段传统干硬车工件的摩擦因数有一定程度的增大，但电脉冲辅助硬车工件的摩擦因数基本保持恒定，虽然随着摩擦时间的延长，0.075 A/mm²电流密度下电脉冲辅助硬车工件的摩擦因数有轻微增大，但之后所有工件的摩擦因数保持稳定。传统干硬车工件表面摩擦磨损进入稳定阶段后摩擦因数为0.6，0.225 A/mm²电流密度下电脉冲辅助硬车工件的摩擦因数为0.48，相比传统干硬车时下降了20%。

图9所示为不同电流密度对摩擦磨损表面形貌的影响，可以看出，传统干硬车摩擦磨损的宽度达到了630.1 μm，且表面布满烧伤痕迹和较大凹坑；电流密度为0.075 A/mm²时电脉冲辅助硬车工件表面磨痕宽度仅为323.3 μm，较传统干硬车时下降了48.7%，且表面较为平整，烧伤痕迹和凹坑显著减小；随着电流密度增大至0.225 A/mm²，电脉冲辅助硬车工件摩擦磨损宽度略有增大，出现了高低不齐的划痕且伴随少量凹坑。

图10所示为电流密度对电脉冲辅助硬车淬硬轴承钢磨痕深度的影响，可以看出，传统干硬车的磨痕深度为14.7 µm；电流密度为0.075 A/mm²时，电脉冲辅助硬车淬硬轴承钢磨痕深度仅为0.98 µm；电流密度为0.225 A/mm² 时，电脉冲辅助硬车淬硬轴承钢磨痕深度为4.8 µm，电脉冲辅助硬车淬硬轴承钢工件表面耐磨损性能得到显著提高。

结合电脉冲辅助硬车淬硬轴承钢工件表面质量，分析电脉冲辅助硬车工件表面耐磨损性能机理。电流密度为0.075 A/mm²时，电脉冲辅助硬车淬硬轴承钢工件表面粗糙度Ra为0.238 μm，加工硬化现象比较明显，工件表面强化层的晶粒细化也较为明显，此时工件的摩擦磨损性能达到最优^［26］。随着电流密度提高至0.225 A/mm²，工件表面粗糙度虽然进一步降低，但工件表面强化层位错密度减小，引起工件加工硬化程度下降，导致工件表面耐磨损性能有所降低。与此同时，随着电脉冲辅助硬车工件表面强化层厚度的增大，使工件表面耐磨性能在长时间磨损过程中依旧表现出优越性能。

3 结语

淬硬轴承钢的超高硬度使其极难加工，电脉冲的电致塑性效应和滑动电接触能够降低工件材料硬度以及改善刀具-切屑/工件接触面间的摩擦学性能，同时能够有效提高淬硬轴承钢的硬车加工性能，但是电脉冲辅助硬车淬硬轴承钢表面耐磨损性能方面的研究尚缺少。本文开展了电脉冲辅助淬硬轴承钢表面耐磨损方面的研究工作。电脉冲辅助淬硬轴承钢工件表面粗糙度、加工硬化率均得到显著降低，并且工件表面强化层晶粒尺寸得到细化，强化层层深得到有效增大。电脉冲辅助硬车淬硬轴承钢表面摩擦因数能够降低20%，磨痕深度约减小93.33%，极大程度地提高了淬硬轴承钢表面耐磨损性能。

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基金资助

国家自然科学基金(52375400)

湖南省自然科学基金(2023JJ30255)

湖南省教育厅科学研究重点项目(23A0354)