滾動軸承內(nèi)圈滾道磨削殘余應(yīng)力研究.pdf

1、滾動軸承是一種關(guān)鍵基礎(chǔ)零部件，被廣泛應(yīng)用于裝備制造業(yè)，直接決定著重大裝備的性能和可靠性。與發(fā)達國家相比，我國在高端滾動軸承制造領(lǐng)域仍存在著相當大的差距。目前，我國機床主軸軸承存在的主要問題之一是使用壽命低，滾道接觸疲勞失效是主要失效形式之一。軸承滾道表層殘余應(yīng)力分布狀態(tài)會對軸承疲勞壽命產(chǎn)生重大影響。磨削作為軸承套圈加工制造的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，會直接影響軸承滾道表層殘余應(yīng)力分布狀態(tài)。在軸承滾道磨削加工過程中，會產(chǎn)生磨削力和磨削熱，磨削力與磨削熱的

2、耦合作用決定著軸承滾道表層殘余應(yīng)力分布狀態(tài)。本文以B7008C軸承內(nèi)圈滾道磨削加工為研究對象，在定量描述砂輪表面形貌的基礎(chǔ)上，對磨削力的產(chǎn)生機制、磨削熱的產(chǎn)生與傳散機制以及軸承滾道磨削殘余應(yīng)力的產(chǎn)生機理進行了深入研究。本文的主要研究工作歸納如下:
　　(1)利用磨粒形狀、磨粒尺寸、磨粒突起高度和單位面積磨粒數(shù)四個參數(shù)，定量描述了砂輪表面形貌。研究了砂輪磨粒與工件之間的接觸機理，獲得了砂輪磨粒與工件之間接觸類型的判定條件，對砂輪磨粒

3、與工件之間的接觸類型進行了分析判斷。利用概率統(tǒng)計方法，推導(dǎo)了磨削弧區(qū)滑擦磨粒、耕犁磨粒以及切削磨粒數(shù)目的計算公式，計算了磨削弧區(qū)各類接觸磨粒數(shù)目，研究了磨削工藝參數(shù)對各類接觸數(shù)目的影響。研究表明，接觸磨粒中，數(shù)目最多的是耕犁磨粒，其次為切削磨粒，滑擦磨粒數(shù)目最少。各類接觸磨粒數(shù)目與概率隨著砂輪速度的減小、工件速度和磨削深度的增大而增大。
　　(2)基于磨粒軌跡分析，劃分磨削弧區(qū)為三個區(qū)域;基于磨粒接觸分析，建立了單顆磨粒作用力模型

4、;基于磨粒軌跡分析與磨粒接觸分析，建立了磨削力模型。進行了9組軸承內(nèi)圈滾道磨削實驗，對磨削力模型進行了實驗驗證。實驗結(jié)果表明，磨削力模型可以準確地預(yù)測磨削力，磨削力最大誤差和最小誤差分別是10.5％和1.4％。分析了磨削工藝參數(shù)對磨削力的影響，結(jié)果表明，增大工件速度和磨削深度，會導(dǎo)致磨削力以及各磨削力分量增大。增大砂輪速度，導(dǎo)致磨削力以及各磨削力分量減小。磨削力分量中，最大的是耕犁力分量，其次是切削力分量，最小的是滑擦力分量。滑擦力分量

5、和耕犁力分量對磨削力的貢獻，隨工件速度和磨削深度的增大而減小，隨砂輪速度的增大而增大，切削力分量對磨削力的貢獻與之相反。分析了磨削弧區(qū)任意點的熱量分配關(guān)系，不需預(yù)先假設(shè)沿磨削弧總熱源分布形狀及熱量分配比一致，得到了準確描述磨削弧區(qū)熱源分布的四次函數(shù)熱源。建立了軸承內(nèi)圈滾道磨削溫度場有限元模型，仿真分析了軸承內(nèi)圈滾道磨削溫度場，并對磨削溫度場有限元模型進行了實驗驗證。實驗結(jié)果表明，軸承內(nèi)圈滾道磨削溫度場有限元模型可以準確地預(yù)測磨削溫度場，

6、磨削弧區(qū)最高溫升的最大誤差為14.8％，最小誤差為3.5％。
　　(3)建立了軸承內(nèi)圈滾道磨削殘余應(yīng)力場有限元模型，研究了軸承內(nèi)圈滾道磨削殘余應(yīng)力的產(chǎn)生機理。在法向磨削力的作用下，軸承內(nèi)圈滾道表層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。增大接觸應(yīng)力和磨削力比有利于軸承內(nèi)圈滾道表層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。在磨削熱的作用下，軸承內(nèi)圈滾道表層產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力。減小熱流密度、增大熱源移動速度、增大對流換熱系數(shù)以及降低磨削液初始溫度，有助于阻礙軸承內(nèi)圈滾道表層產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力

7、。在磨削力與磨削熱的耦合作用下，當磨削力起主導(dǎo)作用時，軸承內(nèi)圈滾道表層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。與磨削力的作用相比，在磨削力與磨削熱的耦合作用下，軸承內(nèi)圈滾道表面殘余壓應(yīng)力、表層殘余壓應(yīng)力以及殘余壓應(yīng)力層深度都會減小。當磨削熱起主導(dǎo)作用時，軸承內(nèi)圈滾道表層產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力。與磨削熱的作用相比，在磨削力與磨削熱的耦合作用下，軸承內(nèi)圈滾道表面周向殘余拉應(yīng)力、表層周向殘余拉應(yīng)力、周向殘余拉應(yīng)力層深度以及表面切向殘余拉應(yīng)力、近表層切向殘余拉應(yīng)力都會增大。分

8、析了磨削工藝參數(shù)對軸承內(nèi)圈滾道表層殘余應(yīng)力分布狀態(tài)的影響規(guī)律，結(jié)果表明，增大砂輪轉(zhuǎn)速與磨削深度，不利于軸承內(nèi)圈滾道表層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。相比于砂輪轉(zhuǎn)速與磨削深度，工件轉(zhuǎn)速對軸承內(nèi)圈滾道表層殘余應(yīng)力分布狀態(tài)的影響較小。分析了冷卻潤滑條件對軸承內(nèi)圈滾道表層殘余應(yīng)力分布狀態(tài)的影響規(guī)律，結(jié)果表明，增大對流換熱系數(shù)以及降低磨削液初始溫度，有利于軸承內(nèi)圈滾道表層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。與對流換熱系數(shù)相比，磨削液初始溫度對軸承內(nèi)圈滾道表層殘余應(yīng)力分布狀態(tài)的影響

9、較小。減小磨削力比，會導(dǎo)致軸承內(nèi)圈滾道表層殘余壓應(yīng)力和殘余壓應(yīng)力層深度增大。
　　(4)實驗研究了低溫氣霧冷卻潤滑方法對軸承內(nèi)圈滾道表層磨削殘余應(yīng)力分布狀態(tài)的影響。搭建了低溫氣霧供液系統(tǒng)和軸承內(nèi)圈滾道低溫氣霧冷卻潤滑磨削實驗臺，進行了軸承內(nèi)圈滾道低溫氣霧冷卻潤滑磨削實驗，測量了磨削力、磨削溫度與軸承內(nèi)圈滾道表層殘余應(yīng)力分布狀態(tài)。實驗結(jié)果表明，當磨削液流量超過臨界值后，繼續(xù)增大磨削液流量，切向磨削力不再變化。低溫冷氣流量減小，會造成