滚动轴承内圈滚道磨削残余应力研究

发布时间：2017-05-09 21:03

  本文关键词：滚动轴承内圈滚道磨削残余应力研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：滚动轴承是一种关键基础零部件,被广泛应用于装备制造业,直接决定着重大装备的性能和可靠性。与发达国家相比,我国在高端滚动轴承制造领域仍存在着相当大的差距。目前,我国机床主轴轴承存在的主要问题之一是使用寿命低,滚道接触疲劳失效是主要失效形式之一。轴承滚道表层残余应力分布状态会对轴承疲劳寿命产生重大影响。磨削作为轴承套圈加工制造的关键环节,会直接影响轴承滚道表层残余应力分布状态。在轴承滚道磨削加工过程中,会产生磨削力和磨削热,磨削力与磨削热的耦合作用决定着轴承滚道表层残余应力分布状态。本文以B7008C轴承内圈滚道磨削加工为研究对象,在定量描述砂轮表面形貌的基础上,对磨削力的产生机制、磨削热的产生与传散机制以及轴承滚道磨削残余应力的产生机理进行了深入研究。本文的主要研究工作归纳如下：(1)利用磨粒形状、磨粒尺寸、磨粒突起高度和单位面积磨粒数四个参数,定量描述了砂轮表面形貌。研究了砂轮磨粒与工件之间的接触机理,获得了砂轮磨粒与工件之间接触类型的判定条件,对砂轮磨粒与工件之间的接触类型进行了分析判断。利用概率统计方法,推导了磨削弧区滑擦磨粒、耕犁磨粒以及切削磨粒数目的计算公式,计算了磨削弧区各类接触磨粒数目,研究了磨削工艺参数对各类接触数目的影响。研究表明,接触磨粒中,数目最多的是耕犁磨粒,其次为切削磨粒,滑擦磨粒数目最少。各类接触磨粒数目与概率随着砂轮速度的减小、工件速度和磨削深度的增大而增大。(2)基于磨粒轨迹分析,划分磨削弧区为三个区域；基于磨粒接触分析,建立了单颗磨粒作用力模型；基于磨粒轨迹分析与磨粒接触分析,建立了磨削力模型。进行了9组轴承内圈滚道磨削实验,对磨削力模型进行了实验验证。实验结果表明,磨削力模型可以准确地预测磨削力,磨削力最大误差和最小误差分别是10.5%和1.4%。分析了磨削工艺参数对磨削力的影响,结果表明,增大工件速度和磨削深度,会导致磨削力以及各磨削力分量增大。增大砂轮速度,导致磨削力以及各磨削力分量减小。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。滑擦力分量和耕犁力分量对磨削力的贡献,随工件速度和磨削深度的增大而减小,随砂轮速度的增大而增大,切削力分量对磨削力的贡献与之相反。分析了磨削弧区任意点的热量分配关系,不需预先假设沿磨削弧总热源分布形状及热量分配比一致,得到了准确描述磨削弧区热源分布的四次函数热源。建立了轴承内圈滚道磨削温度场有限元模型,仿真分析了轴承内圈滚道磨削温度场,并对磨削温度场有限元模型进行了实验验证。实验结果表明,轴承内圈滚道磨削温度场有限元模型可以准确地预测磨削温度场,磨削弧区最高温升的最大误差为14.8%,最小误差为3.5%。(3)建立了轴承内圈滚道磨削残余应力场有限元模型,研究了轴承内圈滚道磨削残余应力的产生机理。在法向磨削力的作用下,轴承内圈滚道表层产生残余压应力。增大接触应力和磨削力比有利于轴承内圈滚道表层产生残余压应力。在磨削热的作用下,轴承内圈滚道表层产生残余拉应力。减小热流密度、增大热源移动速度、增大对流换热系数以及降低磨削液初始温度,有助于阻碍轴承内圈滚道表层产生残余拉应力。在磨削力与磨削热的耦合作用下,当磨削力起主导作用时,轴承内圈滚道表层产生残余压应力。与磨削力的作用相比,在磨削力与磨削热的耦合作用下,轴承内圈滚道表面残余压应力、表层残余压应力以及残余压应力层深度都会减小。当磨削热起主导作用时,轴承内圈滚道表层产生残余拉应力。与磨削热的作用相比,在磨削力与磨削热的耦合作用下,轴承内圈滚道表面周向残余拉应力、表层周向残余拉应力、周向残余拉应力层深度以及表面切向残余拉应力、近表层切向残余拉应力都会增大。分析了磨削工艺参数对轴承内圈滚道表层残余应力分布状态的影响规律,结果表明,增大砂轮转速与磨削深度,不利于轴承内圈滚道表层产生残余压应力。相比于砂轮转速与磨削深度,工件转速对轴承内圈滚道表层残余应力分布状态的影响较小。分析了冷却润滑条件对轴承内圈滚道表层残余应力分布状态的影响规律,结果表明,增大对流换热系数以及降低磨削液初始温度,有利于轴承内圈滚道表层产生残余压应力。与对流换热系数相比,磨削液初始温度对轴承内圈滚道表层残余应力分布状态的影响较小。减小磨削力比,会导致轴承内圈滚道表层残余压应力和残余压应力层深度增大。(4)实验研究了低温气雾冷却润滑方法对轴承内圈滚道表层磨削残余应力分布状态的影响。搭建了低温气雾供液系统和轴承内圈滚道低温气雾冷却润滑磨削实验台,进行了轴承内圈滚道低温气雾冷却润滑磨削实验,测量了磨削力、磨削温度与轴承内圈滚道表层残余应力分布状态。实验结果表明,当磨削液流量超过临界值后,继续增大磨削液流量,切向磨削力不再变化。低温冷气流量减小,会造成切向磨削力增大。使用LB-2000型植物性喷雾式切削油形成的变温气雾,可以获得比湿磨条件下更小的切向磨削力。评价了变温气雾的冷却和润滑性能,结果表明,与湿磨条件下的PC-621F型水溶性半合成切削液相比,合理地调整供液参数,喷射LB-2000型植物性喷雾式切削油具有更好的润滑性能。实验研究了冷却润滑条件对轴承内圈滚道表层磨削残余应力分布状态的影响,研究表明,低温气雾冷却润滑方法有利于轴承内圈滚道磨削加工的表层产生残余压应力。
【关键词】：磨削 轴承内圈滚道 残余应力
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG580.1;TH133.33
【目录】：

• 摘要11-13
• Abstract13-17
• 第1章 绪论17-33
• 1.1 课题研究背景及意义17-18
• 1.2 磨削力的研究现状18-22
• 1.2.1 经验公式18
• 1.2.2 基于砂轮表面形貌与磨粒接触分析的磨削力模型18-22
• 1.3 磨削热的研究现状22-28
• 1.3.1 磨削热源分布模型的研究现状22-24
• 1.3.2 热量分配比的研究现状24-26
• 1.3.3 磨削温度场的研究现状26-28
• 1.4 磨削残余应力场的研究现状28-31
• 1.4.1 磨削残余应力的产生机理28
• 1.4.2 磨削残余应力场的研究现状28-31
• 1.4.3 磨削液对磨削残余应力场的影响31
• 1.5 本文的主要研究工作31-33
• 第2章 磨削加工砂轮磨粒与工件接触分析33-43
• 2.1 引言33
• 2.2 砂轮表面形貌描述33-36
• 2.3 磨粒临界切入深度36-37
• 2.4 最大未变形切屑厚度37-38
• 2.5 各类接触磨粒数目的概率统计38-41
• 2.5.1 各类接触磨粒数目38-39
• 2.5.2 磨削工艺参数对各类接触磨粒数目的影响39-41
• 2.6 本章小结41-43
• 第3章 轴承内圈滚道磨削力与磨削弧区热源分布研究43-75
• 3.1 引言43
• 3.2 磨削接触弧长43-44
• 3.3 磨粒轨迹分析44-46
• 3.4 单颗磨粒接触作用力46-49
• 3.4.1 单颗滑擦磨粒作用力46-47
• 3.4.2 单颗耕犁磨粒作用力47-48
• 3.4.3 单颗切削磨粒作用力48-49
• 3.5 磨削力模型49-56
• 3.5.1 磨削力模型的建立49-51
• 3.5.2 磨削力模型的实验验证51-54
• 3.5.3 磨削工艺参数对磨削力的影响54-56
• 3.6 磨削弧区热源分布研究56-63
• 3.6.1 磨削弧区热源分布研究56-58
• 3.6.2 磨削温度场有限元模拟58-60
• 3.6.3 磨削温度场有限元模型的实验验证60-63
• 3.7 轴承内圈滚道磨削力与磨削温度场研究63-73
• 3.7.1 轴承内圈滚道磨削参数的等价转化63-65
• 3.7.2 轴承内圈滚道磨削力与热源分布研究65-67
• 3.7.3 轴承内圈滚道磨削温度场研究67-73
• 3.8 本章小结73-75
• 第4章 轴承内圈滚道磨削残余应力场研究75-103
• 4.1 引言75
• 4.2 轴承内圈滚道磨削残余应力场有限元模型75-78
• 4.2.1 几何建模及网格划分75
• 4.2.2 材料性能75-76
• 4.2.3 边界条件76-78
• 4.3 轴承内圈滚道磨削表面残余应力测量实验78-81
• 4.4 磨削力导致的残余应力场81-86
• 4.4.1 轴承内圈滚道表层残余应力的产生机理81-84
• 4.4.2 接触应力大小对滚道表层残余应力分布状态的影响84
• 4.4.3 磨削力比对滚道表层残余应力分布状态的影响84-85
• 4.4.4 接触应力移动速度对滚道表层残余应力分布状态的影响85-86
• 4.5 磨削热导致的残余应力场86-92
• 4.5.1 轴承内圈滚道表层残余应力的产生机理86-88
• 4.5.2 热流密度大小对滚道表层残余应力分布状态的影响88-89
• 4.5.3 热源移动速度对滚道表层残余应力分布状态的影响89-90
• 4.5.4 冷却条件对滚道表层残余应力分布状态的影响90-92
• 4.6 磨削力与磨削热耦合作用的残余应力场92-101
• 4.6.1 轴承内圈滚道表层残余应力的产生机理92-95
• 4.6.2 磨削工艺参数对滚道表层残余应力分布状态的影响95-98
• 4.6.3 冷却润滑条件对滚道表层残余应力分布状态的影响98-101
• 4.7 本章小结101-103
• 第5章 轴承内圈滚道低温气雾冷却润滑磨削实验研究103-119
• 5.1 引言103
• 5.2 轴承内圈滚道低温气雾冷却润滑磨削实验台103-109
• 5.2.1 低温气雾供液系统104-107
• 5.2.2 磨削力与磨削温度测量方案107-109
• 5.3 低温气雾供液参数的测定109-111
• 5.4 轴承内圈滚道表层残余应力分布测量方案111-113
• 5.5 轴承内圈滚道低温气雾冷却润滑磨削实验113-115
• 5.6 磨削实验结果及分析115-118
• 5.6.1 低温气雾润滑性能研究115-116
• 5.6.2 低温气雾冷却性能研究116-117
• 5.6.3 冷却润滑条件对滚道表层残余应力分布状态的影响117-118
• 5.7 本章小结118-119
• 总结与展望119-123
• 参考文献123-135
• 致谢135-137
• 攻读学位期间发表论文、参与课题及奖励情况137-138
• 附录138-156
• 附件156

【参考文献】

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本文编号：353277