硬涂層滾動軸承應(yīng)力場的研究.pdf

1、本文針對滾動軸承,以力求使涂層軸承的疲勞壽命最長和機(jī)械力學(xué)性能最優(yōu)為基本出發(fā)點(diǎn),在前人工作的基礎(chǔ)上,對多種材料的單層涂層、雙層涂層以及涂層球軸承的亞表面應(yīng)力場進(jìn)行研究,詳細(xì)探討了涂層/基體亞表層內(nèi)Von Mises應(yīng)力、靜態(tài)剪切應(yīng)力、和涂層/基體結(jié)合界面上的應(yīng)力分布規(guī)律,在此基礎(chǔ)上提出了描述相對涂層膜厚的無量綱參數(shù),籍此確定一個較佳的涂層厚度范圍,用以指導(dǎo)軸承的涂層設(shè)計(jì).主要內(nèi)容包括:(1)綜合評述了各種主要的滾動軸承疲勞壽命預(yù)測模型,

2、通過對各種預(yù)測模型的對比分析,闡明了影響軸承壽命的各種因素,歸納評述了表面涂層的摩擦學(xué)性能及其在滾動軸承中的應(yīng)用,并提出了本文研究的內(nèi)容和目標(biāo).(2)對TiN、TiC、Si<,3>N<,4>、SiC四種材料的硬涂層滾子軸承滾道表面下的應(yīng)力分布進(jìn)行了模擬分析.研究結(jié)果表明,對于TiN材料,當(dāng)涂層厚度t與赫茲接觸半寬a之比為0.1~0.3時,滾道亞表面的靜態(tài)剪切應(yīng)力分布對提高軸承疲勞壽命最為有利;涂層厚度較薄時,位于赫茲接觸中心附近的涂層表

3、層內(nèi)的靜態(tài)剪應(yīng)力要遠(yuǎn)大于基體內(nèi)的最大靜態(tài)剪應(yīng)力;涂層材料與基體材料的彈性模量之比越小,對提高涂層軸承的疲勞壽命越有利.(3)分析了TiN、Si<,3>N<,4>材料的雙層涂層與GCr15基體體系中的靜態(tài)剪應(yīng)力分布.結(jié)果表明,將低彈性模量的Si<,3>N<,4>放在表面層時,整個涂層體系的機(jī)械力學(xué)性能較佳;對于涂層總厚度為0.2a的Si<,3>N<,4>/TiN/基體涂層體系,相對厚度系數(shù)α越大,在涂層/基體交界面至表面的區(qū)域內(nèi)的靜態(tài)剪應(yīng)

4、力的峰值越大;α對基體內(nèi)和涂層/涂層交界面上的靜態(tài)剪應(yīng)力分布沒有顯著影響;涂層/涂層和涂層/基體交界面上的靜態(tài)剪應(yīng)力分布在沿水平方向偏離接觸中心點(diǎn)約一個橢圓接觸半寬左右的地方出現(xiàn)最大值.(4)在建立名義點(diǎn)接觸問題有限元模型的基礎(chǔ)上,計(jì)算了不同涂層厚度下6309深溝球軸承的亞表層應(yīng)力場,首次提出了一個涂層膜厚的無量綱參數(shù)ζ.結(jié)果表明,當(dāng)涂層厚度參數(shù)ζ小于0.3時,接觸區(qū)內(nèi)的Von Mises應(yīng)力和靜態(tài)剪應(yīng)力的最大值及其所在深度較之無涂層時

5、無顯著變化;與無涂層的情況不同,涂層體系表面接觸中心處的Von Mises應(yīng)力不為零;涂層/基體界面上的Von Mises應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在接觸中心處,而靜態(tài)剪應(yīng)力最大值在偏離接觸中心處出現(xiàn).(5)針對6309球軸承,詳細(xì)地分析了在薄涂層情況下切向摩擦力對滾道亞表層應(yīng)力場的影響,分析表明,切向摩擦力的作用是使得滾道亞表層內(nèi)得Von Mises應(yīng)力、靜態(tài)剪應(yīng)力沿著摩擦力的方向發(fā)生偏移;當(dāng)摩擦系數(shù)達(dá)到0.25時,Von Mises應(yīng)力和靜態(tài)