滾動軸承滾道磨削表面形貌及變質層研究.pdf

1、高性能滾動軸承是重大裝備及精密裝備的核心部件，高速、重載、高精度滾動軸承的自主研發(fā)能力落后，已成為嚴重制約我國裝備制造業(yè)快速發(fā)展的瓶頸。全面提升軸承的設計和制造水平、改進制造工藝已成為軸承行業(yè)亟待解決的問題。滾動軸承滾道作為軸承的工作表面，其表面質量及尺寸精度將直接影響到軸承的工作性能和使用壽命。軸承滾道磨削工藝作為關鍵制造工序之一，磨削過程在軸承滾道表層產(chǎn)生的不良影響將延續(xù)到軸承成品，影響軸承的工作性能。磨削過程作為高比能的加工工藝過

2、程，去除單位體積的材料需要更高的能量投入，由高比能轉化產(chǎn)生的高溫對工件材料的影響是很難避免的。因此，選擇合理的磨削參數(shù)，盡可能降低磨削過程對滾道表面質量所帶來的負面影響，是提升磨削工藝水平的關鍵問題。本文以磨削表面形貌和磨削變質層為研究對象，以磨削弧區(qū)中磨粒與工件材料的微觀相互作用為切入點，建立了磨削參數(shù)與磨削表面粗糙度、磨削變質層厚度之間的數(shù)值關系，搭建了軸承滾道磨削實驗平臺并進行了實驗研究，結合理論研究提出了綜合考慮粗糙度、變質層厚

3、度及加工效率的軸承滾道磨削工藝參數(shù)規(guī)劃方法，對進一步提升軸承滾道磨削工藝具有一定的理論意義和實用價值。本文主要研究工作如下:
　　(1)對磨削弧區(qū)中磨粒與工件材料微觀作用機理進行了深入分析研究，建立了相關數(shù)學模型。基于磨粒粒度服從正態(tài)分布、位置服從隨機分布，給出了砂輪單位體積磨粒數(shù)量的計算方法。將磨削弧區(qū)重新定義為“磨削弧長×磨削寬度×最大未變形切屑厚度”的空間區(qū)域，認為磨粒在經(jīng)過磨削弧區(qū)時，經(jīng)歷了未接觸、滑擦、耕犁和切削四個階段

4、。分析得到了這四個階段各自的起始位置及長度與磨粒直徑、磨粒突起高度和磨粒位置之間的數(shù)學關系。通過求解由微觀上推導出的切削磨粒所去除材料的總體積，等于宏觀上的比去除率的方程得到最大未變形切屑厚度。通過對磨粒在磨削弧區(qū)內各階段的分析，得到滿足磨削弧區(qū)內各類磨粒的磨粒直徑、磨粒突起高度和磨粒位置這三個變量的積分區(qū)間，從而得到了磨削弧區(qū)內各類磨粒的數(shù)量。將磨削弧區(qū)離散，在每一區(qū)間內計算各類磨粒數(shù)量，得到各類磨粒在磨削弧區(qū)中的分布。理論分析及實例

5、計算結果表明，未接觸磨粒數(shù)量占磨?？倲?shù)量的一半且沿磨削弧長減少，滑擦磨粒在整個磨削弧區(qū)中都存在且沿磨削弧長增加，耕犁及切削磨粒在磨削弧區(qū)中的某一位置處才開始出現(xiàn)。對磨削弧區(qū)微觀作用機理的分析研究為本文后續(xù)工作奠定了理論基礎。
　　(2)建立了考慮砂輪修整和磨損影響的磨削表面形貌模型，得到磨削參數(shù)與磨削表面粗糙度之間的數(shù)值關系。在工件表面定義輪廓線LA，描述表面形貌，認為砂輪表面的磨粒依次經(jīng)過并改變輪廓線的形狀。根據(jù)磨粒突起高度、磨

6、粒直徑以及磨粒位置和磨粒切入深度之間的數(shù)學關系，同時考慮了磨粒粒度、磨粒位置的分布特性，確定了經(jīng)過輪廓線的磨粒的直徑、磨粒在工件表面法向和磨削寬度方向上的位置。所有磨粒經(jīng)過后，得到了磨削表面形貌LA*及粗糙度Ra。將理論計算結果與相關文獻實驗數(shù)據(jù)進行對比，驗證了理論模型，分析了磨削參數(shù)對磨削表面粗糙度的影響。考慮砂輪修整和磨損的影響，建立了砂輪修整磨損輪廓線Ldw，得到了考慮修整和磨損影響的磨削表面形貌及粗糙度模型。當磨粒經(jīng)過輪廓線LA

7、之前，被修整磨損輪廓線Ldw改變其形狀，將修整和磨損的影響帶入到磨削表面形貌中。進行了修整導程單因素磨削實驗，將理論計算結果與實驗數(shù)據(jù)進行對比，驗證了理論模型，分析了修整參數(shù)對磨削表面粗糙度的影響。將平面磨削參數(shù)等價轉換為軸承滾道磨削參數(shù)，將相關理論應用于軸承滾道磨削過程中，得到了軸承滾道磨削參數(shù)與表面粗糙度之間的數(shù)值關系。結果表明，軸承滾道磨削表面粗糙度只與精磨階段的磨削參數(shù)相關，精磨階段磨削深度較小，滾道粗糙度受工件轉速的影響較大。

8、基于修整參數(shù)與表面粗糙度之間的數(shù)值關系，可評價修整導程及修整深度的合理性，基于磨削參數(shù)與表面粗糙度之間的數(shù)值關系，可選擇滿足磨削工藝粗糙度要求的工件轉速。
　　(3)建立了磨削參數(shù)與磨削暗層厚度之間的數(shù)值關系，提出了考慮暗層厚度、粗糙度和加工效率的軸承滾道磨削參數(shù)規(guī)劃，分析了磨削白層的產(chǎn)生機理。建立了單顆磨粒磨削力模型，結合各類磨粒數(shù)量在磨削弧區(qū)的分布，得到了總熱流密度在磨削弧區(qū)的分布。在磨削弧區(qū)各區(qū)間內計算熱量分配比，得到了傳入

9、工件的熱流密度的分布。建立有限元模型，將傳入工件的熱流密度加載，計算得到了磨削溫度場。基于磨削溫度場內工件表層各點的溫度變化歷程，得到了磨削暗層的厚度。將磨削暗層的計算方法應用于軸承滾道磨削過程中，得到了磨削參數(shù)對軸承滾道磨削暗層厚度的影響規(guī)律。結果表明，軸承滾道磨削暗層厚度受磨削深度的影響較大?；谀ハ鲄?shù)對軸承滾道磨削粗糙度和磨削暗層厚度的影響規(guī)律，提出了綜合考慮磨削粗糙度、變質層厚度和加工時間的磨削工藝參數(shù)規(guī)劃的方法。根據(jù)本方法得

10、到的軸承滾道磨削工藝參數(shù)，既可滿足工藝對粗糙度的要求，還可保證不產(chǎn)生磨削暗層，同時加工效率也是最高的?；趩晤w磨粒切削的有限元模擬，分析了磨削白層的產(chǎn)生機理，結果表明，當磨削弧區(qū)總體溫升低于工件材料相變溫度時，由單顆磨粒切削也會產(chǎn)生白層組織，此時白層組織在工件表面的分布是隨機和不連續(xù)的。
　　(4)搭建了角接觸球軸承B7008C內圈磨削力及磨削溫度實驗平臺，進行了實驗研究。通過測量砂輪電機功率獲取切向磨削力，采用改進的頂式熱電偶方