滚动轴承滚道磨削表面形貌及变质层研究

【摘要】高性能滚动轴承是重大装备及精密装备的核心部件,高速、重载、高精度滚动轴承的自主研发能力落后,已成为严重制约我国装备制造业快速发展的瓶颈。全面提升轴承的设计和制造水平、改进制造工艺已成为轴承行业亟待解决的问题。滚动轴承滚道作为轴承的工作表面,其表面质量及尺寸精度将直接影响到轴承的工作性能和使用寿命。轴承滚道磨削工艺作为关键制造工序之一,磨削过程在轴承滚道表层产生的不良影响将延续到轴承成品,影响轴承的工作性能。磨削过程作为高比能的加工工艺过程,去除单位体积的材料需要更高的能量投入,由高比能转化产生的高温对工件材料的影响是很难避免的。因此,选择合理的磨削参数,尽可能降低磨削过程对滚道表面质量所带来的负面影响,是提升磨削工艺水平的关键问题。本文以磨削表面形貌和磨削变质层为研究对象,以磨削弧区中磨粒与工件材料的微观相互作用为切入点,建立了磨削参数与磨削表面粗糙度、磨削变质层厚度之间的数值关系,搭建了轴承滚道磨削实验平台并进行了实验研究,结合理论研究提出了综合考虑粗糙度、变质层厚度及加工效率的轴承滚道磨削工艺参数规划方法,对进一步提升轴承滚道磨削工艺具有一定的理论意义和实用价值。本文主要研究工作如下：(1)对磨削弧区中磨粒与工件材料微观作用机理进行了深入分析研究,建立了相关数学模型。基于磨粒粒度服从正态分布、位置服从随机分布,给出了砂轮单位体积磨粒数量的计算方法。将磨削弧区重新定义为“磨削弧长×磨削宽度×最大未变形切屑厚度”的空间区域,认为磨粒在经过磨削弧区时,经历了未接触、滑擦、耕犁和切削四个阶段。分析得到了这四个阶段各自的起始位置及长度与磨粒直径、磨粒突起高度和磨粒位置之间的数学关系。通过求解由微观上推导出的切削磨粒所去除材料的总体积,等于宏观上的比去除率的方程得到最大未变形切屑厚度。通过对磨粒在磨削弧区内各阶段的分析,得到满足磨削弧区内各类磨粒的磨粒直径、磨粒突起高度和磨粒位置这三个变量的积分区间,从而得到了磨削弧区内各类磨粒的数量。将磨削弧区离散,在每一区间内计算各类磨粒数量,得到各类磨粒在磨削弧区中的分布。理论分析及实例计算结果表明,未接触磨粒数量占磨粒总数量的一半且沿磨削弧长减少,滑擦磨粒在整个磨削弧区中都存在且沿磨削弧长增加,耕犁及切削磨粒在磨削弧区中的某一位置处才开始出现。对磨削弧区微观作用机理的分析研究为本文后续工作奠定了理论基础。(2)建立了考虑砂轮修整和磨损影响的磨削表面形貌模型,得到磨削参数与磨削表面粗糙度之间的数值关系。在工件表面定义轮廓线LA,描述表面形貌,认为砂轮表面的磨粒依次经过并改变轮廓线的形状。根据磨粒突起高度、磨粒直径以及磨粒位置和磨粒切入深度之间的数学关系,同时考虑了磨粒粒度、磨粒位置的分布特性,确定了经过轮廓线的磨粒的直径、磨粒在工件表面法向和磨削宽度方向上的位置。所有磨粒经过后,得到了磨削表面形貌LA*及粗糙度Ra。将理论计算结果与相关文献实验数据进行对比,验证了理论模型,分析了磨削参数对磨削表面粗糙度的影响。考虑砂轮修整和磨损的影响,建立了砂轮修整磨损轮廓线Ldw,得到了考虑修整和磨损影响的磨削表面形貌及粗糙度模型。当磨粒经过轮廓线LA之前,被修整磨损轮廓线Ldw改变其形状,将修整和磨损的影响带入到磨削表面形貌中。进行了修整导程单因素磨削实验,将理论计算结果与实验数据进行对比,验证了理论模型,分析了修整参数对磨削表面粗糙度的影响。将平面磨削参数等价转换为轴承滚道磨削参数,将相关理论应用于轴承滚道磨削过程中,得到了轴承滚道磨削参数与表面粗糙度之间的数值关系。结果表明,轴承滚道磨削表面粗糙度只与精磨阶段的磨削参数相关,精磨阶段磨削深度较小,滚道粗糙度受工件转速的影响较大。基于修整参数与表面粗糙度之间的数值关系,可评价修整导程及修整深度的合理性,基于磨削参数与表面粗糙度之间的数值关系,可选择满足磨削工艺粗糙度要求的工件转速。(3)建立了磨削参数与磨削暗层厚度之间的数值关系,提出了考虑暗层厚度、粗糙度和加工效率的轴承滚道磨削参数规划,分析了磨削白层的产生机理。建立了单颗磨粒磨削力模型,结合各类磨粒数量在磨削弧区的分布,得到了总热流密度在磨削弧区的分布。在磨削弧区各区间内计算热量分配比,得到了传入工件的热流密度的分布。建立有限元模型,将传入工件的热流密度加载,计算得到了磨削温度场。基于磨削温度场内工件表层各点的温度变化历程,得到了磨削暗层的厚度。将磨削暗层的计算方法应用于轴承滚道磨削过程中,得到了磨削参数对轴承滚道磨削暗层厚度的影响规律。结果表明,轴承滚道磨削暗层厚度受磨削深度的影响较大。基于磨削参数对轴承滚道磨削粗糙度和磨削暗层厚度的影响规律,提出了综合考虑磨削粗糙度、变质层厚度和加工时间的磨削工艺参数规划的方法。根据本方法得到的轴承滚道磨削工艺参数,既可满足工艺对粗糙度的要求,还可保证不产生磨削暗层,同时加工效率也是最高的。基于单颗磨粒切削的有限元模拟,分析了磨削白层的产生机理,结果表明,当磨削弧区总体温升低于工件材料相变温度时,由单颗磨粒切削也会产生白层组织,此时白层组织在工件表面的分布是随机和不连续的。(4)搭建了角接触球轴承B7008C内圈磨削力及磨削温度实验平台,进行了实验研究。通过测量砂轮电机功率获取切向磨削力,采用改进的顶式热电偶方法测量获取了磨削温度场,在金相显微镜下观察了工件表层的变质层的组织及深度。将测量及理论计算数据进行了对比,结果表明理论计算结果吻合良好,其中切向磨削力预测误差小于7%、磨削温度场分布及变化历程、磨削暗层厚度、磨削白层特征均与本文理论预测结果相符合,从而证明了本文理论适用于轴承滚道磨削研究。
【作者】江京亮；
【导师】葛培琪；
【作者基本信息】山东大学，机械设计及理论，2014，博士
【关键词】轴承滚道磨削；磨削变质层；表面粗糙度；

【参考文献】
[1]袁婷.吸毒人员刑事责任研究[D].华东政法大学,法律（专业学位）,2012,硕士.
[2]曾飞,葛开珍.税收信息化管理的国际比较与借鉴[J].涉外税务,2001,11:48-52.
[3]应海宁.利用磨光法求镶边函数[J].石油地球物理勘探,1984,02:175-178+189.
[4]辛薇.焦化厂备煤系统数字化管控平台的研究与开发[D].西安建筑科技大学,机械电子工程,2013,硕士.
[5]陈丁剑.基于语义的Web服务发现和组合技术研究[D].西北工业大学,2007.
[6]刘志友.井中三分量磁测在青海它温查汉西地区铁多金属矿中的应用[D].中国地质大学（北京）,地质工程,2013,硕士.
[7]林汉鹏.新媒体环境下地方政府公共危机公关研究[D].华侨大学,公共管理（专业学位）,2014,硕士.
[8]俞秀冲.微小RNA-129影响胃癌细胞生长的机制研究[D].宁波大学,生物化学与分子生物学,2013,硕士.
[9]司光东.钛对ZG06Cr13Ni4Mo组织及性能的影响[D].郑州大学,材料加工工程,2013,硕士.
[10]张丽丽.浙江省能源结构优化研究[D].浙江工业大学,2013.
[11]梁瑜.地铁列车轴承故障诊断及在途诊断系统研究[D].北京交通大学,2014.
[12]洪磊.突发公共事件中微博谣言传播研究[D].武汉理工大学,传播学,2012,硕士.
[13]刘晓文.教育投资与经济增长关系的实证研究[D].中国政法大学,政治经济学,2013,硕士.
[14]王五一.上海市H版初中语文教材研究[D].华东师范大学,教育,2001,硕士.
[15]董月香.16MnR钢在碳酸盐和硫化氢复杂介质环境中的应力腐蚀试验研究[D].浙江工业大学,2009.
[16]周璐璐.安徽沿江湖泊越冬白头鹤（Grus monacha）食性的季节变化[D].安徽大学,生态学,2013,硕士.
[17]张琴.节能环保型上市公司盈利能力及其影响因素分析[D].浙江大学,项目管理（专业学位）,2012,硕士.
[18]袁慧莉.厦门WR度假酒店投资项目评估分析[D].华东理工大学,项目管理,2013,硕士.
[19]吴健.基于逆模型的磁流变半主动悬架控制器设计[D].哈尔滨工业大学,控制科学与工程,2014,硕士.
[20]李飞.江苏省财政支持农业园区建设研究[D].南京农业大学,农业推广,2012,硕士.
[21]陆从相,李明亮.基于UG7.0牙签盒盖注射模设计[J].轻工科技,2014,09:103-104.
[22]陶禹舟.关于时尚杂志与消费主义倾向的实证研究[D].复旦大学,传播学,2012,硕士.
[23]张红斌,柯宗强,王鹏,何晓松.哈萨克斯坦南图尔盖盆地复杂断裂解释技术[J].石油地球物理勘探,2008,S2:165-167+178+15.
[24]骆秋生.新时期天津在环渤海区域经济发展中的地位[D].天津财经大学,区域经济,2012,硕士.
[25]范金成.煤矿采场与洞室中某些变形问题的解析分析及锚杆计算[D].中国矿业大学,岩土工程,2014,硕士.
[26]任中杰.诠释学与中国传统伦理思想研究[D].曲阜师范大学,伦理学,2004,硕士.
[27]邹鹏,陈启鑫,夏清,何畅,葛睿.国外电力现货市场建设的逻辑分析及对中国的启示与建议[J].电力系统自动化,2014,13:18-27.
[28]顾爱祥.转基因棉花对烟粉虱及龟纹瓢虫生理生态的影响研究[D].扬州大学,农业昆虫与害虫防治,2012,硕士.
[29]马犇.随机利率下含跳扩散信用风险的奇异期权定价[D].中国矿业大学,应用数学,2014,硕士.
[30]余传文.PCS-8000过程自动化计算机控制系统[J].冶金自动化,1988,02:15-19.
[31]黄兰.数据挖掘技术在图书馆工作中的应用[J].图书馆学研究,2005,07:15-17.
[32]马慧慧.带有紧急供应商的最优补货策略研究[D].曲阜师范大学,运筹学与控制论,2013,硕士.
[33]李蓉.自创商誉的计量及其应用研究[D].北京交通大学,2014.
[34]王冰.数字电视中间件MHP标准[J].中国数字电视.2005(12)
[35]郭威威.服役不同年限T91钢焊接接头组织和性能研究[D].西安工业大学,材料工程,2013,硕士.
[36]闫灵麟.幼儿园的家园共育研究[D].华中师范大学,教育管理,2012,硕士.
[37]冯英昊.月球三维仿真与演示系统的关键技术及方法研究[D].天津理工大学,计算机应用技术,2013,硕士.
[38]高华.昆山农村商业银行对接中小企业融资市场的策略研究[D].南京农业大学,农业推广,2012,硕士.
[39]谌霞.仿真系统辅助中学化学实验教学的研究[D].温州大学,课程与教学论,2012,硕士.
[40]袁宏稳.基于会计师事务所视角下的审计意见研究[D].天津商业大学,会计学,2013,硕士.
[41]邬少兵.行政权的司法制约研究[D].安徽大学,法学理论,2014,硕士.
[42]张忠福.农村中小学布局调整问题研究[D].华东师范大学,2003.
[43]马向群.桑德尔对罗尔斯主体理论的批判[D].吉林大学,外国哲学,2013,硕士.
[44]黄萍.大学英语六级考试成功通过者考试策略个案研究[D].扬州大学,外国语言学及应用语言学,2011,硕士.
[45]李利娟.思想政治教育传播话语的媒介运行过程及其管理研究[D].北京交通大学,2015.
[46]赵晔.小檗碱对高脂饮食诱导的小鼠慢性肾损伤的保护作用及其相关机制的研究[D].南京医科大学,内科学,2013,硕士.
[47]李天尚.建议面向全东北区[J].辽宁气象.1991(01)
[48]乐笑玮.珍稀孑遗植物水杉的亲缘地理学研究[D].华东师范大学,生态学,2013,硕士.
[49]苗广冬.室内高频宽带时变无线信道测量与建模[D].哈尔滨工业大学,信息与通信工程,2013,硕士.
[50]于利利.基于碳纳米材料的电化学生物传感器的研究[D].上海师范大学,2014.