薄壁轴承硬车加工的圆度误差分析与精度控制

作     者：张冏 

作者单位：上海交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：姚振强

授予年度：2016年

学科分类：08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：薄壁轴承 硬车 圆度误差 装夹定位 疲劳寿命 

摘      要：轴承是装备制造业的关键基础零部件。硬车作为淬硬轴承套圈的新型精加工工艺,相对磨削加工具有高质量、高柔性、高效率和低成本的特点,同时可以提高轴承的滚动疲劳寿命。本文针对高精密薄壁轴承硬车加工的技术要求,采用理论分析、数值模拟与实验测试相结合的方法,研究装夹模式、定位面精度、切削力等因素对轴承套圈硬车加工圆度的影响。主要研究内容及结果如下:分析论证了薄壁轴承套圈在硬车削工艺条件下基于径向变形的合理装夹模式。首先,建立了淬硬轴承钢在硬车过程中切削力的有限元模型,对薄壁轴承套圈在硬车过程中的周向切削力和切削力矩进行预测。然后,基于硬车过程中切削力矩和夹持力矩平衡关系,计算了三爪卡盘装夹模式下保证薄壁轴承套圈在切削过程中可靠夹持的最小装夹力。随后,基于平面曲杆弹性理论,求得了薄壁轴承套圈在最小夹持力作用下的径向弹性变形。结果表明:即使使用最小夹持力,三爪卡盘装夹下薄壁轴承套圈的径向变形量已经超出P4级精度轴承套圈的圆度误差要求。因此,高精密薄壁轴承的硬车加工,宜采用电磁卡盘对薄壁轴承套圈端平面施加轴向电磁载荷以获得摩擦力,用于克服硬车削过程中的切削力及力矩。研究了电磁卡盘轴向夹持模式下薄壁轴承套圈端面平面度对其硬车加工圆度的影响规律。首先,通过实验测试发现了多数薄壁轴承套圈典型的“马鞍形端面轮廓特征。其次,采用有限元方法对薄壁轴承套圈进行建模,基于端面加载和约束设计模拟了定位端平面产生“马鞍形轮廓的条件。随后,通过对薄壁轴承套圈轴向和径向变形的数值分析,揭示了薄壁轴承套圈定位端面的平面度误差与硬车加工后的圆度误差的对应关系。结果表明:采用电磁卡盘轴向夹持模式硬车薄壁轴承套圈时,要获得合格的圆度必须保证定位端面的平面度。分析了电磁卡盘轴向夹持模式下让刀变形对薄壁轴承套圈硬车圆度和圆柱度的影响。首先,通过实验测量了电磁卡盘轴向夹持方式下硬车薄壁轴承套圈的切削力,并采用有限元方法计算了切削力作用下套圈的径向让刀变形及其沿轴向的非线性变化规律。然后,通过实验测试发现了多数薄壁轴承套圈毛坯典型的“8字形圆度轮廓特征,建立了电磁卡盘轴向夹持下薄壁轴承套圈轮廓演变过程分析模型,揭示了薄壁轴承套圈多道次硬车加工过程中的圆度误差复映规律。结果表明:电磁卡盘轴向夹持模式下硬车薄壁轴承套圈,让刀变形沿轴向的非线性变化会引起套圈的圆柱度误差;薄壁轴承套圈毛坯“8字形圆度误差会复映到硬车加工后的套圈上,且“8字形轮廓的相位保持不变。研究了薄壁轴承套圈硬车表面完整性与滚动疲劳性能。首先,通过实验测试分析了薄壁轴承套圈硬车表面粗糙度、显微硬度、显微组织和残余应力等表面完整性指标。然后将轴承套圈组装为成套轴承进行疲劳寿命试验,测量试验前后轴承的精度和振动噪声。结果表明:经硬车加工的薄壁轴承套圈,表面粗糙度达到磨削水平,表层显微硬度略有提高,微观组织均匀无相变,同时表面为稳定的残余压应力状态;采用硬车工艺制造的薄壁轴承经过两倍设计寿命的滚动疲劳试验后,仍能保持P4级精度。这在一定程度上验证了高精密轴承“以车代磨工艺的巨大潜力,为我国高端轴承制造取得阶段性突破提供了理论和实验基础。