“硬車-滾壓工藝”——提高滾子軸承疲勞壽命的研究

圖1 硬車-滾壓復合工藝工具

硬車工藝無法在保證表面粗糙度的同時獲得較好的內應力。加工過程中，表面粗糙度由進給速度和切削刃半徑?jīng)Q定，切削刃半徑過大會降低其表面粗糙度，同時會在z達300 μm的深度處產生大的殘余應力。

通過深滾壓工藝可有效降低表面粗糙度，同時獲得大的殘余壓應力。進給速度和覆蓋率u對硬車和車削-滾壓過程中表面粗糙度的影響如圖2所示。表面加工質量僅受覆蓋率u的影響。引入過程控制變量N_w作為偏移因子來描述球在表面上的位置。這里N_w為進給方向位移χ_f與進給量f之比。殘余應力的影響原理與Hertz接觸應力相似。殘余應力的穿透深度隨著球尺寸的增大而增大。滾壓應力影響殘余壓應力的大小。密合度的增加可使深滾壓工具與相同表面積之間有更多接觸。對于這2種工藝過程之間的相互影響，僅需考慮表面粗糙度即可。硬車工藝對表面粗糙度有重要的影響，這是由于高材料硬度阻止粗糙峰在滾壓過程中完全變形，因此初始表面粗糙度也決定了最終表面質量。深滾壓工藝主要影響殘余應力狀態(tài)。為了研究滾壓過程中工件溫度對邊界特性的影響，在不同的工件溫度下進行了試驗研究。環(huán)境溫度從室溫升高至300 ℃。結果表明，隨著溫度升高，殘余壓應力的增幅最小，并且當溫度超過200 ℃時，整個工件的硬度降低。然而，在硬車過程中產生的熱量僅對工件局部產生影響。

外部載荷施加在軸承套圈上產生三維Hertz應力。該模型考慮了軸承滾道的真實輪廓，利用該模型可獲得疲勞極限應力τ_u和疲勞應力指標τ_i，并將其作為loannides-Harris疲勞壽命模型的輸人。根據(jù)loannides等人的研究，存活概率S確定為

第一步將標準研磨的軸承作為參考進行研究。在試驗滾動軸承的前3x10⁷r(t為120 h)內，其表面和次表面的特性發(fā)生了顯著變化。研究表明，對于研磨的軸承，殘余粗糙峰發(fā)生塑性變形，產生殘余應力。如Voskamp的研究所示，殘余應力產生在最大剪切應力的深度處，且其應力值在軸承經(jīng)歷3x10⁷r后保持恒定。

硬車軸承套圈的首次疲勞試驗已表明這一工藝的潛在極限值。套圈的表面粗糙度過大會引起軸承過早失效，而表面粗糙度足夠低的軸承與研磨的軸承試驗結果相當。在疲勞壽命試驗的跑合階段，粗糙峰減小，殘余應力增大。與標準軸承相比，由于自制軸承的工作表面沒有凸度，會產生較低的最大Hertz應力p_max(2 300 MPa)，因此，在試驗過程中使軸承產生了較低的殘余應力。

隨后的深滾壓工藝使?jié)L道產生較高的殘余應力并降低了表面粗糙度。在最初的3 x10⁷r內，殘余應力仍保持在較高的水平。與跑合階段相比，該加工工藝使軸承產生更大的殘余應力，降低了軸承運行期間的臨界剪切應力，并可計算出提高的軸承疲勞壽命。這同樣適用于硬車軸承套圈。硬車試樣中的殘余應力相較于車削后深滾壓試樣移動到更深的深度，如圖3所示，在經(jīng)過t為50 h和120 h的試驗時間后，硬車試樣的殘余應力未發(fā)生顯著變化。

（參考文獻略）

（來源：軸承雜志社）

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