精硬幹切削滾動接觸淬硬零件參數選擇的方法
2023-06-01 20:51:21
專利名稱：精硬幹切削滾動接觸淬硬零件參數選擇的方法
技術領域：
本發明涉及的是一種用於材料切削技術領域參數選擇的方法，具體是一種精硬幹切削滾動接觸淬硬零件的參數優選方法。
背景技術：
超精硬幹切削隨著超硬刀具，如立方氮化硼(PCBN)刀具、陶瓷刀具的實用化和數控工具機精度的提高，正在成為代替磨削工藝進行淬硬軸承鋼等超硬材料加工的新途徑，是高效、精密、清潔加工高硬度材料的潛在主流技術之一。與磨削工藝相比，超精硬切削的主要競爭優勢不僅體現在良好的加工柔性、經濟性、環保性，更體現在它能使零件切削表面獲得非常確定的微觀表面完整性。初步研究表明將精硬切削加工技術應用於軸承製造業，能夠簡化傳統軸承生產線3～4工序，可直接節約軸承製造成本的約50％。PCBN刀具是硬切削常用刀具，其切削部分具有非常確定的幾何形狀，導熱性好，在幹態條件下進行切削，理論上能夠使零件獲得可以控制且優於磨削加工的微觀表面完整性，即精硬幹切削淬硬零件表面完整性具有很強的可控性，進而可以通過一定的切削參數優選體系將表面完整性控制在合理範圍內。
經對現有技術的文獻檢索發現，文東輝等人在《機電工程》2001，18(6)76～79上發表的「PCBN刀具的硬態切削加工機理」一文，該文介紹了目前，精硬加工零件切削參數的選擇常常以其表面形成殘餘壓應力為終極評判目標，對其疲勞壽命及其離散度的影響只作了定性的推斷和預測。事實上，在不同的載荷條件下，在可接受的切削條件和表面完整性(殘餘應力為壓應力)要求下，精密硬切削淬硬零件的滾動接觸疲勞壽命相差約35倍。由此可見，現行的精硬切削參數優選以表面完整性為優化目標具有明顯的缺陷，不能為超硬材料零件進行精硬幹切削參數優選提供科學的依據。
發明內容
本發明的目的在於克服現有技術中的不足，提供一種精硬幹切削滾動接觸淬硬零件參數選擇的方法，以滾動接觸零件的最佳滾動接觸疲勞壽命為優化目標，以實現精硬切削參數的科學選擇，使其從根本上克服零件製造工藝參數、刀具磨損量等選擇僅考慮表面完整性，而與零件的實際服役工況、使用壽命評價等相互脫節的弊病。
本發明所述的最佳的含義，其一，能夠獲得理論上最大甚至無限的接觸疲勞壽命；其二，滾動接觸疲勞壽命具有較小的離散度，即疲勞壽命試驗可重複性好。
本發明是通過以下技術方案實現的，本發明直接以滾動接觸零件的疲勞壽命為優化目標，使滾動接觸零件易於失效部位處的殘餘應力與工作應力疊加值為最小，從而實現精硬切削參數的科學選擇，它提供了具有最小離散度和無限滾動接觸疲勞壽命的滾動接觸零件的定製化生產方法，方法步驟如下(1)根據給定滾動接觸零件的服役條件(承受載荷、摩擦力、載荷性質等)，確定最大工作應力及其沿深度方向的分布(σx，σy，σz分別為滾動接觸零件接觸區周向、徑向和軸向的工作應力值)；假設三維應力(σx，σy，σz)不全為零，則滾動接觸零件的當量應力表達為EqStr=(2)-0.5{(x-y)2+(x-z)2+(y-z)2+6(xy2+xz2+yz2)}0.5--(1)]]>假設滾動接觸零件的接觸區周向、徑向和軸向相應的殘餘應力為σxR、σyR和σzR，則當量應力方程轉化為EqStr=(2)-0.5{[(x+xR)-(y+yR)]2+[(x+xR)-(z+zR)]2+[(y+yR)-]]>(z+zR)]2+6[(xy2+xz2+yz2)]}0.5---(2)]]>(2)根據工件表面粗糙度(Ra)的要求，確定切削參數的約束條件最大和最小的切削速度、進給量和切削深度(Vmax，Vmin，Fmax，Fmin，Dmax，Dmin)；(3)根據殘餘應力(σxR、σyR、σzR)模型，確定滾動接觸零件表面可以獲得初始參數壓應力的所有切削參數子集合(v，f，d，分別為切削速度、進給量和切削深度)。
將殘餘應力沿深度的大小和分布表示為切削參數的多項式函數，進一步假設殘餘應力多項式係數為切削參數的獨立函數，該係數與切削參數之間的關係通過設計切削用量的正交試驗，擬合測試殘餘應力曲線求得，由此確定殘餘應力分布。
具體步驟為1)令σ1＝σxR-σzR；σ2＝σyR-σzR。
殘餘應力模型(即殘餘應力沿深度的大小和分布σ1和σ2)可以表示為切削參數的函數。首先假設精硬切削殘餘應力沿深度方向的分布可以表達為深度z的多項式如③和④所示。
當0zZimax:i=j=0ncjiZj---(3)]]>當z≥Zimaxσi＝0，④式中σi是沿i方向的殘餘應力，i＝1時指周向，i＝2時指軸向，cji是多項式j次冪的係數，z為深度，Zimax為σi分布的最大深度。
2)進一步假設多項式係數cji為切削參數的獨立函數，該係數與切削參數之間的關係式如③所示cji＝b0ji+bvjiv+bfjif+bdjid+bdfjidf+bvfjivf+bvdjivd ⑤其中cji為殘餘應力多項式函數沿i方向的係數；bxji為切削參數或參數交互作用x的效果係數。v，f，d分別為切削速度、進給量和切削深度。
其中v=2(V-VmaxVmax-Vmin)+1,f=2(F-FmaxFmax-Fmin)+1,d=2(D-DmaxDmax-Dmin)+1.]]>V，F，D分別為確定殘餘應力的切削速度、進給量和切削深度；Vmax，Fmax，Dmax分別為構造方程的切削速度、進給量和切削深度的最大值；Vmin，Fmin，Dmin分別為構造方程的切削速度、進給量和切削深度的最小值；x，y，z為空間坐標。
3)同理構造Zimax＝a0i+aviv+afif+adid+adfidf+avfivf+avdivd ⑥其中bxji可以通過設置Vmax，Vmin，Fmax，Fmin，Dmax，Dmin正交試驗得到。具體由正交試驗測試的殘餘應力曲線擬合求得的係數rkhi表示如下b0ji＝r1ji+r2ji+r3ji+r4ji+r5ji+r6ji+r7ji+r8ji
bvji＝r1ji-r2ji+r3ji-r4ji+r5ji+r6ji+r7ji+r8jibfji＝-r1ji-r2ji+r3ji+r4ji+r5ji+r6ji+r7ji+r8jibdji＝-r1ji-r2ji-r3ji-r4ji+r5ji+r6ji+r7ji+r8jibdfji＝r1ji+r2ji-r3ji-r4ji-r5ji-r6ji+r7ji+r8jibvfji＝-r1ji+r2ji+r3ji-r4ji-r5ji+r6ji+r7ji+r8jibvdji＝-r1ji+r2ji-r3ji+r4ji+r5ji-r6ji+r7ji-r8jiaxi可以通過相似步驟得到。
4)進而得到殘餘應力多項式係數cji和殘餘應力最大深度Zmax，從而確定殘餘應力分布(σ1＝σxR-σzR；σ2＝σyR-σzR)。
(4)疊加工作應力和滾動接觸零件表面的初始殘餘應力(參閱公式②)，可優選出使滾動接觸區裂紋萌生點處當量應力值為最小的一組切削參數子集合，同時也可以挑選出使當量值為最大的一組切削參數子集合。
假設滾動接觸零件的的基本額定壽命為L10，則由精硬切削產生的最佳額定壽命與最差額定壽命的比值=(L10)best(L10)worst={EqStrworstEqStrbest}10.]]>本發明結合滾動接觸零件的具體幾何結構和工作載荷確定最大滾動接觸應力的位置和大小，並將該應力與精硬幹切削所產生的殘餘應力相互疊加進行綜合確定其位置和最小值。
將精硬幹切削工藝參數與已加工淬硬零件表面的完整性特徵相互聯繫，在能夠實現的工藝範圍內給出一個較寬的精硬幹切削參數選擇帶；建立該範圍內的精硬幹切削參數與淬硬零件實際滾動接觸部位疊加應力位置及其大小的關係，進而以滾動接觸零件的最終使用壽命為優化目標，在較寬的範圍內優選精硬幹切削參數，從而使精硬幹切削淬硬零件能夠得到最佳的滾動接觸疲勞壽命。
確定滾動接觸零件的實際承載條件，利用本發明使精硬幹切削的滾動接觸零件易於失效部位處的殘餘應力與工作應力疊加值為最小，從而實現滾動接觸零件獲得最優的滾動接觸疲勞壽命。本發明以精硬幹切削能夠獲得可控的確定性表面完整性為依據，以淬硬零件的滾動接觸疲勞壽命為最終優化目標，通過建立「切削參數—已加工表面完整性—實際應力狀況」的複雜模型，實現精硬切削參數的科學優選，從而提供具有最小離散度和無限滾動接觸疲勞壽命的滾動接觸零件定製化生產方法。
本發明從根本上克服零件製造工藝參數、刀具磨損量等選擇僅考慮表面完整性，而與零件的實際服役工況、使用壽命評價等相互脫節的弊病，使精密硬切削的參數選擇依據以零件的全壽命周期為優化目標，實現全局最優，從而建立滾動軸承硬切削參數及其表面完整性的定量評價體系。
圖1精硬幹切削滾動軸承的定製化製造流程圖具體實施方式
結合附圖以及本發明技術的內容，提供淬硬滾動軸承定製化生產的實例如圖1所示，淬硬滾動軸承定製化生產過程(1)根據特定滾動軸承的服役工況條件(承受載荷、摩擦力、載荷性質等)確定其工作應力範圍，作為初始值輸入；(2)確定精硬幹切削參數的約束條件，即切削速度、切削深度、進給量、刀具磨損量等的合理範圍；(3)在可以實現的工藝條件下，確定所有滿足表面精度要求的切削工藝參數集合；(4)確定所有滿足要求的切削工藝參數集合下，精硬幹切削淬硬滾動軸承接觸表面的初始殘餘應力；(5)將實際工作應力與該初始殘餘應力相互疊加，以易於失效部位的疊加值當量應力最小為最優，從而優選最佳的切削工藝參數組合。典型滾動軸承的服役條件如表1所示。
表1滾動軸承的典型應用條件赫茲接觸橢圓 0.1的長寬比例係數k滾動接觸面間 00.1的摩擦係數μ赫茲接觸橢圓 0.125 0.375 0.1250.375的短半軸長度b(mm)赫茲接觸橢圓 700 2100 3500 700 2100 3500 700 2100 3500 700 2100 3500中心的最大壓力值p(Mpa)
依據赫茲接觸理論，可得到三維工作應力狀態σx、σy、σz(分別為滾動接觸區域周向、徑向和軸向的應力值)、τxy、τxz、τyz。
根據滾動軸承表面粗糙度要求(1.97＜Ra＜3.97)，確定滿足該條件的切削參數的最大最小值如下Vmax＝35m/sVmin＝20m/sFmax＝0.4mm/rFmin＝0.2mm/rDmax＝0.5mmDmin＝0.0125mm根據切削參數設計正交試驗表(如表2所示)，擬合殘餘應力曲線求得rkhi。
表2切削參數正交試驗表
進而可得到切削參數或切削參數交互作用效果係數bxji如表3所示。
表3切削參數及其在兩個應力方向上的效果/交互效果係數bxji
得到殘餘應力多項式係數cji如表4所示。
表4殘餘應力模型的多項式係數cji
最後，可以得到滾動軸承典型載荷條件下，精硬切削時產生的最佳額定壽命與最差額定壽命的比值如表5所示。
表5典型載荷條件下精硬切削參數的優選結果及其ζ滾動軸承 最佳硬切削參數子集合最差硬切削參數子集合ζ服役條件Fτb P v f d EqStr Rav f d EqStr RaN mm Mpm/smm/r mm N/mm2μm m/smm/r mm N/mm2μma0 0.125 700 2.7128 0.20.5 497.8 2.71 35 0.40.125 550.13 3.972100 1.6135 0.20.5 1322.31.97 35 0.40.125 1387.1 3.973500 1.4035 0.20.5 2168.71.97 35 0.40.125 2242.7 3.970.375 700 35.835 0.40.0125 441.633.97 20 0.20.325 631.5 3.852100 2.7435 0.40.0125 1324.93.97 20 0.20.325 1465.2 3.853500 1.6035 0.40.0125 2208.23.97 20 0.20.325 2314.9 3.850.1 0.125 700 2.5925.5 0.20.5 502.112.94 35 0.40.125 552.3 3.972100 1.5935 0.20.5 1334.11.97 35 0.40.125 13973.973500 1.3935 0.20.5 2187.81.97 35 0.40.125 2260.2 3.970.375 700 35.035 0.40.0125 443.873.97 20 0.20.325 633.4 3.852100 2.7735 0.40.0125 1331.63.97 20 0.20.325 1474.3 3.853500 1.6435 0.40.0125 2219.33.97 20 0.20.325 2331.8 3.85由該實例可知，傳統上僅以零件表面粗糙度為精硬切削參數為約束條件，能夠導致滾動接觸零件的基本額定疲勞壽命最大相差約35倍。依據本發明提供的優選方法體系，可以使滾動接觸零件失效部位的殘餘應力與工作應力疊加為最小值，從而是滾動軸承疲勞壽命最長，即該方法提供了具有最優滾動接觸疲勞壽命的滾動軸承定製化生產方法。
權利要求
1.一種精硬幹切削滾動接觸淬硬零件參數選擇的方法，其特徵在於，直接以淬硬零件的滾動接觸疲勞壽命為優化目標，使淬硬零件的滾動接觸易失效部位處的殘餘應力與工作應力疊加值為最小，從而實現精硬切削參數的選擇，步驟如下(1)首先，根據給定滾動接觸零件的服役條件，確定滾動接觸部位最大工作應力及其沿深度方向的分布σx，σy，σz；(2)根據工件表面粗糙度要求，確定切削參數的約束條件最大和最小的切削速度、進給量和切削深度Vmax，Vmin，Fmax，Fmin，Dmax，Dmin；(3)根據殘餘應力σxR、σyR、σzR模型，確定滾動接觸零件表面能獲得初始參數壓應力的所有切削參數子集合v，f，d；(4)疊加工作應力和滾動接觸零件表面的初始殘餘應力，選擇出使滾動接觸區裂紋萌生點處當量應力值為最小的一組切削參數子集合，同時挑選出使最大當量值為最大的一組切削參數子集合。
2.根據權利要求1所述的精硬幹切削滾動接觸淬硬零件參數選擇的方法，其特徵是，結合滾動接觸零件的具體幾何結構和工作載荷確定最大滾動接觸應力的位置和大小，並將該應力與精硬幹切削所產生的殘餘應力相互疊加進行綜合確定其位置和最小值。
3.根據權利要求1所述的精硬幹切削滾動接觸淬硬零件參數選擇的方法，其特徵是，將精硬幹切削工藝參數與已加工淬硬零件表面的完整性特徵相互聯繫，在能夠實現的工藝範圍內給出一個較寬的精硬幹切削參數選擇帶；建立該範圍內的精硬幹切削參數與淬硬零件實際滾動接觸部位疊加應力位置及其大小的關係，進而以滾動接觸零件的最終使用壽命為優化目標，在較寬的範圍內優選精硬幹切削參數，從而使精硬幹切削淬硬零件能夠得到最佳的滾動接觸疲勞壽命。
全文摘要
一種切削技術領域的精硬幹切削滾動接觸淬硬零件參數選擇的方法，首先根據零件具體幾何結構、服役工況決定其最大滾動接觸應力；再根據淬硬零件表面粗糙度的要求，確定切削參數的約束條件；由殘餘應力模型，確定滾動接觸零件獲得初始殘餘壓應力的所有精硬幹切削參數子集合；將工作應力與滾動接觸零件表面的初始殘餘應力相互疊加，選擇出使實際滾動接觸區裂紋萌生點處當量應力值為最小、最大的切削參數子集合。本發明以精硬幹切削能獲得可控的確定性表面完整性為依據，以零件的滾動接觸疲勞壽命為最終優化目標，綜合疊加應力以確定實可獲得的最小接觸應力，實現滾動接觸淬硬零件的定製化精硬幹切削參數優選。
文檔編號B23Q15/00GK1614599SQ20041008455
公開日2005年5月11日 申請日期2004年11月25日 優先權日2004年11月25日
發明者張雪萍, 劉中鴻 申請人:上海交通大學