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基于磨削加工表面完整性的滚动接触疲劳寿命预测

作　者: 卢光辉
导　师: 张雪萍
学　校: 上海交通大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 磨削加工轴承内圈表面完整性滚动接触疲劳寿命预测
分类号: TG580.6
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

磨削加工通常作为重要零件的最后一道精密加工工序,磨削加工工艺过程在零件表面形成表面粗糙度、微硬度、残余应力等表面完整性指标对零件的服役寿命与可靠性具有直接影响。目前工程应用中,通常只检测磨削零件的表面粗糙度等几何特征,而对表面层的微硬度、残余应力等物理性能却很少予以检测和控制,进而基于零件磨削加工表面完整性进行磨削零件寿命预测的研究还没有报道。本文将以实际工业中应用的轴承内圈为研究载体,基于实际磨削工艺加工过程形成的表面完整性,对零件滚动接触疲劳疲劳寿命进行预测研究。本文主要内容包括:首先,基于零件加工工艺过程形成的残余应力、显微硬度等表面完整性指标和断裂力学理论,建立了滚动接触疲劳萌生寿命和扩展寿命的预测模型,并修正L-P模型与之对比。与寿命试验数据进行对比验证表明,该寿命模型具有较高的预测精度。其次,以实际工业生产线上随机抽取的轴承内圈作为试样,较系统地测试了内圈试样滚道表面历经热处理、粗磨、精磨、超精四道工序时的表面层残余应力、显微硬度、表面粗糙度等表面完整性指标,着重分析了零件的表面层残余应力及其离散度历经各工序时的变化过程。研究结果表明:零件的表面层残余应力、显微硬度等物理性能指标具有离散性,并且其离散度随工序累积呈收敛趋势。这揭示了传统磨削工序能够使零件表面完整性逐步达到较好的一致性。最后,基于本文建立的滚动接触零件的寿命模型,分析了超精工序后零件表面层残余应力、显微硬度及其离散度对零件滚动接触疲劳萌生寿命和扩展寿命的影响规律;并对超精磨削零件的疲劳寿命进行了预测,根据类似工序的轴承寿命试验数据,对预测结果进行了间接的验证。预测结果与实验结果比较吻合。基于磨削加工零件表面完整性的寿命预测结果表明:残余应力和显微硬度的最大峰值及其沿深度的分布都对零件的疲劳接触寿命都具有较大影响,而残余应力对疲劳寿命的影响更大;超精磨削工序后零件表面层残余应力最大峰值的标准差仅为20MPa,即只有平均值的16%,而试样的疲劳寿命极差却高达4倍。本文从磨削工艺角度揭示了零件使用寿命离散度较大的原因,提供了基于工艺过程提高零件使用可靠性的工艺控制途径,因此对延长精密零件(诸如轴承、齿轮等)的服役周期具有很好的科学价值,并对实际工业生产线的改善和优化具有工程指导意义。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-9
符号表  9-10
第一章绪论  10-26
  1.1 课题来源与研究背景  10-11
  1.2 磨削加工表面完整性研究现状  11-19
    1.2.1 表面完整性概述  11-14
    1.2.2 疲劳性能与表面完整性  14-17
    1.2.3 磨削加工表面完整性  17-19
  1.3 滚动接触疲劳寿命预测理论研究现状  19-23
  1.4 研究内容  23-26
    1.4.1 主要工作  24-25
    1.4.2 论文结构  25-26
第二章基于表面完整性的滚动接触疲劳寿命预测建模  26-36
  2.1 考虑加工预应力的纯滚动线接触应力分析  26-28
  2.2 考虑零件表面完整性的滚动接触疲劳寿命模型  28-32
    2.2.1 基于局部N-S法的疲劳裂纹萌生寿命预测  28-29
    2.2.2 基于断裂力学的疲劳裂纹扩展寿命预测  29-31
    2.2.3 滚动接触疲劳全寿命预测模型  31-32
  2.3 基于L-P寿命理论的滚动接触疲劳寿命模型  32-35
    2.3.1 基本的L-P寿命模型  32-34
    2.3.2 修正的L-P模型  34-35
  2.4 本章小结  35-36
第三章磨削加工表面完整性测试与分析  36-64
  3.1 磨削试样制备与提取  36-39
    3.1.1 试样参数  36
    3.1.2 试样实际工艺流程  36-39
    3.1.3 试样取样  39
  3.2 表面完整性测试方案  39-41
  3.3 表面层残余应力测试结果与离散度分析  41-59
    3.3.1 各工序残余应力测试结果  41-45
    3.3.2 残余应力离散度统计分析  45-50
    3.3.4 热处理零件残余应力分析  50-51
    3.3.5 粗磨零件残余应力分析  51-52
    3.3.6 精磨零件残余应力分析  52-53
    3.3.7 超精零件残余应力分析  53-55
    3.3.8 工序累积下的残余应力分析  55-59
  3.4 表面层显微硬度测试结果与离散度分析  59-60
  3.5 表面变质层测试与分析  60-62
  3.6 表面粗糙度测试与分析  62-63
  3.7 本章小结  63-64
第四章磨削零件滚动接触寿命预测与验证  64-79
  4.1 轴承内圈服役载荷计算  64-66
  4.2 疲劳寿命预测计算流程  66-71
    4.2.1 无残余应力时的接触应力场  66-68
    4.2.2 有残余应力时的接触应力场  68-70
    4.2.3 接触区域裂纹萌生位置预测  70-71
    4.2.4 滚动接触疲劳裂纹萌生寿命预测  71
    4.2.5 滚动接触疲劳裂纹扩展寿命预测  71
    4.2.6 全寿命预测  71
  4.3 残余应力对疲劳寿命的影响  71-73
  4.4 显微硬度对疲劳寿命的影响  73-74
  4.5 表面粗糙度对疲劳寿命的影响  74-75
  4.6 轴承内圈寿命预测及试验验证  75-78
  4.7 本章小结  78-79
第五章全文总结  79-81
  5.1 主要结论  79-80
  5.2 主要创新点  80
  5.3 研究展望  80-81
参考文献  81-86
附录  86-91
致谢  91-92
攻读硕士学位期间发表的论文  92-94

基于磨削加工表面完整性的滚动接触疲劳寿命预测

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