CN1614599A - 精硬干切削滚动接触淬硬零件参数选择的方法 - Google Patents

Abstract

一种切削技术领域的精硬干切削滚动接触淬硬零件参数选择的方法，首先根据零件具体几何结构、服役工况决定其最大滚动接触应力；再根据淬硬零件表面粗糙度的要求，确定切削参数的约束条件；由残余应力模型，确定滚动接触零件获得初始残余压应力的所有精硬干切削参数子集合；将工作应力与滚动接触零件表面的初始残余应力相互叠加，选择出使实际滚动接触区裂纹萌生点处当量应力值为最小、最大的切削参数子集合。本发明以精硬干切削能获得可控的确定性表面完整性为依据，以零件的滚动接触疲劳寿命为最终优化目标，综合叠加应力以确定实可获得的最小接触应力，实现滚动接触淬硬零件的定制化精硬干切削参数优选。

Description

精硬干切削滚动接触淬硬零件参数选择的方法

技术领域

本发明涉及的是一种用于材料切削技术领域参数选择的方法，具体是一种精硬干切削滚动接触淬硬零件的参数优选方法。

背景技术

超精硬干切削随着超硬刀具，如立方氮化硼(PCBN)刀具、陶瓷刀具的实用化和数控机床精度的提高，正在成为代替磨削工艺进行淬硬轴承钢等超硬材料加工的新途径，是高效、精密、清洁加工高硬度材料的潜在主流技术之一。与磨削工艺相比，超精硬切削的主要竞争优势不仅体现在良好的加工柔性、经济性、环保性，更体现在它能使零件切削表面获得非常确定的微观表面完整性。初步研究表明：将精硬切削加工技术应用于轴承制造业，能够简化传统轴承生产线3～4工序，可直接节约轴承制造成本的约50％。PCBN刀具是硬切削常用刀具，其切削部分具有非常确定的几何形状，导热性好，在干态条件下进行切削，理论上能够使零件获得可以控制且优于磨削加工的微观表面完整性，即精硬干切削淬硬零件表面完整性具有很强的可控性，进而可以通过一定的切削参数优选体系将表面完整性控制在合理范围内。

经对现有技术的文献检索发现，文东辉等人在《机电工程》2001，18(6)：76～79上发表的“PCBN刀具的硬态切削加工机理”一文，该文介绍了：目前，精硬加工零件切削参数的选择常常以其表面形成残余压应力为终极评判目标，对其疲劳寿命及其离散度的影响只作了定性的推断和预测。事实上，在不同的载荷条件下，在可接受的切削条件和表面完整性(残余应力为压应力)要求下，精密硬切削淬硬零件的滚动接触疲劳寿命相差约35倍。由此可见，现行的精硬切削参数优选以表面完整性为优化目标具有明显的缺陷，不能为超硬材料零件进行精硬干切削参数优选提供科学的依据。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种精硬干切削滚动接触淬硬零件参数选择的方法，以滚动接触零件的最佳滚动接触疲劳寿命为优化目标，以实现精硬切削参数的科学选择，使其从根本上克服零件制造工艺参数、刀具磨损量等选择仅考虑表面完整性，而与零件的实际服役工况、使用寿命评价等相互脱节的弊病。

本发明所述的最佳的含义，其一，能够获得理论上最大甚至无限的接触疲劳寿命；其二，滚动接触疲劳寿命具有较小的离散度，即疲劳寿命试验可重复性好。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明直接以滚动接触零件的疲劳寿命为优化目标，使滚动接触零件易于失效部位处的残余应力与工作应力叠加值为最小，从而实现精硬切削参数的科学选择，它提供了具有最小离散度和无限滚动接触疲劳寿命的滚动接触零件的定制化生产方法，方法步骤如下：

(1)根据给定滚动接触零件的服役条件(承受载荷、摩擦力、载荷性质等)，确定最大工作应力及其沿深度方向的分布(σ_x，σ_y，σ_z分别为滚动接触零件接触区周向、径向和轴向的工作应力值)；

假设三维应力(σ_x，σ_y，σ_z)不全为零，则滚动接触零件的当量应力表达为：

$\mathrm{EqStr}={\left(2\right)}^{-0.5}\{{({\text{\σ}}_x-{\mathrm{\σ}}_y)}^2+{({\mathrm{\σ}}_x-{\mathrm{\σ}}_z)}^2+{({\mathrm{\σ}}_y-{\mathrm{\σ}}_z)}^2+6({\mathrm{\τ}}_{\mathrm{xy}}^2+{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{xz}}^2+{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{yz}}^2){\}}^{0.5}--\left(1\right)$

假设滚动接触零件的接触区周向、径向和轴向相应的残余应力为σ_xR、σ_yR和σ_zR，则当量应力方程转化为：

$\mathrm{EqStr}={\left(2\right)}^{-0.5}\left\{\right[({\mathrm{\σ}}_x+{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{xR}})-({\mathrm{\σ}}_y+{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{yR}}){]}^2+[({\mathrm{\σ}}_x+{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{xR}})-({\mathrm{\σ}}_z+{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{zR}}){]}^2+[({\mathrm{\σ}}_y+{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{yR}})-$

$({\mathrm{\σ}}_z+{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{zR}}){]}^2+6\left[({\mathrm{\τ}}_{\mathrm{xy}}^2+{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{xz}}^2+{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{yz}}^2)\right]{\}}^{0.5}---\left(2\right)$

(2)根据工件表面粗糙度(R_a)的要求，确定切削参数的约束条件：最大和最小的切削速度、进给量和切削深度(V_max，V_min，F_max，F_min，D_max，D_min)；

(3)根据残余应力(σ_xR、σ_yR、σ_zR)模型，确定滚动接触零件表面可以获得初始参数压应力的所有切削参数子集合(v，f，d，分别为切削速度、进给量和切削深度)。

将残余应力沿深度的大小和分布表示为切削参数的多项式函数，进一步假设残余应力多项式系数为切削参数的独立函数，该系数与切削参数之间的关系通过设计切削用量的正交试验，拟合测试残余应力曲线求得，由此确定残余应力分布。

具体步骤为：

1)令σ₁＝σ_xR-σ_zR；σ₂＝σ_yR-σ_zR。

残余应力模型(即残余应力沿深度的大小和分布σ₁和σ₂)可以表示为切削参数的函数。首先假设精硬切削残余应力沿深度方向的分布可以表达为深度z的多项式如③和④所示。

当 $0\≤z\≤Z_{i\max }:{\mathrm{\σ}}_i=\underset{j=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{\mathrm{ji}}\·Z^j---\left(3\right)$

当z≥Z_imax：σ_i＝0，                                                ④

式中：σ_i是沿i方向的残余应力，i＝1时指周向，i＝2时指轴向，c_ji是多项式j次幂的系数，z为深度，Z_imax为σ_i分布的最大深度。

2)进一步假设多项式系数c_ji为切削参数的独立函数，该系数与切削参数之间的关系式如③所示：

c_ji＝b_0ji+b_vjiv+b_fjif+b_djid+b_dfjidf+b_vfjivf+b_vdjivd             ⑤

其中：c_ji为残余应力多项式函数沿i方向的系数；b_xji为切削参数或参数交互作用x的效果系数。v，f，d分别为切削速度、进给量和切削深度。

其中 $v=2\left(\frac{V-V_{\max }}{V_{\text{max}}-V_{\min }}\right)+1,f=2\left(\frac{F-F_{\max }}{F_{\max }-F_{\min }}\right)+1,d=2\left(\frac{D-D_{\max }}{D_{\max }-D_{\min }}\right)+1.$

V，F，D分别为确定残余应力的切削速度、进给量和切削深度；V_max，F_max，D_max分别为构造方程的切削速度、进给量和切削深度的最大值；V_min，F_min，D_min分别为构造方程的切削速度、进给量和切削深度的最小值；x，y，z为空间坐标。

3)同理构造

Z_imax＝a_0i+a_viv+a_fif+a_did+a_dfidf+a_vfivf+a_vdivd                  ⑥

其中b_xji可以通过设置V_max，V_min，F_max，F_min，D_max，D_min正交试验得到。具体由正交试验测试的残余应力曲线拟合求得的系数r_khi表示如下：

b_0ji＝r_1ji+r_2ji+r_3ji+r_4ji+r_5ji+r_6ji+r_7ji+r_8ji

b_vji＝r_1ji-r_2ji+r_3ji-r_4ji+r_5ji+r_6ji+r_7ji+r_8ji

b_fji＝-r_1ji-r_2ji+r_3ji+r_4ji+r_5ji+r_6ji+r_7ji+r_8ji

b_dji＝-r_1ji-r_2ji-r_3ji-r_4ji+r_5ji+r_6ji+r_7ji+r_8ji

b_dfji＝r_1ji+r_2ji-r_3ji-r_4ji-r_5ji-r_6ji+r_7ji+r_8ji

b_vfji＝-r_1ji+r_2ji+r_3ji-r_4ji-r_5ji+r_6ji+r_7ji+r_8ji

b_vdji＝-r_1ji+r_2ji-r_3ji+r_4ji+r_5ji-r_6ji+r_7ji-r_8ji

a_xi可以通过相似步骤得到。

4)进而得到残余应力多项式系数c_ji和残余应力最大深度Z_max，从而确定残余应力分布(σ₁＝σ_xR-σ_zR；σ₂＝σ_yR-σ_zR)。

(4)叠加工作应力和滚动接触零件表面的初始残余应力(参阅公式②)，可优选出使滚动接触区裂纹萌生点处当量应力值为最小的一组切削参数子集合，同时也可以挑选出使当量值为最大的一组切削参数子集合。

假设滚动接触零件的的基本额定寿命为L10，则由精硬切削产生的最佳额定寿命与最差额定寿命的比值 $\mathrm{\ζ}=\frac{(L_{10}{)}_{\mathrm{best}}}{(L_{10}{)}_{\mathrm{worst}}}={\left\{\frac{{\mathrm{EqStr}}_{\mathrm{worst}}}{{\mathrm{EqStr}}_{\mathrm{best}}}\right\}}^{10}.$

本发明结合滚动接触零件的具体几何结构和工作载荷确定最大滚动接触应力的位置和大小，并将该应力与精硬干切削所产生的残余应力相互叠加进行综合确定其位置和最小值。

将精硬干切削工艺参数与已加工淬硬零件表面的完整性特征相互联系，在能够实现的工艺范围内给出一个较宽的精硬干切削参数选择带；建立该范围内的精硬干切削参数与淬硬零件实际滚动接触部位叠加应力位置及其大小的关系，进而以滚动接触零件的最终使用寿命为优化目标，在较宽的范围内优选精硬干切削参数，从而使精硬干切削淬硬零件能够得到最佳的滚动接触疲劳寿命。

确定滚动接触零件的实际承载条件，利用本发明使精硬干切削的滚动接触零件易于失效部位处的残余应力与工作应力叠加值为最小，从而实现滚动接触零件获得最优的滚动接触疲劳寿命。本发明以精硬干切削能够获得可控的确定性表面完整性为依据，以淬硬零件的滚动接触疲劳寿命为最终优化目标，通过建立“切削参数—已加工表面完整性—实际应力状况”的复杂模型，实现精硬切削参数的科学优选，从而提供具有最小离散度和无限滚动接触疲劳寿命的滚动接触零件定制化生产方法。

本发明从根本上克服零件制造工艺参数、刀具磨损量等选择仅考虑表面完整性，而与零件的实际服役工况、使用寿命评价等相互脱节的弊病，使精密硬切削的参数选择依据以零件的全寿命周期为优化目标，实现全局最优，从而建立滚动轴承硬切削参数及其表面完整性的定量评价体系。

附图说明

图1精硬干切削滚动轴承的定制化制造流程图

具体实施方式

结合附图以及本发明技术的内容，提供淬硬滚动轴承定制化生产的实例：

如图1所示，淬硬滚动轴承定制化生产过程：(1)根据特定滚动轴承的服役工况条件(承受载荷、摩擦力、载荷性质等)确定其工作应力范围，作为初始值输入；(2)确定精硬干切削参数的约束条件，即切削速度、切削深度、进给量、刀具磨损量等的合理范围；(3)在可以实现的工艺条件下，确定所有满足表面精度要求的切削工艺参数集合；(4)确定所有满足要求的切削工艺参数集合下，精硬干切削淬硬滚动轴承接触表面的初始残余应力；(5)将实际工作应力与该初始残余应力相互叠加，以易于失效部位的叠加值当量应力最小为最优，从而优选最佳的切削工艺参数组合。典型滚动轴承的服役条件如表1所示。

                      表1滚动轴承的典型应用条件

赫兹接触椭圆   0.1

的长宽比例系

数k

滚动接触面间   0                                    0.1

的摩擦系数μ

赫兹接触椭圆   0.125             0.375             0.125            0.375

的短半轴长度

b(mm)

赫兹接触椭圆   700   2100  3500   700   2100  3500  700  2100  3500  700  2100  3500

中心的最大压

力值p(Mpa)

依据赫兹接触理论，可得到三维工作应力状态σ_x、σ_y、σ_z(分别为滚动接触区域周向、径向和轴向的应力值)、τ_xy、τ_xz、τ_yz。

根据滚动轴承表面粗糙度要求(1.97＜Ra＜3.97)，确定满足该条件的切削参数的最大最小值如下：

V_max＝35m/s

V_min＝20m/s

F_max＝0.4mm/r

F_min＝0.2mm/r

D_max＝0.5mm

D_min＝0.0125mm

根据切削参数设计正交试验表(如表2所示)，拟合残余应力曲线求得r_khi。

        表2切削参数正交试验表

序号(k)	切削速度(m/s)	进给量(mm/r)	切削深度(mm)
				1	35	0.2	0.0125
2	20	0.2	0.0125
				3	35	0.4	0.0125
4	20	0.4	0.0125
				5	35	0.2	0.5
6	20	0.2	0.5
				7	35	0.4	0.5
8	20	0.4	0.5

进而可得到切削参数或切削参数交互作用效果系数b_xji如表3所示。

          表3切削参数及其在两个应力方向上的效果/交互效果系数b_xji

方向系数(x)	应力方向(i)	x的效果系数bxji
								0	1	2	3	4	5
		0	1	-51.13	-15.46	98.97	-56.25							11.14	-0.74
v	1							-5.99	4.18	5.38	-4.87	1.18	-0.09
		f	1	-15.57	52.18	-36.75	10.84							-1.48	0.08

d	1	10.39	31.81	-62.70	34.65	-7.51	0.55
								df	1	3.55	14.84	-14.44	4.44	-0.53	0.019
vf	1	-12.88	6.58	2.12	-1.14	0.12	-0.00
								vd	1	0.74	17.70	-18.85	6.89	-1.14	0.07
0	2	-60.88	-56.39	159.82	-86.98	17.99	-1.30
								v	2	-12.75	13.87	-2.70	-1.66	0.72	-0.07
f	2	27.06	-39.26	12.94	2.15	-1.38	0.14
								d	2	-7.81	72.22	-112.33	61.41	-13.83	0.14
df	2	8.15	-23.52	18.17	-6.98	1.47	-0.12
								vf	2	-0.20	3.87	-3.52	0.68	0.069	-0.02
vd	2	-0.24	4.96	-10.33	6.15	-1.39	0.11

得到残余应力多项式系数c_ji如表4所示。

                       表4残余应力模型的多项式系数c_ji

多项式系数序号	应力方向(i)	残余应力多项式系数cji
								0	1	2	3	4	5
		1	1	-36.26	-104.71	206.07	-107.92							21.80	-1.51
2	1							-48.56	-64.49	161.86	-86.68	17.39	-1.19
		3	1	-100.26	-16.86	165.71	-97.39							20.15	-1.40
4	1							-61.05	-2.99	113.01	-71.60	15.26	-1.06
		5	1	-21.09	-35.38	71.86	-33.72							5.56	-0.30
6	1							-36.35	-65.97	103.05	-40.04	5.71	-0.27
		7	1	-70.90	-111.84	-26.27	-5.44							1.79	-0.11
8	1							-34.56	-54.90	-3.57	-7.22	1.45	-0.08
		1	2	-84.83	-107.83	288.54	-166.01							36.72	-2.81
2	2							-60.22	-117.92	266.23	-149.03	32.53	-2.49
		3	2	-46.33	-131.57	271.04	-146.40							31.15	-2.32
4	2							-20.90	-157.12	262.82	-132.11	26.78	-1.92
		5	2	-117.23	93.58	6.86	-16.92							3.33	-0.18
6	2							-91.65	63.66	25.89	-24.55	4.81	-0.29
		7	2	-46.13	-24.25	62.04	-25.24							3.66	-0.18

8

2

-19.75

-69.64

95.16

-35.57

4.86

-0.21

最后，可以得到滚动轴承典型载荷条件下，精硬切削时产生的最佳额定寿命与最差额定寿命的比值如表5所示。

           表5典型载荷条件下精硬切削参数的优选结果及其ζ

滚动轴承                 最佳硬切削参数子集合                    最差硬切削参数子集合

                   ζ

服役条件

F_τ   b      P             v      f      d       EqStr     R_a    v      f      d       EqStr       R_a

N     mm     Mp            m/s    mm/r   mm      N/mm²   μm     m/s    mm/r   mm      N/mm²     μm

             a

0     0.125  700   2.71    28     0.2    0.5     497.8     2.71   35     0.4    0.125   550.13      3.97

             2100  1.61    35     0.2    0.5     1322.3    1.97   35     0.4    0.125   1387.1      3.97

             3500  1.40    35     0.2    0.5     2168.7    1.97   35     0.4    0.125   2242.7      3.97

      0.375  700   35.8    35     0.4    0.0125  441.63    3.97   20     0.2    0.325   631.5       3.85

             2100  2.74    35     0.4    0.0125  1324.9    3.97   20     0.2    0.325   1465.2      3.85

             3500  1.60    35     0.4    0.0125  2208.2    3.97   20     0.2    0.325   2314.9      3.85

0.1   0.125  700   2.59    25.5   0.2    0.5     502.11    2.94   35     0.4    0.125   552.3       3.97

             2100  1.59    35     0.2    0.5     1334.1    1.97   35     0.4    0.125   1397        3.97

             3500  1.39    35     0.2    0.5     2187.8    1.97   35     0.4    0.125   2260.2      3.97

      0.375  700   35.0    35     0.4    0.0125  443.87    3.97   20     0.2    0.325   633.4       3.85

             2100  2.77    35     0.4    0.0125  1331.6    3.97   20     0.2    0.325   1474.3      3.85

             3500  1.64    35     0.4    0.0125  2219.3    3.97   20     0.2    0.325   2331.8      3.85

由该实例可知，传统上仅以零件表面粗糙度为精硬切削参数为约束条件，能够导致滚动接触零件的基本额定疲劳寿命最大相差约35倍。依据本发明提供的优选方法体系，可以使滚动接触零件失效部位的残余应力与工作应力叠加为最小值，从而是滚动轴承疲劳寿命最长，即该方法提供了具有最优滚动接触疲劳寿命的滚动轴承定制化生产方法。

Claims (3)

1、一种精硬干切削滚动接触淬硬零件参数选择的方法，其特征在于，直接以淬硬零件的滚动接触疲劳寿命为优化目标，使淬硬零件的滚动接触易失效部位处的残余应力与工作应力叠加值为最小，从而实现精硬切削参数的选择，步骤如下：

(1)首先，根据给定滚动接触零件的服役条件，确定滚动接触部位最大工作应力及其沿深度方向的分布σ_x，σ_y，σ_z；

(2)根据工件表面粗糙度要求，确定切削参数的约束条件：最大和最小的切削速度、进给量和切削深度V_max，V_min，F_max，F_min，D_max，D_min；

(3)根据残余应力σ_xR、σ_yR、σ_zR模型，确定滚动接触零件表面能获得初始参数压应力的所有切削参数子集合v，f，d；

(4)叠加工作应力和滚动接触零件表面的初始残余应力，选择出使滚动接触区裂纹萌生点处当量应力值为最小的一组切削参数子集合，同时挑选出使最大当量值为最大的一组切削参数子集合。

2、根据权利要求1所述的精硬干切削滚动接触淬硬零件参数选择的方法，其特征是，结合滚动接触零件的具体几何结构和工作载荷确定最大滚动接触应力的位置和大小，并将该应力与精硬干切削所产生的残余应力相互叠加进行综合确定其位置和最小值。

3、根据权利要求1所述的精硬干切削滚动接触淬硬零件参数选择的方法，其特征是，将精硬干切削工艺参数与已加工淬硬零件表面的完整性特征相互联系，在能够实现的工艺范围内给出一个较宽的精硬干切削参数选择带；建立该范围内的精硬干切削参数与淬硬零件实际滚动接触部位叠加应力位置及其大小的关系，进而以滚动接触零件的最终使用寿命为优化目标，在较宽的范围内优选精硬干切削参数，从而使精硬干切削淬硬零件能够得到最佳的滚动接触疲劳寿命。

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