專利名稱：精硬干切削滾動接觸淬硬零件參數(shù)選擇的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種用于材料切削技術(shù)領(lǐng)域參數(shù)選擇的方法，具體是一種精硬干切削滾動接觸淬硬零件的參數(shù)優(yōu)選方法。
背景技術(shù)：
超精硬干切削隨著超硬刀具，如立方氮化硼(PCBN)刀具、陶瓷刀具的實用化和數(shù)控機床精度的提高，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(shù)之一。與磨削工藝相比，超精硬切削的主要競爭優(yōu)勢不僅體現(xiàn)在良好的加工柔性、經(jīng)濟性、環(huán)保性，更體現(xiàn)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(shù)應(yīng)用于軸承制造業(yè)，能夠簡化傳統(tǒng)軸承生產(chǎn)線3～4工序，可直接節(jié)約軸承制造成本的約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(dǎo)熱性好，在干態(tài)條件下進行切削，理論上能夠使零件獲得可以控制且優(yōu)于磨削加工的微觀表面完整性，即精硬干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(shù)優(yōu)選體系將表面完整性控制在合理范圍內(nèi)。
經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻檢索發(fā)現(xiàn)，文東輝等人在《機電工程》2001，18(6)76～79上發(fā)表的“PCBN刀具的硬態(tài)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(shù)的選擇常常以其表面形成殘余壓應(yīng)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(yù)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(殘余應(yīng)力為壓應(yīng)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(xiàn)行的精硬切削參數(shù)優(yōu)選以表面完整性為優(yōu)化目標具有明顯的缺陷，不能為超硬材料零件進行精硬干切削參數(shù)優(yōu)選提供科學(xué)的依據(jù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種精硬干切削滾動接觸淬硬零件參數(shù)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(yōu)化目標，以實現(xiàn)精硬切削參數(shù)的科學(xué)選擇，使其從根本上克服零件制造工藝參數(shù)、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(jié)的弊病。
本發(fā)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復(fù)性好。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，本發(fā)明直接以滾動接觸零件的疲勞壽命為優(yōu)化目標，使?jié)L動接觸零件易于失效部位處的殘余應(yīng)力與工作應(yīng)力疊加值為最小，從而實現(xiàn)精硬切削參數(shù)的科學(xué)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制化生產(chǎn)方法，方法步驟如下(1)根據(jù)給定滾動接觸零件的服役條件(承受載荷、摩擦力、載荷性質(zhì)等)，確定最大工作應(yīng)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(qū)周向、徑向和軸向的工作應(yīng)力值)；假設(shè)三維應(yīng)力(σx，σy，σz)不全為零，則滾動接觸零件的當(dāng)量應(yīng)力表達為EqStr=(2)-0.5{(σx-σy)2+(σx-σz)2+(σy-σz)2+6(τxy2+τxz2+τyz2)}0.5--(1)]]>假設(shè)滾動接觸零件的接觸區(qū)周向、徑向和軸向相應(yīng)的殘余應(yīng)力為σxR、σyR和σzR，則當(dāng)量應(yīng)力方程轉(zhuǎn)化為EqStr=(2)-0.5{[(σx+σxR)-(σy+σyR)]2+[(σx+σxR)-(σz+σzR)]2+[(σy+σyR)-]]>(σz+σzR)]2+6[(τxy2+τxz2+τyz2)]}0.5---(2)]]>(2)根據(jù)工件表面粗糙度(Ra)的要求，確定切削參數(shù)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，F(xiàn)max，F(xiàn)min，Dmax，Dmin)；(3)根據(jù)殘余應(yīng)力(σxR、σyR、σzR)模型，確定滾動接觸零件表面可以獲得初始參數(shù)壓應(yīng)力的所有切削參數(shù)子集合(v，f，d，分別為切削速度、進給量和切削深度)。
將殘余應(yīng)力沿深度的大小和分布表示為切削參數(shù)的多項式函數(shù)，進一步假設(shè)殘余應(yīng)力多項式系數(shù)為切削參數(shù)的獨立函數(shù)，該系數(shù)與切削參數(shù)之間的關(guān)系通過設(shè)計切削用量的正交試驗，擬合測試殘余應(yīng)力曲線求得，由此確定殘余應(yīng)力分布。
具體步驟為1)令σ1＝σxR-σzR；σ2＝σyR-σzR。
殘余應(yīng)力模型(即殘余應(yīng)力沿深度的大小和分布σ1和σ2)可以表示為切削參數(shù)的函數(shù)。首先假設(shè)精硬切削殘余應(yīng)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(dāng)0≤z≤Zimax:σi=Σj=0ncji·Zj---(3)]]>當(dāng)z≥Zimaxσi＝0，④式中σi是沿i方向的殘余應(yīng)力，i＝1時指周向，i＝2時指軸向，cji是多項式j(luò)次冪的系數(shù)，z為深度，Zimax為σi分布的最大深度。
2)進一步假設(shè)多項式系數(shù)cji為切削參數(shù)的獨立函數(shù)，該系數(shù)與切削參數(shù)之間的關(guān)系式如③所示cji＝b0ji+bvjiv+bfjif+bdjid+bdfjidf+bvfjivf+bvdjivd ⑤其中cji為殘余應(yīng)力多項式函數(shù)沿i方向的系數(shù)；bxji為切削參數(shù)或參數(shù)交互作用x的效果系數(shù)。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(xiàn)，D分別為確定殘余應(yīng)力的切削速度、進給量和切削深度；Vmax，F(xiàn)max，Dmax分別為構(gòu)造方程的切削速度、進給量和切削深度的最大值；Vmin，F(xiàn)min，Dmin分別為構(gòu)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(gòu)造Zimax＝a0i+aviv+afif+adid+adfidf+avfivf+avdivd ⑥其中bxji可以通過設(shè)置Vmax，Vmin，F(xiàn)max，F(xiàn)min，Dmax，Dmin正交試驗得到。具體由正交試驗測試的殘余應(yīng)力曲線擬合求得的系數(shù)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)進而得到殘余應(yīng)力多項式系數(shù)cji和殘余應(yīng)力最大深度Zmax，從而確定殘余應(yīng)力分布(σ1＝σxR-σzR；σ2＝σyR-σzR)。
(4)疊加工作應(yīng)力和滾動接觸零件表面的初始殘余應(yīng)力(參閱公式②)，可優(yōu)選出使?jié)L動接觸區(qū)裂紋萌生點處當(dāng)量應(yīng)力值為最小的一組切削參數(shù)子集合，同時也可以挑選出使當(dāng)量值為最大的一組切削參數(shù)子集合。
假設(shè)滾動接觸零件的的基本額定壽命為L10，則由精硬切削產(chǎn)生的最佳額定壽命與最差額定壽命的比值ζ=(L10)best(L10)worst={EqStrworstEqStrbest}10.]]>本發(fā)明結(jié)合滾動接觸零件的具體幾何結(jié)構(gòu)和工作載荷確定最大滾動接觸應(yīng)力的位置和大小，并將該應(yīng)力與精硬干切削所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力相互疊加進行綜合確定其位置和最小值。
將精硬干切削工藝參數(shù)與已加工淬硬零件表面的完整性特征相互聯(lián)系，在能夠?qū)崿F(xiàn)的工藝范圍內(nèi)給出一個較寬的精硬干切削參數(shù)選擇帶；建立該范圍內(nèi)的精硬干切削參數(shù)與淬硬零件實際滾動接觸部位疊加應(yīng)力位置及其大小的關(guān)系，進而以滾動接觸零件的最終使用壽命為優(yōu)化目標，在較寬的范圍內(nèi)優(yōu)選精硬干切削參數(shù)，從而使精硬干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(fā)明使精硬干切削的滾動接觸零件易于失效部位處的殘余應(yīng)力與工作應(yīng)力疊加值為最小，從而實現(xiàn)滾動接觸零件獲得最優(yōu)的滾動接觸疲勞壽命。本發(fā)明以精硬干切削能夠獲得可控的確定性表面完整性為依據(jù)，以淬硬零件的滾動接觸疲勞壽命為最終優(yōu)化目標，通過建立“切削參數(shù)—已加工表面完整性—實際應(yīng)力狀況”的復(fù)雜模型，實現(xiàn)精硬切削參數(shù)的科學(xué)優(yōu)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制化生產(chǎn)方法。
本發(fā)明從根本上克服零件制造工藝參數(shù)、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(jié)的弊病，使精密硬切削的參數(shù)選擇依據(jù)以零件的全壽命周期為優(yōu)化目標，實現(xiàn)全局最優(yōu)，從而建立滾動軸承硬切削參數(shù)及其表面完整性的定量評價體系。


圖1精硬干切削滾動軸承的定制化制造流程圖具體實施方式
結(jié)合附圖以及本發(fā)明技術(shù)的內(nèi)容，提供淬硬滾動軸承定制化生產(chǎn)的實例如圖1所示，淬硬滾動軸承定制化生產(chǎn)過程(1)根據(jù)特定滾動軸承的服役工況條件(承受載荷、摩擦力、載荷性質(zhì)等)確定其工作應(yīng)力范圍，作為初始值輸入；(2)確定精硬干切削參數(shù)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范圍；(3)在可以實現(xiàn)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(shù)集合；(4)確定所有滿足要求的切削工藝參數(shù)集合下，精硬干切削淬硬滾動軸承接觸表面的初始殘余應(yīng)力；(5)將實際工作應(yīng)力與該初始殘余應(yīng)力相互疊加，以易于失效部位的疊加值當(dāng)量應(yīng)力最小為最優(yōu)，從而優(yōu)選最佳的切削工藝參數(shù)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(yīng)用條件赫茲接觸橢圓 0.1的長寬比例系數(shù)k滾動接觸面間 00.1的摩擦系數(shù)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(jù)赫茲接觸理論，可得到三維工作應(yīng)力狀態(tài)σx、σy、σz(分別為滾動接觸區(qū)域周向、徑向和軸向的應(yīng)力值)、τxy、τxz、τyz。
根據(jù)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(shù)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(jù)切削參數(shù)設(shè)計正交試驗表(如表2所示)，擬合殘余應(yīng)力曲線求得rkhi。
表2切削參數(shù)正交試驗表

進而可得到切削參數(shù)或切削參數(shù)交互作用效果系數(shù)bxji如表3所示。
表3切削參數(shù)及其在兩個應(yīng)力方向上的效果/交互效果系數(shù)bxji


得到殘余應(yīng)力多項式系數(shù)cji如表4所示。
表4殘余應(yīng)力模型的多項式系數(shù)cji


最后，可以得到滾動軸承典型載荷條件下，精硬切削時產(chǎn)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(shù)的優(yōu)選結(jié)果及其ζ滾動軸承 最佳硬切削參數(shù)子集合最差硬切削參數(shù)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(tǒng)上僅以零件表面粗糙度為精硬切削參數(shù)為約束條件，能夠?qū)е聺L動接觸零件的基本額定疲勞壽命最大相差約35倍。依據(jù)本發(fā)明提供的優(yōu)選方法體系，可以使?jié)L動接觸零件失效部位的殘余應(yīng)力與工作應(yīng)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(yōu)滾動接觸疲勞壽命的滾動軸承定制化生產(chǎn)方法。
權(quán)利要求
1.一種精硬干切削滾動接觸淬硬零件參數(shù)選擇的方法，其特征在于，直接以淬硬零件的滾動接觸疲勞壽命為優(yōu)化目標，使淬硬零件的滾動接觸易失效部位處的殘余應(yīng)力與工作應(yīng)力疊加值為最小，從而實現(xiàn)精硬切削參數(shù)的選擇，步驟如下(1)首先，根據(jù)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(yīng)力及其沿深度方向的分布σx，σy，σz；(2)根據(jù)工件表面粗糙度要求，確定切削參數(shù)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，F(xiàn)max，F(xiàn)min，Dmax，Dmin；(3)根據(jù)殘余應(yīng)力σxR、σyR、σzR模型，確定滾動接觸零件表面能獲得初始參數(shù)壓應(yīng)力的所有切削參數(shù)子集合v，f，d；(4)疊加工作應(yīng)力和滾動接觸零件表面的初始殘余應(yīng)力，選擇出使?jié)L動接觸區(qū)裂紋萌生點處當(dāng)量應(yīng)力值為最小的一組切削參數(shù)子集合，同時挑選出使最大當(dāng)量值為最大的一組切削參數(shù)子集合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的精硬干切削滾動接觸淬硬零件參數(shù)選擇的方法，其特征是，結(jié)合滾動接觸零件的具體幾何結(jié)構(gòu)和工作載荷確定最大滾動接觸應(yīng)力的位置和大小，并將該應(yīng)力與精硬干切削所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力相互疊加進行綜合確定其位置和最小值。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的精硬干切削滾動接觸淬硬零件參數(shù)選擇的方法，其特征是，將精硬干切削工藝參數(shù)與已加工淬硬零件表面的完整性特征相互聯(lián)系，在能夠?qū)崿F(xiàn)的工藝范圍內(nèi)給出一個較寬的精硬干切削參數(shù)選擇帶；建立該范圍內(nèi)的精硬干切削參數(shù)與淬硬零件實際滾動接觸部位疊加應(yīng)力位置及其大小的關(guān)系，進而以滾動接觸零件的最終使用壽命為優(yōu)化目標，在較寬的范圍內(nèi)優(yōu)選精硬干切削參數(shù)，從而使精硬干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(shù)領(lǐng)域的精硬干切削滾動接觸淬硬零件參數(shù)選擇的方法，首先根據(jù)零件具體幾何結(jié)構(gòu)、服役工況決定其最大滾動接觸應(yīng)力；再根據(jù)淬硬零件表面粗糙度的要求，確定切削參數(shù)的約束條件；由殘余應(yīng)力模型，確定滾動接觸零件獲得初始殘余壓應(yīng)力的所有精硬干切削參數(shù)子集合；將工作應(yīng)力與滾動接觸零件表面的初始殘余應(yīng)力相互疊加，選擇出使實際滾動接觸區(qū)裂紋萌生點處當(dāng)量應(yīng)力值為最小、最大的切削參數(shù)子集合。本發(fā)明以精硬干切削能獲得可控的確定性表面完整性為依據(jù)，以零件的滾動接觸疲勞壽命為最終優(yōu)化目標，綜合疊加應(yīng)力以確定實可獲得的最小接觸應(yīng)力，實現(xiàn)滾動接觸淬硬零件的定制化精硬干切削參數(shù)優(yōu)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(yōu)先權(quán)日2004年11月25日
發(fā)明者張雪萍, 劉中鴻 申請人:上海交通大學(xué)