淬硬轴承的最后精加工通常采用超精磨、研磨、抛光等以磨粒磨削为基础的工艺手段来实现,其共同 的特征是切削部分由形状不规则的磨粒来充当.相对而言,磨粒磨削加工效率较低,缺少几何柔性 ,需要额外的辅助装置,磨削加工消耗大量润滑剂,其处理成本也非常昂贵.由于目前对环境问题 的深切关注,过去广泛应用在工业制造领域的磨削精加工在世界范围内将逐步受到严格限制.用C BN/PCBN和陶瓷刀具进行硬态干切削技术被逐步认为是替代粗车、精车、磨削,甚至是以磨粒磨削为基础的超精磨的精密、高效、低成本的清洁绿色加工主流技术之一<1>.与磨削工艺相比,硬切削作为最后一道精密加工手段的主要竞争优势体现在良好的加工柔性、经济性和环保性<2 > .初步研究表明:将超精硬态切削加工技术应用于轴承制造业,可简化传统轴承生产线3～4个工序,直接节约轴承制造成本的5 0 %左右<3 > .然而,该技术目前并未被轴承制造业界广泛采用,其原因是在不降低轴承使用可靠性基础上,硬切 削技术所涉及的“车床—夹具—刀具—零件”工艺系统中有许多技术难题尚待解决,其中如何优选 超精硬切削参数就是其关键环节之一.本文提出的滚动轴承耦合具体服役工况的硬切削参数优选理 论方法体系,对轴承制造业界真正实现“以车代磨”的意义不言而喻.1 切削参数优化准则选择 合理的切削参数是增强淬硬零件表面完整性的重要途径.切削参数主要包括:切削速度v、进给量f、背吃刀量ap.采用不同的约束条件和目标函数(优化准则),所得的切削参数最优值(组合)并不相同.通常切削工艺的目标函数采用最大材料去除率、最低加 工成本和最小表面粗糙度;约束条件采用刀具磨损量、表面粗糙度、切削速度、刀具振动量、消耗总能量、切削时间、零件的几何精度及形成的切屑等满足一定要求<5,6>.用超精硬切削代替传统磨削工艺本身已将材料去除率提高了数倍,因此,不采用最大材料去除率作 为目标函数;再者,滚动轴承将在滚动接触应力下工作,轴承滚道表面的残余应力值必须与轴承的 安装和使用条件相匹配才可能获得较好的使用性能.因此,本文在满足切削工艺参数选取范围的前 提下,以获得特定服役条件下最长滚动接触疲劳寿命为目标优化函数.它从根本上克服了零件制造 工艺参数的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, 实现精密硬切削零件的全局最优,从而使滚动轴承的定制化生产成为可能.研究表明,滚动轴承的 疲劳寿命由其临界应力状态决定,而临界应力由服役工作应力和零件精加工后的残余应力状态共同 决定.滚动轴承在特定的服役工况下工作应力是确定状态,因此,其硬切削参数的优化目标进而转 化为获得最优的初始残余应力.而残余应力优化又与具体服役接触状态相关.针对特定服役工况, 滚动轴承切削参数的优化准则要满足工件表面精度要求,同时获得最佳残余应力分布状态.由此可 见,临界应力状态是决定残余应力对滚动接触疲劳寿命影响程度的关键.2 滚动接触疲劳失效的 临界应力准则零件的滚动接触疲劳寿命是三维应力交互影响下的复杂过程,目前没有能解释所有现 象的精确理论模型.通常根据试验所得到的数据或观察到的现象,提出解释性的临界应力作为评判滚动接触疲劳失效准则.归纳起来主要有:最大赫兹接触应力σmaxH、最大拉应力σmax、最大剪切应力τmax、接触表面的最大剪切应力τmax S;最大正交剪切应力τmax R;最大动态剪切应力τmax D;最大当量临界应力σmax Cr;等效应力σE 失效准则<7～9> .表1总结了以上临界应力假设与滚动接触试验数据间的贴近程度( a、b分别为接触椭圆区域的短轴和长轴半径;σCr为临界应力;σR 为残余应力) .结果表明,σmax Cr准则与试验数据相关度最高,一致性最好.事实上,σmax Cr比较适合描述金属的疲劳状态.这是因为它是材料开始发生塑性变形的应力状态,如果考虑σR 的影响,理论上的最大临界应力发生时,试验中能够观察到疲劳裂纹萌生现象.表1 滚动接触中的临界应力判断条件Tab.1 Critical stresses in rolling contactσCr失效准则与试验数据的相关度失效起源结构变化b/aσR/MPaσmax H 一般无无无σmax L 一般无无一般τmax 一般一般无一般σmax S 一般无无一般τmax R 一般一般高无τmax D 一般一般高一般σmax Cr 高高高高 基于以上分析,本文选择σmax Cr状态作为判断滚动轴承疲劳失效的依据.初步试验表明:在考虑滚动接触表面的σR 时,滚动轴承的疲劳寿命是σmax Cr的函数.需要指明的是,选用σmax Cr判据滚动轴承是否失效与本文所阐述的切削参数优选理论体系没有直接联系,该临界应力方程仅仅表明了σR 对滚动疲劳寿命的影响程度假设三维应力状态不全为零时,其σE定义为σE =2 -0 .5{(σc-σr) 2 + (σc-σz) 2 +(σr-σz) 2 + 6(τ2cr+τ2cz+τ2rz) }0 .5( 1 )式中:σc为接触椭圆区周向的应力值;σr为接触椭圆区轴向的应力值;σz 为接触椭圆区径向(深度方向)的应力值;τcr为接触椭圆区周向与轴向的剪切应力值;τcz为 接触椭圆区周向与径向的剪切应力值;τrz为接触椭圆区轴向与径向的剪切应力值.假设3个方向的相应的残余应力分别为σxR、σy R和σz R,则σE=2 -0 .5{<(σc +σx R) - (σr +σy R) >2 +<(σc+σx R) - (σz+σz R) >2 + <(σr+σy R) -(σz +σz R) >2 + 6<(τ2cr+τ2cz+τ2rz) >}0 .5( 2 )假定残余应力的大小和分布是切削参数的函数,为方便进一步讨论<10 > ,将式( 2 )转化为σE =2 -0 .5<( - S1+ R1+ S2 - R2 ) 2 +( - S1+ R1) 2 + ( - S2 + R2 ) 2 +6( T212 + T213 + T22 3 ) 2 >( 3)式中:S1=σz-σc=f1( x,y,z)S2 =σz-σr=f2 ( x,y,z)T12 =τcr=f3 ( x,y,z)T13 =τrz=f4( x,y,z)T2 3 =τrz=f5( x,y,z)R1=σc R-σz R =f6( x1,x2 ,x3 ,z)R2 =σr R -σz R=f7( x1,x2 ,x3 ,z)x1=2 ln v - ln vmaxln vmax - ln vmin + 1x2 =2 ln f - ln fmaxln fmax - ln fmin+ 1x3 =2 ln ap - ln ap maxln ap max - ln ap min+ 1vmax、fmax、ap 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;vmin、fmin、ap 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为笛卡儿空间坐标.3 切削参数综合优化模型现在的问题是如何选择最优的{v,f,ap}集合以获得最小当量应力 .将零件表面精度Ra作为硬切削参数选择范围的约束条件,即只有满足表面精度的切削参数集合才在本文研究范围之内.这样,优化目标转化为最大的当量应力取得最小值的那组{x1,x2,x3 }的解,即式( 3)还要同时满足:- 1≤( x1,x2 ,x3 )≤1 ,f8( x1,x2 ,x3 )≤Ra.通常,滚动轴承的滚道和滚子之间为流体弹性动力学接触状态.确定接触区域的工作应力 ,必须考虑接触区域的形状和压力分布,在接触面上可以用移动压力和摩擦力来表示.该压力和摩 擦力是油膜压力的函数,随着温度和剪切力的不同而变化.为简便起见,用赫兹接触应力作为法向 应力,衡量参数为接触椭圆中心点的最大压力值pmax和比例系数k.表面拉应力可以用法向应力乘以摩擦系数来表示.通过Fortran程序可以精确确定f1～f5的大小和方向<9>,确定f6,f7的大小和方向<10 ,11> .在给定条件下,可以检验f8是否合理.由此,通过计算机编程能够获得所有满足条件的切削参数 集合.4 计算机辅助优选切削参数考虑待定服役工况时,滚动轴承超精硬切削参数的体系流程如 图1所示.大致步骤为:1根据特定滚动轴承的服役条件(承受载荷、摩擦力、载荷性质等)确定其工作应力,作为初始值输入;2输入硬切削参数的约束条件,即v、f、ap的合理工作范围;3计算所有满足表面精度要求的合理切削参数子集合;4计算所有合理切削参数子 集合下硬切削滚动轴承接触表面残余应力;5根据滚动轴承接触表面工作应力和残余应力的合理配 合,计算滚动接触区失效点处的当量应力;6以失效点处当量应力为优化目标函数,优选出最好和最差的硬切削参数子集合.图1 滚动轴承硬切削定制化制造流程图 Fig.1 Hardturning processes for rolling bearingscustomization 本文期望寿命提高量与当量应力间的比例关系l如下:l =( L10 ) b/( L10 ) w ={(σE) w) /(σE) b}10 ( 4 ) 以滚动轴承的典型服役条件(接触椭圆短轴与表2 滚动轴承典型服役条件下滚动接触表面硬切削参数优化Tab.2 Optim um cutting param eters for hard turning rolling contact surface of rolling bearing in typical application服役条件Fτ/Nb/mmpmax/GPal(L1 0 ) bv/(m·s- 1 )f/(mm·r- 1 )ap/mmσE/MPa
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