航空軸承內圈滾道磨削殘余應力的工藝優化及試驗研究

2023-03-01 07:18:32衡紅星潘為民程東華時可可侯森

機床與液壓 2023年2期

關鍵詞：有限元工藝

衡紅星，潘為民，程東華，時可可，侯森

(1.河南科技大學機電工程學院，河南洛陽 471003；2.河南科技大學,高端軸承摩擦學技術與應用國家地方聯合工程實驗室，河南洛陽 471003；3.洛陽LYC軸承有限公司，河南洛陽 471000)

0 前言

軸承作為航空裝備的關鍵基礎件，其性能、壽命及可靠性是決定整機性能、壽命及可靠性的關鍵因素。因此，高性能、高壽命的航空軸承是保證航空裝備具有高可靠性的關鍵[1]。

我國航空軸承研制起步較晚，經歷了從尺寸精度到材料等方面的多輪攻關。目前我國航空軸承的制造技術水平有了較大發展和提高，但與國外先進水平相比，在部分關鍵技術上仍存在差距。

SKF、FAG、NSK等國外軸承公司已開始探索耐熱鋼、高溫滲碳鋼制軸承零件滾道殘余應力，但這些研究成果在公開的文獻資料中鮮有提及。國內清華大學、西安交通大學、河南科技大學等院校從不同方面研究了殘余應力對軸承疲勞壽命的影響，但也僅限于理論和仿真層面，沒有形成實際的殘余應力控制方法。同時，疲勞壽命偏低是影響國內高性能滾動軸承市場占有率的一個關鍵因素[2]。研究發現：在規范安裝、維護良好的情況下，軸承疲勞損傷是軸承失效的主要形式，而滾道粗糙度提高到一定水平之后，滾道殘余應力是影響疲勞壽命和可靠性的主要因素。

國內外相關學者的研究表明：當軸承滾道存在殘余壓應力時，能夠有效抑制軸承滾道裂紋的產生和惡化；反之，殘余拉應力對滾道裂紋的產生起促進作用。因此滾道殘余壓應力能有效保持軸承使用精度和壽命。

航空軸承壽命是制約航空裝備提升的關鍵問題，提升壽命就需要提高軸承制造技術水平，而軸承滾道殘余應力控制方法是我國航空軸承制造必須攻克的關鍵技術之一。

本文作者針對航空軸承內套圈滾道磨削工藝特點，對套圈滾道磨削殘余應力進行了熱力耦合仿真，并根據仿真和試驗結果對磨削工藝進行了優化，對提高國產航空軸承內套圈滾道磨削殘余應力有一定的指導意義。

1 國內外軸承套圈滾道殘余應力現狀分析

1.1 國外軸承套圈滾道應力現狀分析

為了了解國外軸承內套圈滾道的殘余應力情況，收集15個型號的國外軸承樣品，檢測了8Cr4Mo4V鋼制軸承套圈6個型號。部分檢測數據見表1。

表1 國外軸承套圈的滾道殘余應力檢測數據

分析表1數據可知：

(1)國外8Cr4Mo4V鋼制軸承內套圈滾道殘余應力平均值-581.8 MPa，殘余應力值變化區間-442.5～-663.29 MPa；

(2)國外8Cr4Mo4V鋼制軸承內套圈滾道殘余應力測量9個點的值較3個點的值變化區間大，但在可控范圍內；

(3)國外8Cr4Mo4V鋼制軸承內套圈滾道應力值與套圈的尺寸關聯度不大。

1.2 國內軸承套圈滾道殘余分析

對國內5個型號8Cr4Mo4V鋼制軸承內套圈進行滾道應力檢測，結果見表2。

表2 國內軸承樣品套圈滾道殘余應力測量數據

分析表2數據可知：

(1)國內8Cr4Mo4V鋼制軸承內套圈滾道殘余殘余應力平均值-436.7 MPa，殘余應力值變化區間-291.9～-787.3 MPa；

(2)國內8Cr4Mo4V鋼制軸承內套圈滾道殘余應力值與套圈的尺寸關聯度不大。

1.3 國內外軸承套圈滾道殘余應力對比分析

通過對樣品的分組及數據處理，利用所得的國內外8Cr4Mo4V鋼制軸承套圈樣本的滾道殘余應力值數據進一步進行對比分析，結果見表3。

表3 國內外軸承樣品滾道殘余應力對比分析結果單位：MPa

結果表明：國內8Cr4Mo4V鋼制軸承套圈滾道殘余壓應力值比國外的低，滾道殘余應力比國外的范圍跨度大且離散性大。因此，現階段國內軸承與國外同類軸承差距較大。

根據以上試驗數據分析，將國外同類航空軸承套圈滾道殘余應力值范圍作為研究目標。

2 軸承套圈滾道殘余應力的數值計算

2.1 軸承材料分析

8Cr4Mo4V是萊氏體半高速鋼，具有良好的綜合性能，包括硬度高且均勻、良好的耐磨性和接觸疲勞壽命。該鋼在室溫至260 ℃下壓縮屈服強度基本不變,回火硬度高,高溫環境下尺寸穩定性好, 時效尺寸變化量小于0.001 mm[3]。該材料制成的軸承在尺寸穩定性和耐磨性方面表現優異，且有較長的接觸疲勞壽命，工作可靠性高。但高溫加熱時，氧化和脫碳的傾向較大，不利于磨削。

8Cr4Mo4V軸承套圈內外的殘余應力均為壓應力[4]，且總體呈現周期性釋放的特征，導致軸承套圈尺寸增大;在120～250 ℃溫度范圍內，二次碳化物的含量隨著溫度的升高而增加，但在300 ℃時基本保持不變。在工作溫度下試驗0～100 h時，影響尺寸變化的主要因素是殘余壓應力的釋放，導致軸承套圈尺寸增大；在100～250 h內，二次碳化物的析出是影響軸承套圈尺寸減小的主要因素；而在250～300 h時，主要影響因素變為殘余壓應力的釋放，導致軸承套圈尺寸增大。因此殘余壓應力的大小直接影響軸承的尺寸穩定性和可靠性。加工出合適殘余壓應力的軸承套圈對于提高航空發動機穩定性和可靠性至關重要。

2.2 套圈磨表面殘余應力有限元模型

隨著有限元技術的不斷發展，利用有限元模型分析套圈表面殘余應力可以很好地模擬磨削過程。本文作者選用有限元仿真軟件ABAQUS。

2.2.1 幾何模型及網格劃分

選用D4286707KN3W軸承作為建模對象。建模時考慮到軸承套圈邊緣圓角對滾道的表面殘余應力沒有影響和便于網格劃分，將模型的邊緣簡化為直角進行建模，建立了內徑φ34.95 mm、外徑φ40.542 mm的幾何模型。網格總數16 236，選擇單元類型為八結點線性六面體C3D8R。磨削采用外圓切入式磨削。砂輪型號MA150L5V60(70%粒度為Al2O3磨料，陶瓷結合劑)，砂輪直徑de=510 mm，寬度b=8 mm，磨削參數及材料參數分別見表4、表5。

表4 磨削參數

表5 8Cr4Mo4V材料參數

2.2.2 移動熱源

根據趙瑞莎[5]的研究，三角形熱源更符合套圈外圓磨削。以精磨為例，本文作者選用金灘的傳熱模型[6-7]進行計算：

磨削區發熱總功率為

P=Ftvs

(1)

磨削區接觸弧長為

(2)

接觸面積

S=lc×b

(3)

磨削過程產生的總的熱流強度為

qt=P/S

(4)

磨削熱傳導到套圈、砂輪、磨屑和磨削液，即

qt=qw+qs+qch

(5)

傳入工件的熱量傳導因素

(6)

工件材料熱特性

(7)

砂輪傳入工件的熱比率

(8)

變形磨屑厚度

(9)

磨屑傳入工件的熱比率

(10)

傳入工件的熱比率

(11)

利用三角形熱源模型分析，磨削溫度場計算見式(12)：

(12)

式中：κ、κg、vs、γ分別為導熱系數、磨粒材料的導熱系數、砂輪工作表面線速度、磨屑成屑區剪切應變。

在有限元軟件ABAQUS中可以編寫以下程序DFLUX，在熱源模塊將其導入。部分子程序內容如下：

DFLUX(FLUX,SOL,JSTEP,JINC,TIME,NOEL,NPT,COORDS,JLTYP,

1 TEMP,PRESS,SNAME)

INCLUDE ′ABA_PARAM.INC′

DIMENSION COORDS(3),FLUX(2),TIME(2)

HARACTER*80 SNAME

q=100000

C thi=5/360*2*3.14159

d=0.18*TIME(2)

R=20.271

x=COORDS(1)

y=COORDS(2)

z=COORDS(3)

x0=0

y0=R*cos(d)

z0=R*sin(d)

a=2

b=0.7

c=2

PI=3.1415

heat=6*sqrt(3.0)*q/(a*b*c*PI*sqrt(PI))

sh=exp(-3*(x-x0)**2/a**2-3*(y-y0)**2/b**2-3*(z-z0)**2/c**2)

C JLTYP=1

if(TIME(2).le.170)then

C if(z.lt.0.005.and.z.ge.0.001)then

C if(z=0.001)then

FLUX(1)=heat*sh

else

FLUX(1)=0

endif

2.2.3 磨削力模型

磨削力是磨削過程中產生的砂輪與工件之間切削作用和摩擦力的總和。一般將磨削力分解成互相垂直的3個分力來研究[8]。磨削力3個分力如圖1所示。即:

F=Fn+Ft+Fa

式中:Fn為法向磨削力；Ft為切向磨削力；Fa為軸向磨削力。

圖1 磨削力分解示意

法向磨削力和切向磨削力對套圈的彈性變形、振動﹑磨削余量、加工精度及磨削功率的大小有直接影響。對于軸向磨削力,雖然從一個磨粒的角度來看,這個分力很大,但由于各磨粒具有隨機分布的正負傾角，而使其各分力相互抵消，因此總磨削分力不大，與前2個力相比是很小的，故軸向分力Fa忽略不計。

根據賀長生等[9]的研究結論：

式中：R為砂輪半徑；g為一個磨粒磨削的深度;γ為磨粒的圓錐半頂角;ap為砂輪磨削深度;ω為有效磨粒間隔;vw為工件圓周速度;vs為砂輪圓周速度;vf為縱向進給速度；r為工件半徑;R為砂輪半徑;ε為影響系數，約為0.2～0.5。

磨削力的加載通過集中力的形式，建立參考坐標系，分別在徑向和軸向加載分力，加載效果如圖2所示。

圖2 磨削力加載模型

2.2.4 磨削殘余應力

滾道磨削殘余應力分布如圖3所示。有限元仿真的滾道殘余應力值為-602.1 MPa，與實測值的平均值-579.1 MPa相比誤差在4%。可知有限元模型的誤差值較小，可以利用該有限元模型進行軸承內套圈殘余應力分析。

圖3 有限元仿真滾道殘余應力分布

3 磨削參數優化及試驗驗證

3.1 影響內套圈殘余應力關鍵工序確定

對各個加工過程的軸承零件進行表面應力檢測，根據各個工序對表面應力的影響程度確定對表面應力產生影響的關鍵工序。共完成了14個型號軸承套圈的100組試驗檢測，包含深溝球軸承、圓柱滾子軸承、圓錐滾子軸承、三點接觸球軸承四大類型，各工序應力狀況統計見圖4。分析圖4可知：套圈磨削加工后的滾道均為壓應力，初磨工序、細磨工序的滾道殘余應力無明顯的提升和變化；終磨工序較前工序應力值有大幅度增長，經與目標值對比可知，終磨工序后的滾道殘余應力值已滿足研究指標要求；但隨著精研工序的進行，滾道殘余應力值呈下降趨勢，平均應力下降260 MPa，即使采用超精磨工序，滾道殘余應力仍無改善，明顯低于目標值。因此識別出影響滾道殘余應力的關鍵工序為終磨工序、精研工序、超精磨工序。

圖4 套圈應力分布

3.2 影響內套圈磨削殘余應力關鍵因素確定

采用控制變量法對不同工藝參數加工的軸承內套圈進行試驗，通過對表面應力進行檢測與分析，總結影響內套圈滾道殘余應力的關鍵因素。

(1)進給速度

選取D207KN3WU初磨工序和C276209KN3WU終磨工序進行進給速度工藝試驗，試驗數據見表6。

表6 進給速度工藝試驗檢測數據

由表6可以看出：不同的進給速度，套圈表面殘余應力也是不同的，在一定范圍內表面應力會隨著進給速度的變大而變大，但是進給速度過大，應力值反而降低，所以進給速度存在一個臨界值，并不是越大越好，因此將進給速度作為項目的一個關鍵因素進行研究。

(2)磨具特性

在軸承套圈滾道加工中，有一些型號的軸承為了提高表面微觀質量常用精研工藝。精研工藝和精磨工藝主要的區別在于使用的砂輪粒度不同，粒度越大對提高工件表面質量作用越明顯。

由表7和表8可以看出：終磨工序之后采取精研(棕剛玉砂輪)會導致滾道殘余壓應力值大幅度降低，但是終磨之后采取精磨(220粒度白剛玉砂輪)滾道殘余壓應力值降低幅度較小。

表7 精研產品檢測數據單位：MPa

表8 精磨產品檢測數據單位：MPa

根據實際加工情況分析，如果采用220粒度砂輪替代石墨砂輪，在獲得較好的表面微觀質量的基礎上，可避免滾道殘余壓應力值的大幅度降低。這與砂輪的磨料特性具有正相關性：棕剛玉磨料具有一定的硬度和韌性，具有較強的磨削能力，能承受很大的壓力[10]；白剛玉的質地比棕剛玉更純凈，硬度略高于棕剛玉，韌性比棕剛玉低，在磨削過程中磨粒不易磨鈍，即使磨鈍后也容易破裂而形成新的鋒利刃口，因此，白剛玉的切削性能良好。而且，磨削過程中發熱量小，且磨削力小[11]。綜上所述，磨具特性也是影響套圈滾道殘余應力的一個關鍵因素。

(3)超精磨油石壓力

相關研究表明，油石壓力對超精磨工序套圈滾道殘余壓應力值有重要影響[12]。為此作者選定型號D206KN3WU，采用控制變量法改變油石壓力進行工藝試驗。

從表9可以看出：按照原工藝進行超精磨加工，滾道殘余壓應力值整體都是下降的趨勢，而對D206KN3WU軸承改變超精磨油石壓力之后，滾道殘余壓應力值都有不同程度的變化，可見超精磨油石壓力對滾道殘余應力有一定影響，為此將超精磨油石壓力作為一個關鍵因素。但是從表9也可以看出：加工過程中油石壓力并不是越大越好，而是存在一個臨界值。因為油石壓力過大，會造成加工表面粗糙度升高，也可能產生大量磨削熱，影響加工表面質量。所以找到適當的油石壓力，是超精磨工序獲得較大壓應力值的關鍵。