航空轴承内圈滚道磨削残余应力的工艺优化及试验研究

2023-03-01衡红星潘为民程东华时可可侯森

机床与液压 2023年2期

关键词：喷丸套圈钢制

衡红星，潘为民，程东华，时可可，侯森

(1.河南科技大学机电工程学院，河南洛阳 471003；2.河南科技大学,高端轴承摩擦学技术与应用国家地方联合工程实验室，河南洛阳 471003；3.洛阳LYC轴承有限公司，河南洛阳 471000)

0 前言

轴承作为航空装备的关键基础件，其性能、寿命及可靠性是决定整机性能、寿命及可靠性的关键因素。因此，高性能、高寿命的航空轴承是保证航空装备具有高可靠性的关键[1]。

我国航空轴承研制起步较晚，经历了从尺寸精度到材料等方面的多轮攻关。目前我国航空轴承的制造技术水平有了较大发展和提高，但与国外先进水平相比，在部分关键技术上仍存在差距。

SKF、FAG、NSK等国外轴承公司已开始探索耐热钢、高温渗碳钢制轴承零件滚道残余应力，但这些研究成果在公开的文献资料中鲜有提及。国内清华大学、西安交通大学、河南科技大学等院校从不同方面研究了残余应力对轴承疲劳寿命的影响，但也仅限于理论和仿真层面，没有形成实际的残余应力控制方法。同时，疲劳寿命偏低是影响国内高性能滚动轴承市场占有率的一个关键因素[2]。研究发现：在规范安装、维护良好的情况下，轴承疲劳损伤是轴承失效的主要形式，而滚道粗糙度提高到一定水平之后，滚道残余应力是影响疲劳寿命和可靠性的主要因素。

国内外相关学者的研究表明：当轴承滚道存在残余压应力时，能够有效抑制轴承滚道裂纹的产生和恶化；反之，残余拉应力对滚道裂纹的产生起促进作用。因此滚道残余压应力能有效保持轴承使用精度和寿命。

航空轴承寿命是制约航空装备提升的关键问题，提升寿命就需要提高轴承制造技术水平，而轴承滚道残余应力控制方法是我国航空轴承制造必须攻克的关键技术之一。

本文作者针对航空轴承内套圈滚道磨削工艺特点，对套圈滚道磨削残余应力进行了热力耦合仿真，并根据仿真和试验结果对磨削工艺进行了优化，对提高国产航空轴承内套圈滚道磨削残余应力有一定的指导意义。

1 国内外轴承套圈滚道残余应力现状分析

1.1 国外轴承套圈滚道应力现状分析

为了了解国外轴承内套圈滚道的残余应力情况，收集15个型号的国外轴承样品，检测了8Cr4Mo4V钢制轴承套圈6个型号。部分检测数据见表1。

表1 国外轴承套圈的滚道残余应力检测数据

分析表1数据可知：

(1)国外8Cr4Mo4V钢制轴承内套圈滚道残余应力平均值-581.8 MPa，残余应力值变化区间-442.5～-663.29 MPa；

(2)国外8Cr4Mo4V钢制轴承内套圈滚道残余应力测量9个点的值较3个点的值变化区间大，但在可控范围内；

(3)国外8Cr4Mo4V钢制轴承内套圈滚道应力值与套圈的尺寸关联度不大。

1.2 国内轴承套圈滚道残余分析

对国内5个型号8Cr4Mo4V钢制轴承内套圈进行滚道应力检测，结果见表2。

表2 国内轴承样品套圈滚道残余应力测量数据

分析表2数据可知：

(1)国内8Cr4Mo4V钢制轴承内套圈滚道残余残余应力平均值-436.7 MPa，残余应力值变化区间-291.9～-787.3 MPa；

(2)国内8Cr4Mo4V钢制轴承内套圈滚道残余应力值与套圈的尺寸关联度不大。

1.3 国内外轴承套圈滚道残余应力对比分析

通过对样品的分组及数据处理，利用所得的国内外8Cr4Mo4V钢制轴承套圈样本的滚道残余应力值数据进一步进行对比分析，结果见表3。

表3 国内外轴承样品滚道残余应力对比分析结果单位：MPa

结果表明：国内8Cr4Mo4V钢制轴承套圈滚道残余压应力值比国外的低，滚道残余应力比国外的范围跨度大且离散性大。因此，现阶段国内轴承与国外同类轴承差距较大。

根据以上试验数据分析，将国外同类航空轴承套圈滚道残余应力值范围作为研究目标。

2 轴承套圈滚道残余应力的数值计算

2.1 轴承材料分析

8Cr4Mo4V是莱氏体半高速钢，具有良好的综合性能，包括硬度高且均匀、良好的耐磨性和接触疲劳寿命。该钢在室温至260 ℃下压缩屈服强度基本不变,回火硬度高,高温环境下尺寸稳定性好, 时效尺寸变化量小于0.001 mm[3]。该材料制成的轴承在尺寸稳定性和耐磨性方面表现优异，且有较长的接触疲劳寿命，工作可靠性高。但高温加热时，氧化和脱碳的倾向较大，不利于磨削。

8Cr4Mo4V轴承套圈内外的残余应力均为压应力[4]，且总体呈现周期性释放的特征，导致轴承套圈尺寸增大;在120～250 ℃温度范围内，二次碳化物的含量随着温度的升高而增加，但在300 ℃时基本保持不变。在工作温度下试验0～100 h时，影响尺寸变化的主要因素是残余压应力的释放，导致轴承套圈尺寸增大；在100～250 h内，二次碳化物的析出是影响轴承套圈尺寸减小的主要因素；而在250～300 h时，主要影响因素变为残余压应力的释放，导致轴承套圈尺寸增大。因此残余压应力的大小直接影响轴承的尺寸稳定性和可靠性。加工出合适残余压应力的轴承套圈对于提高航空发动机稳定性和可靠性至关重要。

2.2 套圈磨表面残余应力有限元模型

随着有限元技术的不断发展，利用有限元模型分析套圈表面残余应力可以很好地模拟磨削过程。本文作者选用有限元仿真软件ABAQUS。

2.2.1 几何模型及网格划分

选用D4286707KN3W轴承作为建模对象。建模时考虑到轴承套圈边缘圆角对滚道的表面残余应力没有影响和便于网格划分，将模型的边缘简化为直角进行建模，建立了内径φ34.95 mm、外径φ40.542 mm的几何模型。网格总数16 236，选择单元类型为八结点线性六面体C3D8R。磨削采用外圆切入式磨削。砂轮型号MA150L5V60(70%粒度为Al2O3磨料，陶瓷结合剂)，砂轮直径de=510 mm，宽度b=8 mm，磨削参数及材料参数分别见表4、表5。

表4 磨削参数

表5 8Cr4Mo4V材料参数

2.2.2 移动热源

根据赵瑞莎[5]的研究，三角形热源更符合套圈外圆磨削。以精磨为例，本文作者选用金滩的传热模型[6-7]进行计算：

磨削区发热总功率为

P=Ftvs

(1)

磨削区接触弧长为

(2)

接触面积

S=lc×b

(3)

磨削过程产生的总的热流强度为

qt=P/S

(4)

磨削热传导到套圈、砂轮、磨屑和磨削液，即

qt=qw+qs+qch

(5)

传入工件的热量传导因素

(6)

工件材料热特性

(7)

砂轮传入工件的热比率

(8)

变形磨屑厚度

(9)

磨屑传入工件的热比率

(10)

传入工件的热比率

(11)

利用三角形热源模型分析，磨削温度场计算见式(12)：

(12)

式中：κ、κg、vs、γ分别为导热系数、磨粒材料的导热系数、砂轮工作表面线速度、磨屑成屑区剪切应变。

在有限元软件ABAQUS中可以编写以下程序DFLUX，在热源模块将其导入。部分子程序内容如下：

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

磨削力是磨削过程中产生的砂轮与工件之间切削作用和摩擦力的总和。一般将磨削力分解成互相垂直的3个分力来研究[8]。磨削力3个分力如图1所示。即:

F=Fn+Ft+Fa

式中:Fn为法向磨削力；Ft为切向磨削力；Fa为轴向磨削力。

图1 磨削力分解示意

法向磨削力和切向磨削力对套圈的弹性变形、振动﹑磨削余量、加工精度及磨削功率的大小有直接影响。对于轴向磨削力,虽然从一个磨粒的角度来看,这个分力很大,但由于各磨粒具有随机分布的正负倾角，而使其各分力相互抵消，因此总磨削分力不大，与前2个力相比是很小的，故轴向分力Fa忽略不计。

根据贺长生等[9]的研究结论：

式中：R为砂轮半径；g为一个磨粒磨削的深度;γ为磨粒的圆锥半顶角;ap为砂轮磨削深度;ω为有效磨粒间隔;vw为工件圆周速度;vs为砂轮圆周速度;vf为纵向进给速度；r为工件半径;R为砂轮半径;ε为影响系数，约为0.2～0.5。

磨削力的加载通过集中力的形式，建立参考坐标系，分别在径向和轴向加载分力，加载效果如图2所示。

图2 磨削力加载模型

2.2.4 磨削残余应力

滚道磨削残余应力分布如图3所示。有限元仿真的滚道残余应力值为-602.1 MPa，与实测值的平均值-579.1 MPa相比误差在4%。可知有限元模型的误差值较小，可以利用该有限元模型进行轴承内套圈残余应力分析。

图3 有限元仿真滚道残余应力分布

3 磨削参数优化及试验验证

3.1 影响内套圈残余应力关键工序确定

对各个加工过程的轴承零件进行表面应力检测，根据各个工序对表面应力的影响程度确定对表面应力产生影响的关键工序。共完成了14个型号轴承套圈的100组试验检测，包含深沟球轴承、圆柱滚子轴承、圆锥滚子轴承、三点接触球轴承四大类型，各工序应力状况统计见图4。分析图4可知：套圈磨削加工后的滚道均为压应力，初磨工序、细磨工序的滚道残余应力无明显的提升和变化；终磨工序较前工序应力值有大幅度增长，经与目标值对比可知，终磨工序后的滚道残余应力值已满足研究指标要求；但随着精研工序的进行，滚道残余应力值呈下降趋势，平均应力下降260 MPa，即使采用超精磨工序，滚道残余应力仍无改善，明显低于目标值。因此识别出影响滚道残余应力的关键工序为终磨工序、精研工序、超精磨工序。

图4 套圈应力分布

3.2 影响内套圈磨削残余应力关键因素确定

采用控制变量法对不同工艺参数加工的轴承内套圈进行试验，通过对表面应力进行检测与分析，总结影响内套圈滚道残余应力的关键因素。

(1)进给速度

选取D207KN3WU初磨工序和C276209KN3WU终磨工序进行进给速度工艺试验，试验数据见表6。

表6 进给速度工艺试验检测数据

由表6可以看出：不同的进给速度，套圈表面残余应力也是不同的，在一定范围内表面应力会随着进给速度的变大而变大，但是进给速度过大，应力值反而降低，所以进给速度存在一个临界值，并不是越大越好，因此将进给速度作为项目的一个关键因素进行研究。

(2)磨具特性

在轴承套圈滚道加工中，有一些型号的轴承为了提高表面微观质量常用精研工艺。精研工艺和精磨工艺主要的区别在于使用的砂轮粒度不同，粒度越大对提高工件表面质量作用越明显。

由表7和表8可以看出：终磨工序之后采取精研(棕刚玉砂轮)会导致滚道残余压应力值大幅度降低，但是终磨之后采取精磨(220粒度白刚玉砂轮)滚道残余压应力值降低幅度较小。

表7 精研产品检测数据单位：MPa

表8 精磨产品检测数据单位：MPa

根据实际加工情况分析，如果采用220粒度砂轮替代石墨砂轮，在获得较好的表面微观质量的基础上，可避免滚道残余压应力值的大幅度降低。这与砂轮的磨料特性具有正相关性：棕刚玉磨料具有一定的硬度和韧性，具有较强的磨削能力，能承受很大的压力[10]；白刚玉的质地比棕刚玉更纯净，硬度略高于棕刚玉，韧性比棕刚玉低，在磨削过程中磨粒不易磨钝，即使磨钝后也容易破裂而形成新的锋利刃口，因此，白刚玉的切削性能良好。而且，磨削过程中发热量小，且磨削力小[11]。综上所述，磨具特性也是影响套圈滚道残余应力的一个关键因素。

(3)超精磨油石压力

相关研究表明，油石压力对超精磨工序套圈滚道残余压应力值有重要影响[12]。为此作者选定型号D206KN3WU，采用控制变量法改变油石压力进行工艺试验。

从表9可以看出：按照原工艺进行超精磨加工，滚道残余压应力值整体都是下降的趋势，而对D206KN3WU轴承改变超精磨油石压力之后，滚道残余压应力值都有不同程度的变化，可见超精磨油石压力对滚道残余应力有一定影响，为此将超精磨油石压力作为一个关键因素。但是从表9也可以看出：加工过程中油石压力并不是越大越好，而是存在一个临界值。因为油石压力过大，会造成加工表面粗糙度升高，也可能产生大量磨削热，影响加工表面质量。所以找到适当的油石压力，是超精磨工序获得较大压应力值的关键。