残余应力对预应力淬硬磨削零件表面接触性能影响研究

摘要

滚动接触疲劳破坏是疲劳破坏的主要形式之一，在工业应用中，有很多工件如滚动轴承、滚珠丝杠、齿轮、铁轨、轧辊等的失效是由滚动接触疲劳引起的。滚动接触疲劳导致的零部件表面破坏，如滚动轴承和齿轮的点蚀、剥落等使得机械设备不能正常运转甚至产生严重的生产事故。 机械零部件在生产过程中，不同的加工工艺会在零部件的表面产生不同的表面完整性指标，如硬度、残余应力、表面粗糙度等，众多的文献表明残余应力对零部件的接触性能的影响较大，为此本文应用多轴疲劳损伤准则以及裂尖应力强度因子分别研究残余应力对滚动接触疲劳裂纹萌生寿命和滚动接触疲劳裂纹扩展寿命的影响。预应力淬硬磨削(PSHG)复合加工新工艺方法既能在工件表面产生强化层，又能同时控制工件表层的残余应力，本文针对PSHG新技术加工的零件表面的滚动接触疲劳性能开展深入研究，具体开展的研究工作如下: (1)本文首先介绍了课题的研究背景与意义、接触疲劳分析研究现状、PSHG复合加工新工艺的优势，为研究残余应力对PSHG零件表面滚动接触疲劳性能影响提供了试验及理论基础。 (2)设计滚动接触疲劳试验方案，获得以残余应力为主要变量的多个PSHG试验试件。在滚动接触疲劳试验机上进行滚动接触疲劳试验，并对滚动后的试验试件表面进行扫描电镜测试与分析，根据疲劳损伤情况，分析残余应力对PSHG零件表面滚动接触疲劳性能的影响规律。 (3)基于滚动接触疲劳裂纹萌生理论，建立滚动接触疲劳裂纹萌生分析的有限元模型，以残余应力为控制变量对有限元模型进行仿真计算，得到滚动接触时各试件内部的应力应变数据，通过对应力应变数据进行计算得到滚动接触疲劳裂纹萌生寿命的理论结果，分析残余应力对PSHG零件表面滚动接触疲劳裂纹萌生寿命的影响。 (4)结合有限元仿真与理论分析，获得裂纹萌生后裂纹尖端处的应力强度因子，并按照理论计算裂纹扩展速率，对裂纹扩展进行模拟，最后利用模拟结果分析残余应力对PSHG零件表面滚动接触疲劳裂纹扩展寿命的影响。 (5)在试验研究与理论研究的基础上，分析残余应力对裂纹萌生与扩展的影响，深入研究残余应力对PSHG零件表面滚动接触疲劳性能的影响。 研究表明，PSHG工艺可以有效控制零件表面的残余应力，改善零件表面滚动接触疲劳性能;试件在经历少数次的滚动接触循环应力后，试件内部的残余应力重新分布，并最终趋于稳定的残余压应力;初始残余压应力与初始残余拉应力相比，能够增加最终的稳定残余压应力的数值大小;初始残余压应力不仅不能够提高试件的裂纹萌生寿命，与初始残余拉应力相比反而降低了试件的裂纹萌生寿命;稳定后的残余压应力数值越大，越有利于削弱裂纹扩展速率。

目录

声明

摘要

1．1课题研究背景

1．2滚动接触疲劳研究现状

1．2．1滚动接触疲劳试验国内外研究现状

1．2．2滚动接触疲劳理论模型国内外研究现状

1．3残余应力对疲劳性能影响的研究现状

1．4 PSHG复合加工新工艺

1．5论文主要研究工作

1．6本章小结

第2章PSHG零件滚动接触疲劳试验

2．1试验方案设计

2．1．1试验流程

2．1．2试验设备

2．1．3摩擦磨损试验机的改进及滚动接触疲劳试验

2．1．4滚动接触疲劳损伤的处理方法

2．2试验过程

2．2．1 PSHG试件制备

2．2．2残余应力及硬度测量与试件选取

2．2．3滚动接触疲劳试验件制作

2．2．4滚动接触疲劳试验及测量

2．3结果分析

2．4本章小结

第3章滚动接触疲劳裂纹萌生寿命分析

3．1滚动接触疲劳裂纹萌生寿命预测理论

3．2裂纹萌生有限元模型建立

3．2．1几何模型

3．2．2材料本构模型

3．2．3接触对创建

3．2．4初始残余应力及载荷施加

3．3裂纹萌生寿命分析

3．3．1有限元仿真结果

3．3．2应力应变数据提取及图形绘制

3．3．3裂纹萌生深度及方位

3．3．4裂纹萌生寿命确定

3．3．5结果分析

3．4本章小结

第4章滚动接触疲劳裂纹扩展寿命分析

4．1滚动接触疲劳裂纹扩展寿命预测理论

4．2裂纹扩展有限元模型建立

4．2．1几何模型

4．2．2裂纹接触对创建

4．2．3残余应力及载荷施加

4．3裂纹扩展寿命分析

4．3．1裂纹扩展寿命分析流程图

4．3．2查看应力强度因子

4．3．3裂纹扩展长度及疲劳循环次数计算

4．3．4结果分析

4．4本章小结

第5章残余应力对萌生与扩展寿命影响

5．1裂纹萌生寿命与扩展寿命对比分析

5．1．1稳定残余应力

5．1．2稳定残余应力对萌生与扩展寿命影响比较

5．2理论与试验结果对比分析

5．3本章小结

6．1结论

6．2展望

参考文献

致谢

附录