基于演变成形原理的滚子轴承超精研修形凸度分析方法

摘要

本发明涉及一种基于演变成形原理的滚子轴承超精研修形凸度分析方法，属于滚动轴承制造工艺技术领域和数值模拟技术领域。本发明通过将凸度的形成过程看作是工件初始表面形状伴随微研磨量累积而逐渐演变的过程，将超精研凸度修形工艺中工件表面材料的研磨过程和相对应的油石磨损过程都分解成一系列微过程，对全部微过程中工件微研磨量和油石微磨损量的大小及分布进行计算并累积，使得关于工件表面凸度成形规律的分析可以考虑油石磨损的影响，并实现定量化和计算机程序化，提高了人们对凸度成形规律进行分析的准确程度。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于演变成形原理的滚子轴承超精研修形凸度分析方法，属于滚动轴承制造工艺技术领域和数值模拟技术领域。

背景技术

在机械传动线接触副中，若零件接触表面的母线形状为直线，则受载后在接触线两端的边缘就产生严重的应力集中，这就是所谓的“边缘效应”。为减小或消除边缘应力集中，将零件的直母线修整为某种凸曲线，就是所谓的“凸度修形”。在相对运动速度较高的有润滑的线接触副中，凸度修形还对弹流润滑油膜有影响。良好的凸度修形，可以使接触应力以及弹流润滑油膜压力沿接触线分布更均匀，有效提高接触副的工作性能和疲劳寿命。由于接触应力和弹流润滑油膜压力都对接触面的几何变化十分敏感，凸度修形技术有两个特点：一是凸度量是以微米计量的小量，凸度修形属于精密细微加工，技术难度比较大；二是凸度修形误差对接触应力分布的均匀性影响比较大，提高凸度修形精度具有重要意义。

滚子轴承是重要的机械基础件，其性能和寿命对主机工作性能和维护成本影响很大。滚子轴承的滚子与内外滚道构成典型的线接触副，为保证轴承的性能和寿命，精密滚子轴承制造中广泛使用超精研凸度修形技术。

超精研凸度修形技术是采用超精研工艺的凸度修形技术，其凸度成形机理和规律十分复杂。超精研工艺传统上属于光整加工的范畴，主要用于提高表面质量。超精研用于修形加工时，受油石磨损特性和加工方式的影响，其凸度成形机理和规律十分复杂。常用油石自身的磨损率与常用轴承材料轴承钢的磨除率大致相当，因此，作为固结工具，油石自身的快速磨损会对滚子凸度的形成产生不可忽略的影响。以轴承中的圆柱滚子为例，其超精研凸度修形工艺的加工方式如图1所示，多块油石按规定压力弹性地压在一排滚子上方进行高频小幅直线振荡，滚子在一对辊形经过专门设计的旋转导辊的引导和驱动下，沿着设计的纵向贯穿进给轨迹，以规定的姿态与各工位油石接触，一边旋转一边从各油石下方依次通过，在大约5～20秒时间内，完成修形加工。由于油石弹性地压在滚子表面，横向可以自动补进或退让（恒压进给），油石磨损特性、油石压力、滚子材料磨除特性、贯穿进给运动特性和切削用量等许多因素，都会通过影响滚子表面不同位置的材料研磨量而影响凸度。目前的超精研修形凸度分析方法都是解析法，没有考虑也无法考虑油石快速磨损过程对凸度形成过程的影响。由于问题本身的复杂性以及现有研究的局限性，超精研修形工艺的凸度成形规律尚未充分揭示，影响了凸度修形精度及其一致性的提高。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于演变成形原理的滚子轴承超精研修形凸度分析方法，以便进一步揭示超精研修形工艺的凸度成形规律，为滚子轴承超精研修形凸度加工精度及其一致性的提高提供指导作用。

本发明为解决上述技术问题而提供一种基于演变成形原理的超精研修形凸度分析方法，该分析方法的步骤如下：

1）.利用现有超精研装备和仪器进行实验和测试，针对所用的工件材料和油石型号，建立表示油石-工件接触状态参数对工件表面材料磨除率影响规律的工件磨损函数，以及表示油石-工件接触状态参数对油石磨损率影响规律的油石磨损函数；

2）.将超精研凸度修形工艺过程中任一工件所经历的表面材料研磨过程按时间分解成由多个微过程构成的序列；

3）.从第一个微过程开始，分析油石-工件接触状态，利用建立的工件和油石的磨损函数，计算工件微研磨量和油石微磨损量的大小和分布，并据此对工件表面和油石工作面的初始几何形状进行修改，得到第一个微过程结束时工件表面和油石工作面的形状；

4）.根据第一个微过程结束时的工件表面和油石工作面几何形状，分析油石-工件接触状态，利用建立的工件和油石的磨损函数，计算第二个工件微研磨量以及油石微磨损量的大小和分布，并将其累积到第一个微过程的工件微研磨量以及油石微磨损量之上，再根据累积的工件微研磨量和油石微磨损量及其分布修改工件表面和油石工作面的初始几何形状，得到第二个微过程结束时的形状；

5）.依次对全部微过程进行步骤4）所述的计算和处理，最后得到的修改的工件表面形状就是工件的最终凸度形状。

所述的油石-工件接触状态在不同微过程中可以变化，而在同一微过程中可以看作不变。

所述的步骤2）中微过程序列的分解方式具有灵活性，微过程的数量以及微过程对应的微时间段是否等长均可灵活调整，以满足不同工况和不同分析精度的要求。

所述工艺过程中每个工件的研磨总时间一般不超过30秒，微过程的数量可根据分析精度调整。

所述的分析方法是一种数值模拟的方法，上述的步骤2）到5）是通过编制和运行计算机程序进行数值计算的。

所述的分析方法通过数值计算可以定量分析油石磨损过程对凸度成形过程的影响。

本发明的有益效果是: 本发明通过将凸度的形成过程看作是工件初始表面形状伴随微研磨量累积而逐渐演变的过程，将超精研凸度修形工艺中工件表面材料的研磨过程和相对应的油石磨损过程都分解成一系列微过程，对全部微过程中工件微研磨量和油石微磨损量的大小及分布进行计算并累积，使得关于工件表面凸度成形规律的分析可以考虑油石磨损的影响，并实现定量化和计算机程序化，提高了人们对凸度成形规律进行分析的准确程度。

附图说明

图1是圆柱滚子凸度超精研修形加工过程示意图。

具体实施方式

本发明所述的分析方法基于本发明提出的微量累积演变成形原理。在超精研凸度修形过程中，油石对工件表面材料的研磨去除能力是随着油石-工件接触状态的变化而变化的，利用本发明提出的微量累积演变成形原理，油石-工件接触状态在不同微过程中可以变化，而在同一微过程中可以看作不变，有利于准确计算工件表面材料总研磨量及其分布，而且可以通过灵活调整微过程时间序列的数量和密度，提高计算的准确程度，使得对凸度成形规律的分析更加有效，本发明的基于演变成形原理的滚子轴承超精研修形凸度分析方法其具体步骤如下：

1.利用现有超精研装备和仪器进行实验和测试，针对所用的工件材料和油石型号，建立表示表示油石-工件接触状态参数对工件表面材料磨除率影响规律的工件磨损函数，以及表示油石-工件接触状态参数对油石磨损率影响规律的油石磨损函数；

2.将超精研凸度修形工艺过程中任一工件所经历的表面材料研磨时间历程分解成由微时间段构成的序列，与此时间序列对应，将任一工件与油石的相互作用过程分解成一个微过程序列，该工艺过程中每个工件的研磨总时间一般不超过30秒，可以分解成一组微时间段序列，每个微时间段内的研磨过程称为微过程，微过程的数量可根据分析精度调整，但总数量是有限的；

3.从第一个微过程开始，分析油石-工件接触状态，利用建立的工件和油石的磨损函数，计算工件微研磨量和油石微磨损量的大小和分布，并据此对工件表面和油石工作面的初始几何形状进行修改，得到第一个微过程结束时的形状；

4.根据第一个微过程结束时的工件表面和油石工作面几何形状，分析油石-工件接触状态，利用建立的工件和油石的磨损函数，计算第二个工件微研磨量以及油石微磨损量的大小和分布，并将其累积到第一个微过程的工件微研磨量以及油石微磨损量之上，再根据累积的工件微研磨量和油石微磨损量及其分布修改工件表面和油石工作面的初始几何形状，得到第二个微过程结束时的形状，对于每一个微过程，油石及工件的几何形状和尺寸参数及相互位置关系是确定的；另一方面，影响工件材料研磨率和油石磨损率的其他工艺因素也都是确定的，因此可以对油石-工件接触状态进行分析，并根据磨损函数和该微过程对应的微时间段长度计算油石-工件各接触点的位置和相应的工件研磨量及油石磨损量；

5.依次对全部微过程进行步骤4）所述的计算和处理，最后得到的修改的工件表面形状就是工件的最终凸度形状。

通过调整计算机程序的输入参数，可以实现不同工况下超精研凸度修形过程的数值模拟分析。

本发明所述的分析方法适用于圆柱滚子、圆锥滚子、轴承内套圈滚道和轴承外套圈滚道的超精研凸度修形，也适用于其他类似零件的超精研凸度修形。本发明所述的分析方法有利于进一步揭示超精研修形工艺的凸度成形规律，改进现有超精研凸度修形工艺，促进凸度修形精度及其一致性的提高。