轴承强化研磨加工有限元仿真分析及设备研制

论文摘要

轴承是用来支承轴的重要部件,在机械工业中运用十分广泛,被誉为机械的关节。然而,轴承滚道在磨加工过程中,由于磨削热而不可避免要在其表面产生变质层,可使滚道表面层硬度下降,而且是拉应力层,易产生疲劳裂纹,从而降低了轴承的疲劳寿命和可靠性。本课题提出了集强化塑性加工和研磨微切削为一体的“强化研磨加工”新加工方法,该方法能够加工出滚道表面具有残余压应力分布的轴承套圈,以改善轴承滚道表面性能,延长轴承疲劳寿命。本文从轴承强化研磨加工有限元仿真分析和设备研制两个方面开展研究。在仿真研究方面,利用ABAQUS软件,考虑几何非线性和材料非线性对套圈塑性强化加工的影响,建立了轴承强化研磨加工中碰撞强化有限元模型,利用ABAQUS/Explicit显式算法进行了三维动态数值仿真模拟,分析了套圈塑性强化加工过程中的动态响应,并进一步模拟分析了同一加工区域多次碰撞的情况。结果表明:碰撞强化加工的系统能量转换率高,大部分动能转换为内能,且主方向接触力的变化范围较大,对滚道表面具有较强的强化作用;滚道表面塑性强化明显,屈服能力得到较大的提高,且表面残余应力状态呈现为压应力状态;滚道表面强化加工需要一定的加工次数来保证,随着强化加工次数的增加,其表面强度趋于饱和,继续增加强化次数,其表面强度增加不再明显。在设备研制方面,根据轴承强化研磨加工原理和特点,确定了轴承强化研磨加工设备应满足的功能要求,提出了两种总体设计方案,并利用Pro/E软件设计出两种方案的三维造型图。通过方案比较,确定了无心强化研磨加工为最终方案,并在结构上实现了轴承无心强化研磨自动化加工。为了节约研制成本,同时考虑设备功能及将来自动化加工、产业化的要求,拟定了简易的轴承无心强化研磨总体结构方案,制定了其研制路线,提出了强化研磨料喷射与回收集成系统设计的方法,并利用Pro/E软件设计了一台简易的轴承无心强化研磨机,根据设计图制作出设备样机。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题来源
• 1.2 课题研究背景
• 1.3 课题研究现状及发展趋势
• 1.3.1 表面强化加工现状及趋势
• 1.3.2 表面研磨加工现状及趋势
• 1.4 本课题研究的目的、意义与主要研究内容
• 第二章 轴承强化研磨加工有限元仿真方法
• 2.1 引言
• 2.2 动力接触问题有限元方法
• 2.2.1 有限元基本思想
• 2.2.2 动力学接触基本原理
• 2.2.3 弹塑性接触小变形问题的基本准则
• 2.2.4 本构方程
• 2.2.5 弹塑性接触问题的数值解法
• 2.3 ABAQUS 动力学接触仿真方法
• 2.3.1 ABAQUS 软件简介
• 2.3.2 ABAQUS/Explicit 算法
• 2.3.3 在ABAQUS 中定义塑性材料参数
• 2.4 本章小结
• 第三章 轴承强化研磨加工有限元仿真实验及分析
• 3.1 引言
• 3.2 三维有限元建模
• 3.2.1 几何模型的建立
• 3.2.2 工件材料和材料本构
• 3.2.3 相互作用定义
• 3.2.4 边界条件和速度场定义
• 3.2.5 网格划分
• 3.2.6 求解
• 3.3 仿真模拟结果分析
• 3.3.1 系统能量分析
• 3.3.2 表面强化分析
• 3.3.3 表面残余应力分析
• 3.3.4 表面形变分析
• 3.4 多次碰撞加工模拟仿真分析
• 3.4.1 撞击速度为40m/s
• 3.4.2 撞击速度为60m/s
• 3.4.3 结果分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 轴承强化研磨加工设备设计方法及方案
• 4.1 轴承强化研磨加工设备的功能要求
• 4.2 轴承强化研磨加工设备的总体设计方法
• 4.2.1 轴承强化研磨加工设备组成
• 4.2.2 轴承强化研磨加工设备设计路线
• 4.3 轴承强化研磨加工设备总体设计方案
• 4.3.1 方案一：滚筒式强化研磨
• 4.3.2 方案二：无心强化研磨
• 4.4 轴承强化研磨加工设备三维造型设计
• 4.4.1 滚筒式轴承强化研磨机三维造型设计
• 4.4.2 轴承无心强化研磨机三维造型设计
• 4.5 设备设计方案比较及确定
• 4.6 本章小结
• 第五章 轴承强化研磨加工设备的研制
• 5.1 引言
• 5.2 研制方案
• 5.2.1 轴承无心强化研磨机总体结构方案
• 5.2.2 轴承无心强化研磨机研制路线
• 5.3 电磁无心夹具系统研制
• 5.3.1 电机及其驱动器选择
• 5.3.2 电磁吸盘及其远程智能型充退磁控制器选择
• 5.3.3 传动设计
• 5.3.4 电磁无心夹具系统设计
• 5.4 强化研磨料高压喷射与回收集成系统研制
• 5.4.1 强化研磨料高压喷射系统设计
• 5.4.2 强化研磨料高压喷射与回收集成系统设计
• 5.4.3 强化研磨料高压喷射与回收集成系统的实现
• 5.5 高压喷头三维调节机构研制
• 5.6 安全防护装置及机架研制
• 5.6.1 安全防护装置设计
• 5.6.2 机架设计
• 5.7 操作界面及控制系统研制
• 5.8 轴承无心强化研磨加工设备整机设计
• 5.8.1 轴承无心强化研磨机三维实体造型设计
• 5.8.2 轴承无心强化研磨机制作
• 5.9 本章小结
• 总结与展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果
• 致谢