249 / 2021-06-06 20:34:24

考虑加工表面完整性的滚动轴承棘轮疲劳损伤分析及寿命预测

滚动轴承作为旋转机械系统中的关键部件，其可靠性直接影响高速数控机床主轴的加工精度，采用磨削工艺加工的轴承钢，主要失效形式为滚动接触作用下由次表层产生的早期疲劳剥落，但人们对于高速机床主轴轴承早期接触疲劳失效的力学机理尚不清楚。为了探讨棘轮损伤在滚动轴承接触疲劳失效机理中的作用，本文考虑了轴承材料的表面制造精度和表面物理特征，建立了一种弹塑性有限元接触模型；基于Lemaitre损伤理论，建立了耦合损伤和随动硬化的本构方程，研究了轴承表面粗糙度、残余应力、硬度梯度对棘轮损伤的影响。结果表明，表面粗糙度会加速次表层棘轮损伤，次表层以下的位置几乎不受到棘轮损伤。残余应力和硬度梯度能够很大程度降低滚动接触疲劳产生的棘轮应变。研究发现，相比于P5级的NU307型圆柱滚子轴承，P4级精度相对具有较为理想的表面形貌，疲劳寿命能够提高2.5倍以上。轴承表面残余应力能够降低表层及次表层棘轮应变的累积速率，当最大残余应力在距离轴承滚子表面200μm 左右时，轴承疲劳寿命能够延长近1倍。轴承表面硬度梯度降低了棘轮应变从次表层向表层演化的速率，在表面硬度值达到60HRC及以上时，轴承疲劳寿命能够提高2倍以上。