基于超聲滾壓加工的軸承內(nèi)圈表層殘余應(yīng)力研究*

蘭葉深，郭騫惠，徐文俊，裴 翔

(1.衢州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電工程學(xué)院，浙江 衢州 324000；2.浙江工業(yè)大學(xué) 特種裝備制造與先進加工技術(shù)教育部重點實驗室，杭州 310014)

0 引言

軸承內(nèi)圈作為軸承最為重要的零件，其表層殘余應(yīng)力分布情況對軸承的壽命有著密切的聯(lián)系[1]。與殘余拉應(yīng)力相比，內(nèi)圈表層存在殘余壓應(yīng)力能提高軸承的疲勞壽命[2-3]。超聲滾壓加工(ultrasonic surface rolling process,USRP)[4]是設(shè)計一種新型滾壓工具頭，并在加工過程中添加超聲頻的機械振動對工件進行滾壓，是一種高效精密的加工技術(shù)[5-6]。目前，許多學(xué)者對超聲滾壓加工提高試件殘余應(yīng)力進行了大量研究，例如：鄭建新等[7]研究發(fā)現(xiàn)在7050鋁合金超聲滾壓加工中，金屬表面發(fā)生劇烈的塑性變形，其表面殘余壓應(yīng)力層厚度達(dá)到1mm左右，最大殘余壓應(yīng)力值約為-285MPa；蔡振等[8]對TI-6Al-4V合金進行超聲滾壓加工，發(fā)現(xiàn)TI-6Al-4V合金表層的殘余壓應(yīng)力隨著深度的增加先增大后減小，影響層深度達(dá)到600μm；宋洪霞等[9]研究表明齒輪齒面經(jīng)超聲滾壓加工后表面粗糙度、硬度以及殘余壓應(yīng)力得到了很大的提高和改善，疲勞強度可以提高69.2%。

在軸承內(nèi)圈傳統(tǒng)的滾壓加工中，內(nèi)圈表層存有少量的殘余壓應(yīng)力層，且殘余壓應(yīng)力數(shù)值較低，無法有效地提高內(nèi)圈表層的殘余應(yīng)力。因此，本文對軸承內(nèi)圈進行了超聲滾壓加工試驗研究，通過單因素試驗和正交試驗相結(jié)合的方式，研究超聲滾壓參數(shù)對軸承內(nèi)圈表層殘余應(yīng)力分布的影響規(guī)律，對軸承內(nèi)圈進行超聲滾壓加工的可行性和可靠性提供了科學(xué)依據(jù)。

1 超聲滾壓加工試驗

1.1 試驗材料

試驗所采用軸承內(nèi)圈是GCr15軸承鋼[10]，工件經(jīng)粗車、熱處理以及超聲滾壓技術(shù)進行處理，其中GCr15的主要化學(xué)成分見表1所示。

1.2 試驗設(shè)備

軸承內(nèi)圈超聲滾壓加工在CA6140B/A數(shù)控車床上進行，其裝置簡圖如圖1所示，主要由超聲波發(fā)生器和滾壓執(zhí)行機構(gòu)組成。其中滾壓執(zhí)行機構(gòu)包括變幅桿、換能器、車床刀架和工具頭等，圖1中,n為主軸轉(zhuǎn)速,s為工具頭橫向進給量，P為靜壓力。

圖1 USRP裝置簡圖

試驗時，超聲波的諧振頻率為20.1kHz,輸出振幅為8μm，滾壓工具頭在超聲波的高頻能力和靜壓力的作用下對工件的表面進行加工，內(nèi)圈表面發(fā)生塑性變形促使表層組織發(fā)生晶格變形。圖2a為軸承內(nèi)圈表面經(jīng)超聲滾壓加工前后的變化，圖2b為內(nèi)圈徑向的截面組織形貌。由圖2b可知，在距表層0～10μm左右，GCr15軸承鋼出現(xiàn)晶粒細(xì)化，且晶粒尺寸由先前的14μm減至約7μm。

采用X射線應(yīng)力分析儀(Xstress 3000X)對超聲滾壓加工后的工件表層進行殘余應(yīng)力的測量，該應(yīng)力分析儀的誤差為±0.2MPa。

表1 GCr15的主要化學(xué)成分

(a) 內(nèi)圈表面 (b) 內(nèi)圈縱向截面形貌 圖2 內(nèi)圈表面和內(nèi)圈縱向截面形貌

1.3 殘余應(yīng)力檢測原理

通過電解法對內(nèi)圈進行剝層處理[11]，并采用X射線應(yīng)力分析儀逐層測試殘余應(yīng)力，從而分析殘余應(yīng)力隨試件表層深度變化的分布情況。測量每個內(nèi)圈沿圓周方向的3個位置，任意兩個位置之間的角度為120°，然后取3點測量的平均值為該層的殘余應(yīng)力值，如圖3所示。獲取的測量值采用下列公式校正[12]：

(1)

式中，σz′為表層深度z處的殘余應(yīng)力測量值；σz為校正后的數(shù)值；δ為試件的總厚度；ξ為積分變量。

圖3 殘余應(yīng)力測量點

2 結(jié)果及分析

2.1 殘余應(yīng)力分布規(guī)律

軸承內(nèi)圈表層殘余應(yīng)力產(chǎn)生的主要原因是超聲滾壓促使材料表層發(fā)生了不均勻的塑性變形，通過Abaqus有限元軟件分析軸承內(nèi)圈超聲滾壓的加工過程，獲取內(nèi)圈的塑性應(yīng)變分布規(guī)律，用以揭示內(nèi)圈殘余應(yīng)力的分布規(guī)律。

內(nèi)圈材料為GCr15，其泊松比為0.3，彈性模量為213GPa，密度為7950kg/m3,采用六面體八節(jié)點網(wǎng)格劃分法，進行建模和求解，見圖4。設(shè)定內(nèi)圈在超聲滾壓加工仿真時超聲波的諧振頻率為20.1kHz，輸出振幅為8μm，主軸轉(zhuǎn)速為130r/min，靜壓力為400N，工具頭進給量為0.10mm/r，為了更好地觀察超聲滾壓后內(nèi)圈的等效塑性應(yīng)變分布情況，在有限元計算結(jié)果中提取了1/2軸承內(nèi)圈等效塑性應(yīng)變值，如圖5所示，可知超聲滾壓對內(nèi)圈表層具有良好的塑性強化作用，超聲滾壓后，內(nèi)圈表層發(fā)生塑性變形，隨著深度的增加，塑性變形的程度先增大后逐漸減小。

殘余應(yīng)力的分布情況見圖6，可知，軸承內(nèi)圈經(jīng)超聲滾壓加工后，表層殘余壓應(yīng)力隨著深度的增加呈先增大后減小的趨勢，最后出現(xiàn)殘余拉應(yīng)力，在內(nèi)圈表面殘余壓應(yīng)力為776.21MPa，在距表層約為6μm處出現(xiàn)最大殘余壓應(yīng)力為950.47MPa，且殘余壓應(yīng)力影響層厚度約為63μm。

圖4 有限元模型

圖5 內(nèi)圈等效塑性應(yīng)變

圖6 殘余應(yīng)力分布情況

2.2 單因素試驗

2.2.1 主軸轉(zhuǎn)速對表層殘余應(yīng)力的影響

研究主軸轉(zhuǎn)速對軸承內(nèi)圈表層殘余應(yīng)力的影響時，靜壓力和橫向進給量保持不變，主軸轉(zhuǎn)速分別取130r/min，250r/min，400r/min時，殘余應(yīng)力與主軸轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系見圖7。

圖7 內(nèi)圈表層殘余應(yīng)力與主軸轉(zhuǎn)速的關(guān)系

由圖7可知，在軸承內(nèi)圈超聲滾壓加工過程中，內(nèi)圈表層產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力會逐漸延伸至材料內(nèi)部，在次表層上出現(xiàn)殘余壓應(yīng)力峰值，之后隨著深度的增加殘余壓應(yīng)力慢慢減小至零，而后出現(xiàn)殘余拉應(yīng)力，與仿真結(jié)果一致。且內(nèi)圈表層的殘余壓應(yīng)力隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大而降低，其主要是因為在其他參數(shù)固定不變的情況下，主軸轉(zhuǎn)速的增大，使得滾壓工具頭和試件之間的加工步長和作用面積增大，工具頭沖擊試件表層的次數(shù)將降低，進而造成工具頭沖擊傳遞能量的疊加作用分散，從而材料內(nèi)部發(fā)生塑性變形的程度也減弱，殘余壓應(yīng)力減小。

2.2.2 進給量對表層殘余應(yīng)力的影響

當(dāng)靜壓力和主軸轉(zhuǎn)速保持不變，橫向進給量分別取0.1mm/r、0.15mm/r以及0.2mm/r時，軸承內(nèi)圈表層殘余應(yīng)力與橫向進給量之間的關(guān)系見圖8。

圖8 內(nèi)圈表層殘余應(yīng)力與橫向進給量的關(guān)系

由圖8可知，與主軸轉(zhuǎn)速相比，橫向進給量對內(nèi)圈表層的殘余壓應(yīng)力的分布狀態(tài)的影響較小。殘余壓應(yīng)力隨著工具頭橫向進給量的變大而減小，但變化趨勢不大，這是由于超聲滾壓加工過程中工具頭即使采用不同的橫向進給量時，軸承內(nèi)圈材料表層所發(fā)生的塑性變形也還是等量傳遞。

2.2.3 靜壓力對表層殘余應(yīng)力的影響

當(dāng)橫向進給量和主軸轉(zhuǎn)速保持不變，靜壓力分別取150N、280N以及400N時，軸承內(nèi)圈表層殘余應(yīng)力與靜壓力之間的關(guān)系見圖9。

圖9 內(nèi)圈表層殘余應(yīng)力與靜壓力的關(guān)系

由圖9可知，試件表層殘余壓應(yīng)力影響層隨著靜壓力的增大而增大，在靜壓力為150N時，殘余壓應(yīng)力的厚度約為30μm，當(dāng)靜壓力增大為400N時，殘余壓應(yīng)力層的厚度為60μm。其主要是因為靜壓力在超聲滾壓加工過程中是給工具頭提供穩(wěn)定的恒定載荷，與被加工面直接接觸，靜壓力增大使?jié)L壓應(yīng)力增大，促使試件材料發(fā)生塑性變形的程度變大，材料表層在沖擊滾壓過程中晶粒細(xì)化深度也隨之增加，從而引起殘余應(yīng)壓力的影響層深度加深。且發(fā)現(xiàn)當(dāng)靜壓力較小時，殘余壓應(yīng)力峰值出現(xiàn)在試件表面，隨著深度的增加，殘余壓應(yīng)力逐漸減小，當(dāng)靜壓力增大時，殘余壓應(yīng)力峰值由表面向?qū)由罘较蛞苿?，在靜壓力為400N時，最大殘余壓應(yīng)力出現(xiàn)在距表層5μm處，這是由于靜壓力的增大，試件表面塑性變形的程度增加，塑性變形促使表面殘余壓應(yīng)力釋放，降低了表面殘余壓應(yīng)力值，從而導(dǎo)致最大殘余壓應(yīng)力出現(xiàn)在次表層處。

2.3 正交試驗

為了進一步分析超聲滾壓參數(shù)對軸承圈套表層最大殘余壓應(yīng)力的影響，設(shè)計L9(33)正交表進行正交試驗研究，如表2所示，是所取各因素水平，試驗結(jié)果見表3。

表2 正交試驗因素水平

表3 正交試驗方案和結(jié)果

由表3可知，當(dāng)P取第三水平400N，n取第一水平130r/min，s取第一水平0.10mm/r時，存在最大殘余壓應(yīng)力值為-912.64MPa。在軸承內(nèi)圈的超聲滾壓加工過程中，對表層殘余應(yīng)力的影響程度是P>n>s。

3 結(jié)論

對軸承內(nèi)圈進行超聲滾壓加工試驗，研究超聲滾壓加工過程中主軸轉(zhuǎn)速、靜壓力以及橫向進給量對殘余應(yīng)力的影響，得出以下結(jié)論：

(1)超聲滾壓可以實現(xiàn)軸承內(nèi)圈塑性強化作用，提高表層殘余壓應(yīng)力，且殘余壓應(yīng)力影響層厚度最大可達(dá)至60μm。

(2)軸承內(nèi)圈超聲滾壓加工過程中，靜壓力對內(nèi)圈表層殘余應(yīng)力的影響最大，殘余壓應(yīng)力隨著靜壓力的增大而增大，其次是主軸轉(zhuǎn)速，殘余壓應(yīng)力隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大而降低，影響最小的是橫向進給量。