轴承滚子超精密修形及表面三维形貌模拟
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摘要
在铁路机车车辆中应用的圆柱滚子轴承，对其滚子外圆表面的质量要求非常高，因此常采用贯穿式无心外圆超精方法加工。在传统的设计方法中轴承滚子的母线都是采用直母线，工作过程中整个有效长度都受力，虽然在大部分接触区域上的接触应力分布较为均匀，但在端部会引起严重的边缘效应，导致此处产生较平均应力大数倍的应力峰，常造成该处轴承内、外圈滚道及滚子发生早期疲劳剥落，运用实践表明这种型线的零件已不能满足铁路运输高速重载的要求，主要症结在于没有设计出合理的母线形状。目前在国内外为了克服这种不利因素，已对滚子母线形状进行了各种修形，如采用带弧坡滚子、修正线形滚子和全凸度滚子等，而在我国轴承厂家还是采用弧坡滚子，设有一道工序加工两端的弧坡，不仅生产率低，而且表面粗糙度较高，更主要的是无法以此工序产生理想的对数母线。常规的无心超精磨削加工是难以同时满足上述要求的，已有一些文献对油石超精加工各参数对超精加工效果的影响作了论述，但对于各参数改变时滚子表面形貌的变化，缺乏详细、直观的理论论述和图形描述。本文从这两方面出发，首先根据不同零件、不同母线形状的圆柱体，从设计原理、材质选取原则、机加工工艺等方面进行系统研究，解决圆柱体零件连续支撑送料导辊的型面设计和制造的问题，加工出最佳母线的滚子即对数滚子，获得高精度的加工表面，提高滚子的接触疲劳强度和使用寿命，从根本上解决接触应力分布不合理的问题。其次，建立了油石超精加工的运动模型和切削模型，对滚子表面形貌进行三维模拟，并计算出油石超精加工的切削量，获得最优加工工艺参数和条件。同时直观地表示出滚子转动的圆周线速度、油石振动频率、油石振动振幅等因素对滚子外圆表面形貌和油石切削量的影响。通过计算机仿真为油石超精加工技术提供了理论依据，获得了达到较好表面加工质量的切削因素和条件，拓展了油石超精加工技术的应用前景。
Short cylindrical roller bearings widely used in railway locomotives demand extremely high quality. Through centerless superfinishing technique is often adopted in the process of machining the roller surface. The roller generant adopts straight one in traditional design and during the running the whole effective length is all under load. Although the contact stress distribution is even on most of the contact zone, serious edge effect is arisen at the two ends and results in the stress peaks several times higher than the mean stress, and earlier fatigue failure often occurs in the inner and outer of the rollaway and the roller itself. Application practice shows that rollers of straight generant can't meet the requirements of thigh speed and heavy load in railway transportation, and the roller design of appropriate generant is needed. At present in order to overcome this disadvantage factor, the roller generant shape has to be amended, such as adopting the bowtype roller, amendatory linetype and convexity rati
o roller, whereas Chinese bearing factories adopt bowtype roller which is machined on two ends in one process .Not only is the low productivity, but also the surface roughness is very high, and what is more the ideal logarithm generant can't be produced in this process. The regular centerless grinding is unable to meet the above requirements simultaneously. There have been some literatures expounded all kinds of parameters of abrasive stone superfinishing and the influence of superfinishing effects, but short of detailed, direct theoretical and graphic description. From the above two aspects, firstly based on different rollers, different generant shape, the studies are systematically done from design principle ,material-choosing principle ,heat treatment criterion and machining process and so on., and the problems of the supporting roller
design and its manufacturing are solved and the optimal generant
roller-----logarithm roller is made. The machining surfaces of high
precision is acquired, and the contact fatigue strength and operating life of the bearings are raised, and the irrational problems of the contact stress distribution are thoroughly solved. Secondly, a motion and a cutting model of abrasive stone superfinishing are built respectively, and optimal process parameters and conditions are acquired. At the same time it is clearly shown that the topography of the roller surface and abrasive stone cutting quantity are affected by the rotational speed of the roller, the vibration frequency and altitude of the abrasive stone and so on. The theory proof is provided for abrasive stone superfinishing technique through computer simulation, and cutting factors and conditions of better surface machining quality are obtained, and the application prospect of the abrasive stone superfinishing technique is expanded.
Short cylindrical roller bearings widely used in railway locomotives demand extremely high quality. Through centerless superfinishing technique is often adopted in the process of machining the roller surface. The roller generant adopts straight one in traditional design and during the running the whole effective length is all under load. Although the contact stress distribution is even on most of the contact zone, serious edge effect is arisen at the two ends and results in the stress peaks several times higher than the mean stress, and earlier fatigue failure often occurs in the inner and outer of the rollaway and the roller itself. Application practice shows that rollers of straight generant can't meet the requirements of thigh speed and heavy load in railway transportation, and the roller design of appropriate generant is needed. At present in order to overcome this disadvantage factor, the roller generant shape has to be amended, such as adopting the bowtype roller, amendatory linetype and convexity rati
o roller, whereas Chinese bearing factories adopt bowtype roller which is machined on two ends in one process .Not only is the low productivity, but also the surface roughness is very high, and what is more the ideal logarithm generant can't be produced in this process. The regular centerless grinding is unable to meet the above requirements simultaneously. There have been some literatures expounded all kinds of parameters of abrasive stone superfinishing and the influence of superfinishing effects, but short of detailed, direct theoretical and graphic description. From the above two aspects, firstly based on different rollers, different generant shape, the studies are systematically done from design principle ,material-choosing principle ,heat treatment criterion and machining process and so on., and the problems of the supporting roller
design and its manufacturing are solved and the optimal generant
roller-----logarithm roller is made. The machining surfaces of high
precision is acquired, and the contact fatigue strength and operating life of the bearings are raised, and the irrational problems of the contact stress distribution are thoroughly solved. Secondly, a motion and a cutting model of abrasive stone superfinishing are built respectively, and optimal process parameters and conditions are acquired. At the same time it is clearly shown that the topography of the roller surface and abrasive stone cutting quantity are affected by the rotational speed of the roller, the vibration frequency and altitude of the abrasive stone and so on. The theory proof is provided for abrasive stone superfinishing technique through computer simulation, and cutting factors and conditions of better surface machining quality are obtained, and the application prospect of the abrasive stone superfinishing technique is expanded.
引文
[1] 张晋西．Visual Basic与Auto CAD二次开发．2002年2月第1版．清华大学出版社，2002
[2] 晶辰工作室．Excel 2000中文版VBA开发实例指南．2000年8月第1版．电子工业出版社，2002．4
[3] 魏江江，林少景．Visual Basic基础编程百例．2001年8月第1版．清华大学出版社，2001
[4] 孔宪庶，马丽敏．计算机绘图与计算机辅助设计．1998年8月第1版．大连理工大学出版社，1998．8
[5] 谭浩强，薛淑斌，袁玫．Visual BASIC程序设计．2000年7月第1版．清华大学出版社，2001
[6] 刘瑞新，汪远征．Visual Basic程序设计教程．2001年4月第1版．机械工业出版社，2001
[7] 王文义．互换性与测量技术基础．1986年8月第1版．哈尔滨工业大学出版社，1986
[8] 机械工程、电机工程手册编辑委员会．机械工程手册：第八卷．机械制造工艺．1982年12月第1版．机械工业出版社，1982．12
[9] 机械工程、电机工程手册编辑委员会．机械工程手册；第二版．机械制造工艺及设备卷(二)．1997年7月第1版．机械工业出版社，1997．7
[10] 孟少农．机械加工工艺手册第2卷．1991年9月第1版．机械工业出版社，1991．9
[11] 邱宣怀．机械设计(第四版)．高等教育出版社，1997
[12] 童秉枢．机械CAD技术基础．清华大学出版社，1996
[13] 孙文焕．机械CAD技术基础．西安电子科技大学出版社，1995
[14] 黄尧民．机械CAD．机械工业出版社，1995
[15] 蔡春源．机械零件设计手册．第三版．冶金工业出版社，1994
[16] 濮良贵，纪铭刚．机械设计(第六版)．高等教育出版社，1996
[17] 谈嘉祯．机械设计基础．中国标准出版社，1997
[18] 孟粹娟．计算机图形学．科学出版社，1992
[19] 钱汉臣．计算机实用图形学与CAD技术．西南师范大学出版社，1996
[20] 沈伟烈．计算机图形学教程．航空工业出版社，1995
[21] 王知行，李瑰贤．机械原理电算程序设计．哈尔滨工业大学出版社，1993
[22] 曹志奎．机械CAD技术基础．上海交通大学出版社，1996
[23] 孙家广，陈玉健，辜凯宁．计算机辅助几何造型技术．清华大学出版社，1990
[24] 仲梁维，麦云飞．计算机辅助设计教程．复旦大学出版社，1997
[25] 蔡青，高光寿．CAD／CAM系统的可视化、集成化、智能化、网络化．西北工业大学出版社，1996
[25] 王知行．机械CAD与仿真技术．哈尔滨工业大学出版社，2000
[26] 裘文言，瞿元赏．机械制图与CAD基础．上海交通大学出版社，2001
[27] 同济大学、上海交通大学等院校编写组．机械制图(第四版)．高等教育出版社，1997
[28] 李澄，吴天生等．机械制图．高等教育出版社，1997
[29] 乔友杰等．制图基础．高等教育出版社，1996
[30] 吴永贵，丁亚军．机械设计AutoCAD．复旦大学出版社，1996
[31] 王虹等．Visual Basic6.0实用教程．人民邮电出版社，1999
[32] 郑顺村．最新压缩软件精选．人民邮电出版社，1997
[33] Jeffrey P．McManus．罗四维，韩臻等译．用Visual Basic访问数据库．电子工业出版社，1999
[34] Marion Cottingham．AutoCAD VBA从入门到精通．孔祥丰等译．2001年11月第1版．电子工业出版社，2001．11
[35] 江亲瑜，葛宰林，李宝良．油石超精技术在内燃机车轴承和凸轮加工中的应用．大连铁道学院学报．2000年，第2期：P32-36
[36] 葛宰林，江亲瑜，高金平．超精磨削油石的磨削性能试验研究．大连铁道学院学报．2001年，第2期：P35-37
[37] 葛宰林，江亲瑜，杨年申．准高速客车轴承滚子对数母线无心超精成型技术．大连铁
道学院学报．1997年，第3期：P65-68
[38] 蒋成昆．超精加工与油石．磨床与磨削．1989年，第3期：P55-58
[39] 江亲瑜，葛宰林．铁路轴箱轴承失效分析及提高使用寿命的措施．润滑与密封．1997年第5期：P19-21
[40] 江亲瑜，王松年，董国瑞．机车柴油机气缸套与活塞环弹流计算及活塞环面结构设计．内燃机车．1989年，第9期：P1-4
[41] 邵明杰．轴承工人技术理论讲座—滚子制造工艺(12)．轴承．1988年，第5期：P56-59
[42] 朱永志．圆柱滚子超精加工用导辊形状设计[J]．轴承．1988年，第5期：P20-26
[43] 杨志强 指导教师 江亲瑜．油石超精表面形貌计算机仿真研究．大连铁道学院本科生部分优秀毕业设计(论文)摘要汇编．2000届：P56-59
[2] 晶辰工作室．Excel 2000中文版VBA开发实例指南．2000年8月第1版．电子工业出版社，2002．4
[3] 魏江江，林少景．Visual Basic基础编程百例．2001年8月第1版．清华大学出版社，2001
[4] 孔宪庶，马丽敏．计算机绘图与计算机辅助设计．1998年8月第1版．大连理工大学出版社，1998．8
[5] 谭浩强，薛淑斌，袁玫．Visual BASIC程序设计．2000年7月第1版．清华大学出版社，2001
[6] 刘瑞新，汪远征．Visual Basic程序设计教程．2001年4月第1版．机械工业出版社，2001
[7] 王文义．互换性与测量技术基础．1986年8月第1版．哈尔滨工业大学出版社，1986
[8] 机械工程、电机工程手册编辑委员会．机械工程手册：第八卷．机械制造工艺．1982年12月第1版．机械工业出版社，1982．12
[9] 机械工程、电机工程手册编辑委员会．机械工程手册；第二版．机械制造工艺及设备卷(二)．1997年7月第1版．机械工业出版社，1997．7
[10] 孟少农．机械加工工艺手册第2卷．1991年9月第1版．机械工业出版社，1991．9
[11] 邱宣怀．机械设计(第四版)．高等教育出版社，1997
[12] 童秉枢．机械CAD技术基础．清华大学出版社，1996
[13] 孙文焕．机械CAD技术基础．西安电子科技大学出版社，1995
[14] 黄尧民．机械CAD．机械工业出版社，1995
[15] 蔡春源．机械零件设计手册．第三版．冶金工业出版社，1994
[16] 濮良贵，纪铭刚．机械设计(第六版)．高等教育出版社，1996
[17] 谈嘉祯．机械设计基础．中国标准出版社，1997
[18] 孟粹娟．计算机图形学．科学出版社，1992
[19] 钱汉臣．计算机实用图形学与CAD技术．西南师范大学出版社，1996
[20] 沈伟烈．计算机图形学教程．航空工业出版社，1995
[21] 王知行，李瑰贤．机械原理电算程序设计．哈尔滨工业大学出版社，1993
[22] 曹志奎．机械CAD技术基础．上海交通大学出版社，1996
[23] 孙家广，陈玉健，辜凯宁．计算机辅助几何造型技术．清华大学出版社，1990
[24] 仲梁维，麦云飞．计算机辅助设计教程．复旦大学出版社，1997
[25] 蔡青，高光寿．CAD／CAM系统的可视化、集成化、智能化、网络化．西北工业大学出版社，1996
[25] 王知行．机械CAD与仿真技术．哈尔滨工业大学出版社，2000
[26] 裘文言，瞿元赏．机械制图与CAD基础．上海交通大学出版社，2001
[27] 同济大学、上海交通大学等院校编写组．机械制图(第四版)．高等教育出版社，1997
[28] 李澄，吴天生等．机械制图．高等教育出版社，1997
[29] 乔友杰等．制图基础．高等教育出版社，1996
[30] 吴永贵，丁亚军．机械设计AutoCAD．复旦大学出版社，1996
[31] 王虹等．Visual Basic6.0实用教程．人民邮电出版社，1999
[32] 郑顺村．最新压缩软件精选．人民邮电出版社，1997
[33] Jeffrey P．McManus．罗四维，韩臻等译．用Visual Basic访问数据库．电子工业出版社，1999
[34] Marion Cottingham．AutoCAD VBA从入门到精通．孔祥丰等译．2001年11月第1版．电子工业出版社，2001．11
[35] 江亲瑜，葛宰林，李宝良．油石超精技术在内燃机车轴承和凸轮加工中的应用．大连铁道学院学报．2000年，第2期：P32-36
[36] 葛宰林，江亲瑜，高金平．超精磨削油石的磨削性能试验研究．大连铁道学院学报．2001年，第2期：P35-37
[37] 葛宰林，江亲瑜，杨年申．准高速客车轴承滚子对数母线无心超精成型技术．大连铁
道学院学报．1997年，第3期：P65-68
[38] 蒋成昆．超精加工与油石．磨床与磨削．1989年，第3期：P55-58
[39] 江亲瑜，葛宰林．铁路轴箱轴承失效分析及提高使用寿命的措施．润滑与密封．1997年第5期：P19-21
[40] 江亲瑜，王松年，董国瑞．机车柴油机气缸套与活塞环弹流计算及活塞环面结构设计．内燃机车．1989年，第9期：P1-4
[41] 邵明杰．轴承工人技术理论讲座—滚子制造工艺(12)．轴承．1988年，第5期：P56-59
[42] 朱永志．圆柱滚子超精加工用导辊形状设计[J]．轴承．1988年，第5期：P20-26
[43] 杨志强 指导教师 江亲瑜．油石超精表面形貌计算机仿真研究．大连铁道学院本科生部分优秀毕业设计(论文)摘要汇编．2000届：P56-59