轻薄轴承超高速离心式无心磨削及表面残余应力形成机理

成果基本信息
关键词：	离心磨削;无心磨削;轻薄轴承;动态刚度;陀螺效应
成果类别：		技术成熟度：
体现形式（基础理论类）：		体现形式（应用技术类）：	无
成果登记号：	粤科成登2字20180399	资源采集日期：	2019-04-15

研究情况
单位名称：	广州大学	技术水平：
评价证书号：	51040501-0524	评价单位：	国家自然科学基金委员会
评价日期：	2017.03.23	评价证书号：	51040501-0524

转化情况
转让范围：		推广形式：	无
已转让企业数（个）：	0

联系方式
联系人（平台）：	玉女士	联系人（平台）电话：	0771-5885053
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成果简介
①课题来源与背景　　轻薄轴承因重量轻、结构紧凑而广泛用于航天、航空、通讯卫星以及许多重要的军事装备中。为了节约材料和空间资源，目前国内外民用轴承也有向轻量化发展的趋势，如随着轻量化车辆、机电设备的设计，轴承也相应进行轻量轻薄设计。在加工过程中由于受力变形、残余应力变形、切削热变形、装夹变形等这些变形交错复杂，互相影响，且随时间不断变化，导致加工时轴承套圈表面残余应力和表面完整性可控性差等难题。因此轻薄轴承加工关键问题有待研究。　　②研究目的与意义　　随着轻薄轴承和相关装备性能迅速提高，加上国防等技术领域特殊性能及其超高性能的要求，带来加工时刚性差、变形大、工件易跳动、表面残余应力可控性差等许多加工难题，使得传统制造理念已经远不能解决上述关键问题。由此可见，开展轻薄轴承新的加工工艺和方法及表面残余应力机理的研究，一方面，从科学知识源头上可带动航空航天和军事装备及轴承制造业的科学技术进步；另一方面，对于提升传统工业的技术水平，保证我国能建立和保持可靠的国防力量，为现代化建设保驾护航，具有重大而深远的意义。　　③研究内容　　(1)轻薄轴承套圈超高速离心式无心磨削加工机理研究方面　　设计并研制一个超高速离心式无心研磨加工实验系统，包括高速电主轴和高频逆变驱动单元、敷设缓冲材料高强度封闭的砂轮防护罩、高压冷却润滑供给系统等。　　研究超高速离心式无心磨削的多输入、多输出并伴有离心力、磨削力、磨削热等中间变量的复杂系统中工件转速、砂轮转速、进给量、砂轮参数等磨削工艺参数与离心力、磨削力、磨削热之间的关系，揭示磨削力、离心力、预应力、陀螺力矩、磨削热、热变形与预变形等多参数耦合规律。　　研究超高速离心式无心磨削加工轻薄轴承套圈的动力学数学模型，包括研究工艺系统振动特性，求出动态刚度与工件转速、轴承套圈工件直径、质量之间的关系。　　研究超高速离心式无心磨削加工轻薄轴承套圈过程中所产生的机械－物理的效应、磨粒与工件表面微观作用机理，包括研究是否生产吸附膜、白层、小黑点、小红点、小白点以及强化层、变质层的特征等。　　(2)超高速离心式无心磨削加工轻薄轴承套圈残余应力形成机理与控制　　研究超高速离心式无心磨削加工表面残余压应力形成机理与分布规律以及加工表层显微组织结构和加工表面形貌以及磨屑形态，分析对表面机械性能的影响。　　研究轻薄轴承套圈工件表层显微组织结构特征，优化加工参数使表面强化层、变质层和残余应力可控，分析影响加工表面完整性以及尺寸精度的因素。　　研究超高速离心式无心磨削加工过程中弹塑性变形和表面残余应力分布的结构稳定性和突变过程的数学模型，并讨论空间中突变集的几何形状。　　(3)超高速离心式无心磨削加工轻薄轴承套圈工艺稳健性设计　　研究加工工艺系统的高压磨削液的喷射力、磨削力、磁吸力、重力、摩擦力、支承力等对工件的稳定性的影响。　　研究离心力效应、陀螺效应对加工过程的动态影响，包括偏心距变化、套圈预变形、陀螺力矩变化、尺寸稳定性等。　　研究面向预定性能的控形控性超高速离心磨削工艺参数对轴承套圈加工质量影响，包括对表面强化层、变质层和残余应力等物理力学性能、表面形貌、尺寸精度、形状误差和波纹度误差等的影响。　　研究轻薄轴承套圈离心式无心磨削加工过程中 Lobing（圆形凸角）问题产生的机理及对工件所造成的几何形状精度的影响，包括研究 Lobing（圆形凸角）问题的产生与设备颤振的关系及 Lobing（圆形凸角）问题的可控性研究。　　④创见与创新　　(1)超高速离心式无心磨削是一种高速或超高速磨削的非传统加工新方法，也是加工轻薄轴承套圈的一种有效的新方法。　　(2)本项目针对轻薄轴承套圈加工刚性差，易变形和跳动的特点，为实现高效精密磨削和提高轻薄轴承的疲劳寿命和可靠性，使轻薄轴承的工作表面残余应力呈压应力分布，提出了利用工件高速度旋转来增加轻薄轴承套圈磨削时的动态刚性、陀螺稳定性。经检索国内外资料，无类似的文献报道。　　(3)对轻薄轴承超高速离心式无心磨削加工过程中弹塑性变形和表面残余应力分布规律进行研究，并建立超高速离心式无心磨削理论。　　⑤成果简介　　超高速离心式无心磨削是适用于轻薄轴承套圈加工的集无心磨削、离心磨削为一体的超高速磨削加工新方法。加工中工件高速旋转的离心效应可提高套圈的动态加工刚度、陀螺稳定性，并可对工件施加预载荷形成预应力。项目研究了超高速离心式无心磨削加工中离心力、预应力、磨削力、磨削热等诸多参数的耦合关系以及表面强化层、变质层、残余应力形成与控制机理。通过超高速离心旋转使工件产生预变形和预应力，进而使加工表面获得有利于疲劳寿命的残余压应力及较好的表面机械性能。　　课题组较好的完成了项目的预期目标，实施过程中申请国家发明和实用新型专利8件，获授权发明专利2件，实用新型3件，发表学术论文20余篇，已标注15篇，其中已标注SCI/EI收录5篇。

成果名称：	轻薄轴承超高速离心式无心磨削及表面残余应力形成机理	关键词：	离心磨削;无心磨削;轻薄轴承;动态刚度;陀螺效应
成果类别：		一级分类名称：	机械制造
二级分类名称：	机械传动	三级分类名称：
研究起止时间：	2013.01 至2016.12	成果体现形式（应用技术类）：	无
成果属性：		成果体现形式（基础理论类）：
技术成熟度：		技术水平：
研究形式：		学科分类1：
单位名称：	广州大学	学科分类2：
中图分类号1：		所属高新技术类别：
中图分类号2：		课题来源：
应用行业：		课题立项名称：
国家科技计划子类别：		课题立项编号：	51275100
经费实际投入额（万元）：	80.00	评价单位：	国家自然科学基金委员会
评价形式：	无	应用状态：	无
评价日期：	2017.03.23	转让范围：
评价证书号：	51040501-0524	推荐单位：	广东省教育厅
推广形式：	无	成果登记号：	粤科成登2字20180399
成果简介：	①课题来源与背景　　轻薄轴承因重量轻、结构紧凑而广泛用于航天、航空、通讯卫星以及许多重要的军事装备中。为了节约材料和空间资源，目前国内外民用轴承也有向轻量化发展的趋势，如随着轻量化车辆、机电设备的设计，轴承也相应进行轻量轻薄设计。在加工过程中由于受力变形、残余应力变形、切削热变形、装夹变形等这些变形交错复杂，互相影响，且随时间不断变化，导致加工时轴承套圈表面残余应力和表面完整性可控性差等难题。因此轻薄轴承加工关键问题有待研究。　　②研究目的与意义　　随着轻薄轴承和相关装备性能迅速提高，加上国防等技术领域特殊性能及其超高性能的要求，带来加工时刚性差、变形大、工件易跳动、表面残余应力可控性差等许多加工难题，使得传统制造理念已经远不能解决上述关键问题。由此可见，开展轻薄轴承新的加工工艺和方法及表面残余应力机理的研究，一方面，从科学知识源头上可带动航空航天和军事装备及轴承制造业的科学技术进步；另一方面，对于提升传统工业的技术水平，保证我国能建立和保持可靠的国防力量，为现代化建设保驾护航，具有重大而深远的意义。　　③研究内容　　(1)轻薄轴承套圈超高速离心式无心磨削加工机理研究方面　　设计并研制一个超高速离心式无心研磨加工实验系统，包括高速电主轴和高频逆变驱动单元、敷设缓冲材料高强度封闭的砂轮防护罩、高压冷却润滑供给系统等。　　研究超高速离心式无心磨削的多输入、多输出并伴有离心力、磨削力、磨削热等中间变量的复杂系统中工件转速、砂轮转速、进给量、砂轮参数等磨削工艺参数与离心力、磨削力、磨削热之间的关系，揭示磨削力、离心力、预应力、陀螺力矩、磨削热、热变形与预变形等多参数耦合规律。　　研究超高速离心式无心磨削加工轻薄轴承套圈的动力学数学模型，包括研究工艺系统振动特性，求出动态刚度与工件转速、轴承套圈工件直径、质量之间的关系。　　研究超高速离心式无心磨削加工轻薄轴承套圈过程中所产生的机械－物理的效应、磨粒与工件表面微观作用机理，包括研究是否生产吸附膜、白层、小黑点、小红点、小白点以及强化层、变质层的特征等。　　(2)超高速离心式无心磨削加工轻薄轴承套圈残余应力形成机理与控制　　研究超高速离心式无心磨削加工表面残余压应力形成机理与分布规律以及加工表层显微组织结构和加工表面形貌以及磨屑形态，分析对表面机械性能的影响。　　研究轻薄轴承套圈工件表层显微组织结构特征，优化加工参数使表面强化层、变质层和残余应力可控，分析影响加工表面完整性以及尺寸精度的因素。　　研究超高速离心式无心磨削加工过程中弹塑性变形和表面残余应力分布的结构稳定性和突变过程的数学模型，并讨论空间中突变集的几何形状。　　(3)超高速离心式无心磨削加工轻薄轴承套圈工艺稳健性设计　　研究加工工艺系统的高压磨削液的喷射力、磨削力、磁吸力、重力、摩擦力、支承力等对工件的稳定性的影响。　　研究离心力效应、陀螺效应对加工过程的动态影响，包括偏心距变化、套圈预变形、陀螺力矩变化、尺寸稳定性等。　　研究面向预定性能的控形控性超高速离心磨削工艺参数对轴承套圈加工质量影响，包括对表面强化层、变质层和残余应力等物理力学性能、表面形貌、尺寸精度、形状误差和波纹度误差等的影响。　　研究轻薄轴承套圈离心式无心磨削加工过程中 Lobing（圆形凸角）问题产生的机理及对工件所造成的几何形状精度的影响，包括研究 Lobing（圆形凸角）问题的产生与设备颤振的关系及 Lobing（圆形凸角）问题的可控性研究。　　④创见与创新　　(1)超高速离心式无心磨削是一种高速或超高速磨削的非传统加工新方法，也是加工轻薄轴承套圈的一种有效的新方法。　　(2)本项目针对轻薄轴承套圈加工刚性差，易变形和跳动的特点，为实现高效精密磨削和提高轻薄轴承的疲劳寿命和可靠性，使轻薄轴承的工作表面残余应力呈压应力分布，提出了利用工件高速度旋转来增加轻薄轴承套圈磨削时的动态刚性、陀螺稳定性。经检索国内外资料，无类似的文献报道。　　(3)对轻薄轴承超高速离心式无心磨削加工过程中弹塑性变形和表面残余应力分布规律进行研究，并建立超高速离心式无心磨削理论。　　⑤成果简介　　超高速离心式无心磨削是适用于轻薄轴承套圈加工的集无心磨削、离心磨削为一体的超高速磨削加工新方法。加工中工件高速旋转的离心效应可提高套圈的动态加工刚度、陀螺稳定性，并可对工件施加预载荷形成预应力。项目研究了超高速离心式无心磨削加工中离心力、预应力、磨削力、磨削热等诸多参数的耦合关系以及表面强化层、变质层、残余应力形成与控制机理。通过超高速离心旋转使工件产生预变形和预应力，进而使加工表面获得有利于疲劳寿命的残余压应力及较好的表面机械性能。　　课题组较好的完成了项目的预期目标，实施过程中申请国家发明和实用新型专利8件，获授权发明专利2件，实用新型3件，发表学术论文20余篇，已标注15篇，其中已标注SCI/EI收录5篇。
联系人：	王玉林	成果登记日期：	2018-10-23
联系人email：		单位代码：	94400063
邮政编码222：	510006	联系人电话：	020-39366985
单位传真：	020-39366168	单位通讯地址：	广东省广州市番禺区大学城外环西路230号
单位所在省市：		单位电话：	020-39366163
转让收入（万元）：	0	单位属性：
合作完成单位：		已转让企业数（个）：	0
成果发布年份：	2018	知识产权形式：
成果完成人：		资源采集日期：	2019-04-15

轻薄轴承超高速离心式无心磨削及表面残余应力形成机理

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