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类型中频电磁脉冲磁处理稳定薄壁轴承外圈尺寸研究.pdf

  • 上传人:first2
  • 文档编号:100373221
  • 上传时间:2021-09-07
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    中频 电磁 脉冲 处理 稳定 薄壁 轴承 外圈 尺寸 研究
    资源描述:
    工艺与装备 中频电磁脉冲磁处理稳定薄壁轴承外圈尺寸研究 李雪梅, 谢庆生, 邱望标, 逯博文 ( 贵州大学 现代制造技术教育部重点实验室; 工程实训中心; 机械工程学院, 贵阳) 摘要: 对薄壁轴承外圈分别施加轴向及径向磁场进行磁处理, 经过对外圈直径的多次检测可知: 磁处理后外圈 的长轴与短轴均呈缩小趋势, 外圈尺寸趋于稳定; 多向电磁脉冲磁处理降低轴承外圈内应力效果较好, 可用于 工程实际。 关键词: 滚动轴承; 薄壁轴承; 外圈; 磁处理;内应力; 稳定尺寸 中图分类号: ; 文献标志码: 文章编号: ( ) , , , ( ; ; , , , ) : , , , , : ; ; ; ; ; 国内一般采用热时效和振动时效降低工件残 余应力。热时效对温度控制要求严格, 易产生附 加热应力并造成材料表面氧化 ; 振动时效对 材料的力学性能改善较好, 但容易破坏材料的疲 劳强度, 且降低残余应力效果不好。脉冲磁处理是 一种降低钢铁材料中残余应力的新方法 。文 献 的实践表明, 脉冲磁处理可通过改善 收稿日期: ; 修回日期: 基金项目: 贵州省国际科技合作项目(黔科合外 字 号) ; 贵州省科学技术基金项目( 黔科合 字 号) 作者简介: 李雪梅( ) , 女, 博士, 副教授, 主要研究方 向为机械电子、 材料处理等, : 。 通信作者: 邱望标( ) , 男, 教授, 主要研究方向为机 械电子, : 。 刀具中的残余应力分布来提高刀具的使用寿命。 文献 通过涡流信号检测发现钢铁材料在脉冲 磁处理后, 与残余应力状态相关的涡流信号发生 了显著改变。文献 的研究表明, 间歇磁场作 用可降低钢铁材料中的残余应力, 应力的分布呈 整体下降趋势, 应力下降的最高幅值可达初始应 力水平的 。针对上述情况, 研究人员在 磁处理条件和残余应力改变状态之间展开了较为 系统的研究, 但仅限于实验室试验, 很少将实际生 产零件作为研究对象进行磁处理去除残余应力的 研究。 现以 钢薄壁轴承外圈为研究对象, 分别在轴向及径向施加磁场对其进行磁处理, 通过脉冲磁场与外圈内部残余应力场的耦合作 用, 使外圈内部结构位错均匀化, 达到降低内应 力的目的。 轴承年期 , , 试验 ?复合磁场的设计 由于薄壁轴承外圈形状的特殊性, 影响尺寸 稳定的应力向外呈径向分布, 因此, 为确保磁力线 能从不同方向穿过外圈, 达到最大程度降低内应 力的目的, 使磁力线分别从轴向和径向穿过轴承 外圈, 轴向磁场穿过外圈轴心线( 图 ) , 径向磁 场垂直于外圈厚度方向( 图 ) 。 图 磁场 ?磁处理装置的制作 磁处理是一种通过动态磁场与钢材相互作用 来改善工件中残余应力分布的新方法 。钢材在 较弱的外磁场作用下, 内部会产生正磁致伸缩效 应( 即材料沿磁场方向伸长) , 随着外磁场的增大, 材料内部的磁致伸缩由正变负( 即材料沿磁化方 向缩短) , 当材料磁化至饱和时, 磁致伸缩也达到 负饱和值 。因此, 钢材在动态磁场的作用下内 部会发生正负交替的磁致振动, 其与材料中局部 分布不均匀的残余应力共同作用, 有可能推动该 区域内的位错产生滑移, 产生塑性应变从而导致 应力松弛 。 理论上, 螺旋线圈支架横截面的孔径与放入 其中的轴承外圈结合越紧密, 磁处理效果越理想, 因此, 针对直径为 、 壁厚为 的外 圈, 制作了磁化线圈匝数为 、 支架横截面孔径为 、 线圈支架采用非铁磁性材料的磁处理装 置, 其磁场电源产生约 的中频脉冲交变磁 场, 电路由滤波整流电路、 谐振回路、 控制驱动电 路及保护电路组成。虽然此装置中外圈与支架孔 径有一定间隙, 但因磁力线基本均匀穿过线圈支 架孔, 故只要将一组外圈按顺序放入支架孔内, 可 基本保证磁力线均匀通过每个外圈。为减少磁化 线圈的发热量, 线圈由截面积为 的多股 软铜线通过并绕的方式绕制而成。磁化线圈内的 磁感应强度越强, 产生的磁致伸缩效应越大, 磁处 理效果也越好。磁化线圈中通过的最大有效交变 电流为 , 有效电压为 。此装置的磁化线 圈可简化为细长螺线管, 其中的线圈长度为 , 初步估计磁化线圈内的磁感强度为 , 式中: 为螺线管内磁感强度; 为线圈匝数; 为 通过线圈的电流; 为螺线管中线圈长度; 为真 空磁导率。 ?试验方法 磁处理方式如图 所示。磁化线圈采用三线 并绕的方式绕制在支架上。磁处理前用千分表分 别测量 个外圈一周, 其中最大值为长轴直径, 最小值为短轴直径, 再将外圈分别放入轴向、 径向 磁场进行磁处理, 时间均为 。磁处理过程 中, 外圈温度 。 ( ) 轴向 ( ) 径向 图 磁处理方式 结果与分析 磁处理后, 内外圈长轴和短轴直径随时间的变 化量分别见表 、 表 。由表可知, 磁处理前后外圈 长轴与短轴的直径最大变化量为 ; 处理后 的室温时效过程中, 平均尺寸变化量为 , 该值在 外圈的精度要求范围内。 外圈直径随时间变化关系如图 所示。由图 可知, 经过磁处理后, 外圈长轴和短轴均呈缩小趋 势, 证明多向电磁脉冲磁处理可以有效降低外圈 内应力。此外, 与传统热时效处理相比, 能耗降低 了 以上, 处理时间由热时效的 减少 到 , 且无任何污染排放。 李雪梅, 等: 中频电磁脉冲磁处理稳定薄壁轴承外圈尺寸研究 表 外圈长轴直径变化量 序 号 处理前 处理后 个月 个月 个月 最大 变化量 表 外圈短轴直径变化量 序 号 处理前 处理后 个月 个月 个月 最大 变化量 结束语 经试验证明, 采用轴向及径向的磁场进行磁 处理效果良好, 能够使薄壁轴承外圈半年内未发 生影响外圈精度的尺寸变化, 达到稳定外圈尺寸 的目的。 此电磁脉冲磁处理降低内应力的方法高效、 节能、 环保, 且设备成本低, 可广泛应用于其他机 械零件的去除内应力、 稳定尺寸工艺。 参考文献: 张润慧, 刘树仁, 杨军 热处理工艺参数对轴承套圈 变形的影响 哈尔滨轴承, , ( ) : ( ) 长轴 ( ) 短轴 图 外圈直径随时间变化关系 于晗, 孙刚 金属材料及热处理 北京: 冶金工业 出版社, : , , , ( ) : 缪霞, 钱东升, 宋燕利 磁处理对 轴承环冷轧 淬火残余应力影响规律 机械工程学报, , ( ) : 付宇明, 王三星, 刘明, 等 脉冲磁处理降低金刚石锯 片残余应力的研究 金刚石与磨料磨具工程, ( ): , , , , : , , ( ) : , , 武汉理工大学学报: 材料 科学英文版, , ( ) : 黄士卫, 赵海燕, 林健, 等 磁处理降低焊接残余应力 中磁场方向的影响 清华大学学报( 自然科学 版) , , ( ) : 顾立残余应力对轴承外圈磨削变形的影响 理 化检验, , ( ) : ( 下转第 页) 轴承 当 时, ( ) , ) , ( ) 值接近 ; 当 时, ( ) , ( ) 值已经小于 。 据此可以预测, 第 年之前, 该滚动轴承的运 行性能正常, 振动最佳性能状态失效的可能性小; 第 年到第 年之间, 该滚动轴承的运行性能逐 渐变差, 振动最佳性能状态失效的可能性逐渐增 大; 到第 年, 该滚动轴承的运行性能变差, 振动 最佳性能状态失效的可能性增大。 根据上述分析, 在第 年末, 应当采取干预 措施, 对该滚动轴承进行维护或更换, 避免发生 因轴承振动最佳性能状态失效带来的严重安全 事故。 结束语 提出滚动轴承性能保持可靠性的新概念, 基 于最大熵原理, 建立性能保持可靠性评估模型。 通过试验证明, 该模型可以计算滚动轴承在未来 时间的摩擦力矩和振动性能保持的相对可靠度, 从而预测滚动轴承保持最佳摩擦力矩和振动性能 状态的失效程度。该可靠性评估模型无需样本概 率密度函数的任何先验信息, 也无需事先设定一 个置信度值。运用该模型可以在滚动轴承最佳性 能状态失效的可能性变大之前采取干预措施, 对 滚动轴承进行维护或更换, 避免发生严重的安全 事故。 参考文献: 徐永智,夏新涛用遗传变异法评估航天轴承摩擦 力矩 轴承, ( ) : , , , , ( ) : 夏新涛,徐永智,金银平,等用自助加权范数法 评估三参数威布尔分布可靠性的最优置信区间 航空动力学报, , ( ) : 邓爱民,陈循,张春华,等基于性能退化数据的 可靠性评估 宇航学报,( ) : 夏新涛,孟艳艳,邱明用灰自助泊松方法预测滚 动轴承振动性能可靠性的变异过程 机械工程 学报, , ( ) : 栗永非,时保吉滚动轴承振动速度的乏信息真值 估计 轴承, ( ) : 夏新涛,陈晓阳,张永振,等航天轴承摩擦力矩 的最大熵概率分布与 推断 宇航学报, ( ) : ( 编辑: 王玉良 ) ( 上接第 页) 吴盨, 赵海燕, 鹿安理, 等 低频交变磁处理降低钢材 内应力的微观机理 焊接学报, ( ): 景旭文, 唐馨如 提高刀具耐用度的磁处理技术研究 机械设计与制造, ( ) : 鹿安理,唐非,罗湘军,等一种降低残余应力的 新方法 脉冲磁处理法 中国机械工程, , ( ) : , , , : , , , , , ( ) : , , , , ( ) : , , , , , ( ) : 付宇明, 王三星, 郑丽娟 交变磁处理对金刚石锯片 性能的影响 金刚石与磨料磨具工程, , ( ): 杨清 脉冲电流对 钢组织及性能的影响 吉林: 吉林大学, 林健, 赵海燕, 蔡志鹏, 等 磁处理降低钢铁材料中残 余应力的研究现状及展望 材料工程, ( ) : 林健, 赵海燕, 蔡志鹏, 等 脉冲磁处理法降低工程结 构的焊接残余应力 清华大学学报( 自然科学 版) , , ( ) : 程晓宇, 王晓梅 残余应力的本质及其调整 全面 腐蚀控制, , ( ) : ( 编辑: 王玉良) 轴承
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