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滚动轴承激光表面强化改性与微织构固体润滑复合技术研究

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摘要

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外的研究现状

1.2.1 激光表面淬火处理的研究现状

1.2.2 轴承自润滑技术的研究现状

1.2.3 织构表面润滑技术的研究现状

1.3 本课题主要研究内容和研究意义

1.3.1 研究内容

1.3.2 研究意义

1.4 本课题来源

第二章 固体润滑织构表面Hertz线接触分析

2.1 弹性半平面截面作用有法相载荷的问题

2.2 接触问题的基本方程

2.3 线接触问题中的弹性趋近量

2.4 固体润滑织构表面线接触问题中的弹性趋近量

2.4.1 弹性模量的基本理论

2.4.2 固体润滑织构面的等效弹性模量公式推导

2.4.3 固体润滑织构面的等效泊松比公式推导

2.4.4 固体润滑织构面线接触问题中的弹性趋近量公式推导

2.5 本章小结

第三章 钢的激光淬火工艺试验及显微组织分析

3.1 试验设备

3.1.1 激光淬火设备

3.1.2 显微组织观测设备

3.1.3 显微硬度检测设备

3.2 45#钢激光淬火工艺试验

3.2.1 试验准备

3.2.2 试验方法

3.2.3 激光功率对45#钢淬硬层深度和宽度的影响

3.2.4 激光扫描速度对45#钢淬硬层深度和宽度的影响

3.3 45#钢激光淬火硬化区的硬度分析

3.3.1 激光淬火硬化区的硬化层分布

3.3.2 硬度分布不均匀性

3.4 轴承钢激光淬火工艺试验

3.4.1 试验准备及方法

3.4.2 激光功率对轴承钢淬硬层深度和宽度的影响

3.4.3 激光扫描速度对轴承钢淬硬层深度和宽度的影响

3.4.4 轴承钢激光淬火硬化区的微观组织分析

3.5 本章小结

第四章 激光表面微织构固体润滑工艺试验研究

4.1 试验设备

4.1.1 微织构加工设备

4.1.2 表面三维形貌测量设备

4.1.3 试验的其他辅助仪器

4.2 试验材料及研究步骤

4.2.1 试样制备

4.2.2 试验的研究步骤

4.3 激光表面微织构的工艺试验研究

4.3.1 激光头离工件表面距离的影响

4.3.2 脉冲重复次数的影响

4.3.3 泵浦电流的影响

4.4 表面微织构复合固体润滑剂填充工艺研究

4.4.1 填充设备

4.4.2 填充工艺方案

4.4.3 填充效果分析

4.5 滚动轴承内圈表面激光微织构处理及润滑剂填充

4.5.1 滚动轴承内圈表面激光微织构处理步骤

4.5.2 滚动轴承内圈微织构表面固体润滑剂填充

4.6 本章小结

第五章 复合固体润滑剂的配方及滚动摩擦特性研究

5.1 实验方案

5.1.1 固体润滑材料的选取

5.1.2 实验准备

5.1.3 正交实验设计

5.2 实验数据分析

5.2.1 实验结果分析

5.2.2 摩擦系数非线性回归分析

5.3 复合固体润滑织构表面的摩擦特性研究

5.3.1 织构面固体润滑与织构面干摩擦的摩擦性能比较

5.3.2 载荷对摩擦系数的影响

5.3.3 转速对摩擦系数的影响

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 研究工作总结

6.2 研究工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文

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摘要

随着现代工业技术的发展,对滚动轴承适应苛刻工况的能力提出了越来越高的要求,流体润滑已经难以充分发挥润滑作用。而日益发展的微织构固体润滑技术为解决滚动轴承在特殊工况下的润滑问题提供了一种新的方法。本文通过激光表面淬火处理、激光微织构技术与复合固体润滑剂自润滑技术相结合,开展了滚动摩擦副的摩擦特性研究。
  首先,本文将圆柱滚子轴承作为研究对象,将其接触结构简化为夹在两个半空间之间的无限长圆柱体的接触问题,在光滑表面沿素线相互接触时的趋近量的基础上,针对滚动轴承固体润滑织构表面的结构特点,结合Voigt模型推导了固体润滑织构表面的等效弹性模量和等效泊松比公式,进而推导了固体润滑织构表面沿素线相互接触时的趋近量的计算公式。然后,本文利用光纤激光器分别对45#钢和轴承钢(GCr15)表面进行激光淬火工艺试验研究,着重考察了激光扫描速度、激光功率对淬硬层宽度和深度的影响,结合现代检测手段对激光淬火处理后的显微组织形貌、硬度及其分布进行分析。利用二极管泵浦Nd∶ YAG激光加工机对轴承钢进行激光微织构工艺试验。考察了激光头到工件表面距离、脉冲重复次数及泵浦电流对微凹腔深度和直径的影响规律。提出微织构表面固体润滑剂的“超声波-热压”填充工艺,通过三维形貌仪的观测,与现有工艺的填充效果进行比较,实现了微织构固体润滑剂的有效填充。采用较佳的工艺参数在滚动轴承内圈滚动表面进行激光织构化,并填充固体润滑剂,考察填充效果。采用正交分析的方法,以摩擦系数为评价指标,优化了复合固体润滑剂的配方。通过SPSS统计分析求得非线性回归方程。利用摩擦磨损试验机考察了织构面复合固体润滑剂的摩擦性能,并与微织构干摩擦做了对比,研究了载荷和转速对摩擦系数的影响规律。
  研究结果表明:激光淬火功率越大、扫描速度越低,淬硬层的宽度和深度就越大;淬硬层组织为针状马氏体,轴承钢激光淬火后的硬度比常规淬火提高了21%左右。随着激光头到工件表面距离的增大,微凹腔的深度与直径先增大后减小;随着脉冲重复次数的增加,微凹腔深度几乎呈线性增长,而直径略有下降;随着激光器泵浦电流的增大,微凹腔的直径与深度均相应增加。“超声波-热压法”填充工艺将单个微凹腔的填充率提高至98%,整个织构面的填充率接近100%。复合固体润滑剂的最佳配方为.:Gr、MoS2、PI=4∶1∶1,摩擦系数为0.02;在试验工况参数范围内,微织构固体润滑滚动摩擦系数随载荷、转速的增大呈减小趋势,且载荷对摩擦系数的影响大于转速的影响,同时也表明了微织构复合固体润滑技术在重载工况下能够发挥更好的减摩性能。

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