镜面钢球表面微小缺陷检测机构设计及其动力学特性

Steel ball,as the main parts of bearings, its surface defects cause bearing failure to 58.8% of total failure,which has become the important factors of bearing failure. At present, the inspection of surface defects still by artificial detection, the accuracy and stability are difficult to guarantee, meanwhile, it also brings enormous damage to the checkers' eyes. Therefore, it is an important problem to improve the inspection way to bearing industry. The surface of steel ball is very smoothly, in order to completely unfolding the surface, we need to study by crossovering and synthesizing on the dynamics and tribological. So, aiming at the problem that the surface tiny defects of steel ball need to be complete detected, research on the principle of the completely unfolded surface of steel ball, design a unwinding mechanism of the steel ball and establish a reasonable trajectory model of steel ball. Researching on the mechanism of surface friction and wear by single-factor tests, establish the optimal matching model of the driver surface. Analysising the alternating forces in the process of steel ball unfolding, establish the dynamics analysis contact-collision model between the high-speed rotating steel ball and the unwinding wheel. Research on the corresponding relation between the transformation of the steel ball size and the structure parameters of unwinding mechanism and establish the parametric design model of the unwinding mechanism of the steel ball, realizing the full surface inspection of the steel ball on differernt size and providing the theory basis and the technical support to the tiny defects detection system of the surface of steel ball.

钢球表面缺陷造成轴承失效占总失效的58.8%，已成为我国高速、高精度轴承使用的瓶颈。目前钢球表面缺陷检验仍采用人工目视，准确性、稳定性均难以保证，同时对检验人员眼睛带来极大的伤害，改善检验方式是轴承行业亟待解决的难题。钢球属光滑镜面，要保证钢球的全表面展开，需要从动力学和摩擦学等学科进行交叉综合研究，因此，针对钢球表面微小缺陷需要全检测的问题，研究镜面钢球全表面展开原理并对展开机构进行设计，建立合理的钢球运动轨迹模型；利用单因素试验法研究钢球与曲面接触摩擦磨损机理、材料属性及展开机构表面微观结构，确定摩擦副最优材料匹配模型；对钢球展开过程中的交变作用力进行分析，建立高速转动钢球和展开机构碰撞/接触动力学模型；研究钢球尺寸变化与展开机构结构参数相对应关系，建立展开机构的参数化设计模型，实现对不同型号钢球的全表面检测，为镜面钢球表面微小缺陷检测系统的实现提供理论依据和技术支持。

钢球是滚动轴承中基础零件，其表面质量对滚动轴承的使用性能、寿命、安全有着至关重要的影响，钢球在使用前需进行全面检测。因此，如何实现球面的全表面无损检测以及钢球检测系统的系列化应用，成为亟待解决的难题。针对上述问题，本项目主要围绕以下四个方面展开研究，钢球全表面展开原理和运动学分析、钢球与展开机构接触碰撞及动力学分析、球面与驱动面接触摩擦特性分析、钢球全表面检测机构设计及检测系统参数化设计。. 为实现钢球的全表面展开，提出了钢球做旋转运动和交替侧向翻转运动的全表面螺旋线展开理论，设计了实现全表面展开的倾斜轴空间锥面结构展开轮，并建立了钢球运动学轨迹模型；为进一步分析钢球与展开轮的接触碰撞特性，建立了接触碰撞刚体系统动力学模型、接触应力仿真系统及展开机构的运动微分方程，获得了钢球与展开轮接触碰撞动力学特性，确定了球面展开的不同影响因素；钢球检测机构驱动面的摩擦磨损性能直接影响检测精度，提出了钢球与展开轮接触过程的增摩降磨机理，建立了钢球与展开轮驱动面接触摩擦模型，设计并优选了驱动面表面微结构，得到了材料与微结构的最优匹配，达到了增摩降磨的效果，有效解决了因摩擦传动导致驱动面磨损使钢球无法全表面展开及钢球二次损伤问题；设计了钢球全表面检测机构，建立了钢球自动检测系统参数化模型，保证了不同型号钢球的全表面展开及表面质量检测，实现了钢球表面质量自动检测系列化应用。. 本研究设计了合理的钢球表面检测机构，实现了镜面钢球表面微小缺陷检测，同时达到检测效率最高；揭示了钢球与展开轮的接触摩擦机理，提高了钢球检测精度及展开轮使用寿命；建立了钢球表面检测机构的参数化设计模型，实现球面的全表面展开及不同型号钢球检测系统系列化应用，获得了展开轮倾斜角及驱动面结构参数等一系列关键数据，有效解决高精密轴承中钢球表面缺陷检测的技术难题为轴承钢球检测设备研制及其系统开发提供了理论依据和技术支持。