薄壁套圈的金刚石刀具低温精密切削基础研究

Thin-walled ring is a key part of high performance bearing for aerospace high-end equipment and industrial robots. Aiming at the problem of low finishing efficiency and instable surface quality of thin-walled ring, this project proposes a new high efficient technology of precision cutting of diamond micro-textured tools by using high pressure and cryogenic carbon dioxide as cutting medium. Based on the research of tribological properties of the tool-chip interface, the physical and chemical reaction principle and wear mechanism of diamond tool when cutting bearing steel in the medium of cryogenic carbon dioxide will be focused investigated. Meanwhile, through modeling simulation, theoretical analysis, cutting test and other means, the design method, preparation technology and tribological properties of micro-textured diamond tools for cryogenic cutting will be developed and studied as well as establishing and optimizing the cryogenic process system. In addition, this research will explore the influence of diamond type and processing parameters on the cryogenic cutting performance, and break technology barriers of cutting edge maintenance of diamond tool cutting bearing steel. Finally, the processing precision and control of surface integrity will be realized for the ring. To sum up, this project will form the basic theory and key technology of precision and efficient manufacturing of high performance bearing rings. The results of this research are of great significance to the development and production of high-performance bearing in China.

薄壁套圈是航空航天高端装备和工业机器人用高性能轴承的关键零件。针对薄壁套圈目前精加工效率低和表面质量不易控制等问题，本项目提出以低温二氧化碳为切削介质，采用表面织构化金刚石刀具高效精密切削的新技术。项目拟重点研究低温二氧化碳介质中金刚石刀具切削轴承钢的界面物理化学反应机制及磨损机理、多因素耦合下套圈表面质量与低温加工系统的映射规律等关键科学问题；同时，通过建模仿真、理论分析和切削试验等手段，研究面向低温切削的表面微织构化金刚石刀具设计方法、制备技术和摩擦学性能；建立并优化金刚石刀具切削套圈的低温工艺系统；探索金刚石种类和工艺参数对低温切削性能的影响规律；突破金刚石刀具切削轴承钢的刃口保持技术；实现套圈加工精度与表面完整性控制；形成高性能轴承薄壁套圈形性可控的精密高效制造基础理论和关键技术。本项目的研究对我国高性能轴承的研制与生产具有十分重要的意义。

航空航天和工业机器人等领域对高使役性能和长寿命运行的轴承具有重大需求，薄壁轴承套圈的高效高精密加工是其中的核心问题，本项目对其中的基础科学问题和关键技术进行了研究，提出了低温二氧化碳与超声振动相结合辅助微织构聚晶金刚石（PCD）刀具切削轴承套圈的加工工艺，通过切削实验验证了该工艺方法的优越性并探索了加工参数。项目主要工作内容如下：.（1）基于二氧化碳的热力学特性和实际工况，结合超声振动辅助切削工艺方法，将低温冷却装置和超声振动车削平台紧凑结合，搭建了低温冷却超声振动辅助车削平台，进行了液态二氧化碳内冷空化仿真和低温冷却实验，得到了低温二氧化碳的基本冷却特性与规律。进行了不同液态二氧化碳流量、进给量和切削速度条件下的PCD刀具切削轴承套圈的实验，研究了切削温度、工件表面粗糙度和刀具磨损的变化情况，并对低温加工参数和刀具的选择提出了合理的建议。.（2）通过有限元方法，研究了不同表面微织构对刀具应力和应变特性的影响。研究了激光功率、扫描速度、频率等工艺参数对微沟槽尺寸和表面形貌的影响，利用纳秒激光表面纹理化技术在PCD刀具表面制造了不同尺寸特性的微沟槽。在液态CO2作为冷却剂的条件下，对比研究了微沟槽PCD刀具和无织构的PCD刀具对轴承套圈硬车削实验的影响，分析了织构和切削参数对套圈表面粗糙度、残余表面应力的影响和不同切削长度下硬车削轴承套圈时的刀具磨损过程，验证了微沟槽织构PCD刀具在改善套圈加工质量方面的作用。.（3）进行超声振动低温车削仿真和相关试验，得到了优化后的冷却入口压力（1.4MPa）和切削速度的选择范围。研究了不同加工方式对套圈加工表面形貌和残余应力等的影响，在超声振动低温车削条件下，进行了不同切削参数的正交试验，得到了超声振动低温车削时合理的加工参数（切削速度选择20m/min，进给量选择0.015mm/r，切削深度选择0.08mm），获得了高表面质量的轴承套圈，形成了高表面质量轴承套圈表面的PCD刀具硬车削加工技术，证明了超声振动低温车削可有效抑制金刚石刀具的石墨化。