摘要
在轴承的制造加工工艺中，磨削加工是继热处理和车削之后的一个重要的工艺处理阶段，对轴承的表面质量和表面精度有着重要影响。常见的轴承加工工艺流程中，轴承需要经过粗磨、精磨两道磨削工序才能达到最终的表面质量要求。近年来，表面超声滚压技术由于加工过程中的诸多优点被广泛地用于改善、提升零部件的表面质量。本文将表面超声滚压技术引入到GCr15轴承钢工件的磨削工艺中，通过对比表面超声滚压技术对粗磨、精磨两种工件表面完整性和表面耐磨性的影响，分析了将表面超声滚压加工技术引入到现有轴承加工工艺中的可行性以及表面超声滚压技术在轴承磨削工艺中的合理引入次序。此外，针对上述研究目标，本文分析了表面超声滚压工艺参数对GCr15轴承钢表面性能的影响。通过响应曲面法建立了关于GCr15轴承钢表面力学性能的数学模型并对模型进行多目标优化，得到了一组表面超声滚压加工GCr15轴承钢工件的较优工艺参数。 本文的主要研究内容和结论包括： (1)对比粗磨、粗磨+精磨、粗磨+表面超声滚压、粗磨+精磨+表面超声滚压四种工艺组合的表面加工结果发现：相比于粗磨工艺处理的工件，粗磨+精磨工艺处理的工件的表面完整性和表面耐磨性得到了小幅改善、经过表面超声滚压处理的工件表面完整性和耐磨性得到大幅提高。表面超声滚压处理不会降低GCr15工件的表面形位精度，反而会在一定范围内优化工件的形位精度，提升工件的加工和装配质量。故表面超声滚压工艺对工件表面完整性和耐磨性的改善能力强于普通精磨工艺，在轴承制造过程中，可以通过与精磨削无关的超声滚压工艺来代替精磨工序，且被滚压工件表面质量更优。 (2)在采用表面超声滚压工艺处理的两个工件中，粗磨+精磨+表面超声滚压处理的GCr15轴承钢工件表面完整性指数略好于粗磨+表面超声滚压处理的GCr15轴承钢工件表面。两种工艺处理的GCr15轴承钢工件大部分表面完整性指标的改善幅度相差不超过4%。两种工艺处理的GCr15轴承钢工件的平均摩擦系数和磨损体积的差异分别仅为0.8%和1.3%。结合本研究所涉及的表面微观形貌和表面微观结构变化可以看出，粗磨+精磨+表面超声滚压的工艺方案虽然对表面完整性和摩擦学性能的改善效果略好于粗磨+表面超声滚压的工艺方案，但两者实际差距较小。与粗磨+精磨+表面超声滚压的工艺组合相比，粗磨+表面超声滚压的工艺组合由于减少了精磨工序，所以提高了整个表面强化过程的加工效率。因此，经过本文研究认为：粗磨+表面超声滚压的工艺组合是GCr15轴承钢表面强化研究中的一种较优的加工工艺方案。 (3)基于表面超声滚压技术，以表面超声滚压后的GCr15轴承钢表面粗糙度和表面硬度为响应目标，建立了表面超声滚压加工GCr15轴承钢的数学模型。通过对两个模型进行方差分析验证了模型的准确性和可靠性，并得到了超声滚压工艺参数对GCr15轴承钢表面粗糙度和硬度的显著性影响如下：静压力及滚压次数对表面硬度和表面粗糙度均有极显著影响；转速对两个响应的影响均不显著；粗糙度模型受到静压力和滚压次数双因子交互作用的影响，硬度模型没有受到交互作用的影响。根据每个工艺参数对表面性能影响的大小做出了影响程度的排序，糙度模型中各显著影响因子对表面粗糙度的影响程度排序为P2＞P＞T＞T2＞n2＞P*T；硬度模型中各显著影响因子对硬度的影响程度排序为P2＞P＞T2＞n2＞T＞f。对表面超声滚压数学模型进行多目标优化，得到了一组复合优化工艺参数：转速=207r/min,进给量=0.34r/mm,静压力=0.49MPa,滚压次数=3.46次。使用这一组工艺参数进行验证实验，证实了经过复合优化得到的工艺参数能够取得最佳表面质量。 (4)对比了两种滚压工具头在对GCr15轴承钢进行表面超声滚压时的加工效率和表面加工质量。结果证明：圆盘形滚压工具头对GCr15轴承钢的滚压加工效果要好于球形滚压工具头。
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