全陶瓷球轴承加工工艺与噪声特性

本书以全陶瓷球轴承加工工艺与噪声分析为重点，对全陶瓷球轴承 用工程陶瓷材料磨削加工的表面粗糙度、表面损伤与裂纹扩展、磨削模 型、磨削力、磨削加工工艺与优化，以及全陶瓷球轴承声辐射特性进行 了重点阐述，形成相对完善的全陶瓷球轴承加工工艺与辐射噪声特性模 型，并采用大量理论和试验图片，深入地论述了全陶瓷球轴承的产品性 能与技术特点。本书在全陶瓷球轴承的产品研发及其在工程上的应用研 究方面具有较高的理论价值和实际指导作用。
本书可供从事陶瓷轴承加工，特别是全陶瓷球轴承设计和制造工作 的工程技术人员参考，也可作为高等院校相关专业本科生、研究生的教 学参考用书。

“21世纪优选制造技术丛书”序
前言
第1章 绪论 1
1.1 全陶瓷球轴承简介 1
1.1.1 全陶瓷球轴承与工程陶瓷 1
1.1.2 氮化硅陶瓷材料 2
1.1.3 全陶瓷球轴承特性 5
1.2 全陶瓷球轴承制造及应用 7
1.2.1 氮化硅陶瓷材料的加工技术 7
1.2.2 全陶瓷球轴承的应用 15
1.3 全陶瓷球轴承用氮化硅磨削技术研究现状及发展趋势 15
1.3.1 氮化硅陶瓷磨削技术国内外研究现状 16
1.3.2 氮化硅陶瓷磨削技术发展趋势 18
1.4 全陶瓷球轴承振动与噪声研究现状及发展趋势 19
1.4.1 全陶瓷球轴承振动与噪声研究现状 19
1.4.2 全陶瓷球轴承振动与噪声研究发展趋势 24
第2章 用于陶瓷轴承的氮化硅的磨削力与表面形貌 27
2.1 概述 27
2.2 工程陶瓷磨削过程有限元仿真分析 27
2.3 有限元模型的建立 28
2.3.1 氮化硅陶瓷材料本构模型 28
2.3.2 金刚石磨粒有限元模型建立 30
2.3.3 仿真边界条件及相互作用定义 31
2.4 有限元仿真结果分析 32
2.4.1 磨削力仿真结果分析 32
2.4.2 表面形貌仿真结果分析 35
2.5 磨削力的试验研究 36
2.5.1 试验装置与检测设备 36
2.5.2 磨削力试验测量结果与分析 37
2.5.3 试验和仿真结果对比分析 40
2.6 表面形貌的试验研究与分析 41
2.6.1 试验检测设备 41
2.6.2 磨削参数对氮化硅陶瓷表面形貌的影响 42
2.7 本章小结 45
第3章 用于陶瓷轴承的氮化硅的裂纹扩展与表层损伤 46
3.1 概述 46
3.2 磨削加工裂纹的形成 46
3.2.1 磨粒压痕效应裂纹 46
3.2.2 不连续显微塑变裂纹 47
3.2.3 磨削热裂纹 48
3.3 氮化硅陶瓷裂纹扩展的试验研究 48
3.3.1 加工设备与材料 48
3.3.2 裂纹形成及扩展机理的试验研究 49
3.4 基于UDEC的氮化硅磨削裂纹扩展仿真研究 52
3.4.1 离散元法UDEC数值模拟 52
3.4.2 基于UDEC的氮化硅损伤模型 53
3.4.3 仿真结果分析 54
3.4.4 磨粒磨削深度对裂纹扩展影响机理 56
3.4.5 磨粒磨削速度对裂纹扩展影响机理 57
3.5 磨削参数及裂纹扩展对断裂应力的影响规律 58
3.5.1 试验原理与设备 58
3.5.2 试验结果分析 60
3.6 磨削后陶瓷残余应力的试验研究 62
3.6.1 残余应力的测量与分析 63
3.6.2 磨削对残余应力的影响及其分布规律研究 65
3.6.3 残余应力对氮化硅损伤的影响 68
3.7 本章小结 70
第4章 用于陶瓷轴承的氮化硅的磨削表面质量建模与优化 72
4.1 概述 72
4.2 磨削表面质量及其评价指标 72
4.2.1 表面质量与零件的使用性能 72
4.2.2 磨削表面质量评价指标 72
4.2.3 磨削表面质量的影响因素 73
4.3 算法简介 74
4.3.1 BP神经网络算法原理 74
4.3.2 PSO算法原理 75
4.3.3 PSO算法改进BP神经网络 75
4.4 基于PSO-BP的氮化硅表面粗糙度单因素数值拟合 77
4.4.1 砂轮线速度与表面粗糙度 77
4.4.2 磨削深度与表面粗糙度 78
4.4.3 工件进给速度与表面粗糙度 79
4.5 基于PSO算法的表面粗糙度多元模型优化与检验 79
4.5.1 模型的假设与求解 79
4.5.2 多元模型验证 81
4.6 基于PSO-BP的氮化硅磨削表面强度数值拟合 81
4.6.1 砂轮线速度与断裂应力 81
4.6.2 磨削深度与断裂应力 82
4.6.3 工件进给速度与断裂应力 83
4.7 基于PSO算法的断裂应力多元模型优化与检验 83
4.7.1 模型的假设与求解 83
4.7.2 多元模型验证 85
4.8 基于PSO算法的双目标优化 85
4.9 本章小结 86
第5章 氮化硅全陶瓷球轴承精密加工与检测 87
5.1 概述 87
5.2 氮化硅陶瓷轴承外圈精密加工工艺及分析 87
5.3 氮化硅陶瓷轴承外圈端面精密磨削 89
5.3.1 加工设备及卡具 89
5.3.2 端面精磨粗糙度的测量 90
5.3.3 端面精磨表面形貌的测量 92
5.4 氮化硅陶瓷轴承外圈内圆精密磨削 94
5.4.1 加工设备及磨具 94
5.4.2 很优工艺参数计算分析 95
5.4.3 内圆精磨磨削力的测量与分析 96
5.4.4 内圆精磨粗糙度的测量与分析 96
5.4.5 内圆精磨圆度的测量与分析 98
5.5 氮化硅陶瓷轴承外圈沟道精密磨削 99
5.5.1 金刚石磨具与卡具 99
5.5.2 精磨加工后沟道粗糙度的检测与分析 101
5.5.3 精磨加工后沟道圆度的检测与分析 102
5.6 氮化硅陶瓷轴承外圈沟道超精加工 104
5.6.1 超精加工设备 104
5.6.2 磨具及卡具 104
5.6.3 试验方案 106
5.6.4 试验结果与分析 106
5.7 氮化硅陶瓷球研磨机理 110
5.7.1 陶瓷球研磨成球的过程 110
5.7.2 陶瓷球研磨中运动规律分析 114
5.7.3 陶瓷球研磨的动力学分析 119
5.7.4 批量加工中陶瓷球坯的直径一致性 124
5.8 氮化硅陶瓷球研磨材料去除形式及表面缺陷 126
5.8.1 材料去除形式仿真 126
5.8.2 材料去除形式及表面缺陷试验 134
5.8.3 氮化硅陶瓷球研磨工艺试验 150
5.9 氮化硅全陶瓷球轴承检测 164
5.10 本章小结 166
第6章 全陶瓷球轴承辐射噪声模型 169
6.1 概述 169
6.2 全陶瓷球轴承组件相互作用分析 169
6.2.1 陶瓷球与套圈的作用分析 169
6.2.2 陶瓷球与保持架的作用分析 175
6.2.3 保持架与套圈的作用分析 176
6.3 全陶瓷球轴承动力学模型 178
6.3.1 陶瓷球的振动微分方程 179
6.3.2 保持架的振动微分方程 182
6.3.3 内圈的振动微分方程 183
6.3.4 外圈的振动微分方程 184
6.4 基于多声源法的全陶瓷球轴承辐射噪声模型 186
6.4.1 陶瓷球辐射噪声 186
6.4.2 轴承套圈辐射噪声 188
6.4.3 保持架辐射噪声 191
6.4.4 基于多声源法的辐射噪声模型 191
6.5 多声源辐射噪声模型的验证 193
6.5.1 全陶瓷球轴承辐射噪声计算 193
6.5.2 全陶瓷球轴承辐射噪声测试 194
6.5.3 试验结果与仿真结果对比分析 195
6.6 本章小结 196
第7章 全陶瓷球轴承辐射噪声声场分布特性研究 198
7.1 概述 198
7.2 声场的表征 198
7.2.1 声场的声压级 198
7.2.2 声场的指向性 199
7.2.3 声场的频率特性 200
7.3 全陶瓷球轴承辐射噪声声压级分布特性仿真分析 201
7.3.1 圆周方向的声压级分布特性仿真分析 202
7.3.2 径向方向的声压级分布特性仿真分析 204
7.3.3 轴向方向的声压级分布特性仿真分析 207
7.3.4 全声场声压级分布特性仿真分析 209
7.4 全陶瓷球轴承辐射噪声声场频谱特性仿真分析 212
7.4.1 圆周方向频率特性仿真分析 212
7.4.2 径向方向频率特性仿真分析 214
7.4.3 轴向方向频率特性仿真分析 216
7.4.4 全声场频率特性仿真分析 218
7.5 全陶瓷球轴承辐射噪声分布特性试验分析 220
7.5.1 全陶瓷球轴承辐射噪声测试试验 220
7.5.2 圆周方向的辐射噪声试验结果分析 223
7.5.3 径向方向的辐射噪声试验结果分析 227
7.5.4 轴向方向的辐射噪声试验结果分析 231
7.6 本章小结 235
第8章 服役条件对全陶瓷球轴承辐射噪声的影响研究 237
8.1 概述 237
8.2 转速对全陶瓷球轴承辐射噪声的影响分析 237
8.2.1 转速对圆周方向声场分布影响的仿真分析 238
8.2.2 转速对径向方向声场分布影响的仿真分析 241
8.2.3 转速对轴向方向声场分布影响的仿真分析 244
8.2.4 转速对全陶瓷球轴承声场分布影响的试验分析 247
8.3 预紧力对全陶瓷球轴承辐射噪声的影响分析 252
8.3.1 预紧力对全陶瓷球轴承声场分布影响的仿真分析 252
8.3.2 预紧力对全陶瓷球轴承声场分布影响的试验分析 257
8.4 供油量对全陶瓷球轴承辐射噪声的影响分析 262
8.4.1 供油量对全陶瓷球轴承声场分布影响的仿真分析 262
8.4.2 供油量对全陶瓷球轴承声场分布影响的试验分析 267
8.5 径向载荷对全陶瓷球轴承辐射噪声的影响分析 273
8.5.1 径向载荷对全陶瓷球轴承声场分布影响的仿真分析 273
8.5.2 径向载荷对全陶瓷球轴承声场分布影响的试验分析 275
8.6 特殊条件下全陶瓷球轴承辐射噪声特性分析 277
8.6.1 低速重载对全陶瓷球轴承辐射噪声影响分析 278
8.6.2 冲击载荷对全陶瓷球轴承辐射噪声影响分析 280
8.6.3 无润滑对全陶瓷球轴承辐射噪声影响分析 281
8.6.4 环境温度对全陶瓷球轴承辐射噪声影响分析 284
8.7 本章小结 286
第9章 数控机床全陶瓷球轴承电主轴辐射噪声研究 287
9.1 概述 287
9.2 数控机床全陶瓷球轴承电主轴的装配与拆卸及噪声分析 288
9.2.1 数控机床全陶瓷球轴承电主轴的拆装工艺 288
9.2.2 超低温无损伤装配工艺全陶瓷球轴承电主轴的辐射噪声分析 290
9.3 数控机床不同类型轴承电主轴辐射噪声比较 290
9.3.1 测试电主轴及试验设备 290
9.3.2 不同类型轴承电主轴辐射噪声测试试验方案 291
9.3.3 试验结果分析 291
9.4 数控机床全陶瓷球轴承电主轴磨削加工时的辐射噪声研究 297
9.4.1 数控磨床与测试电主轴介绍 297
9.4.2 磨削加工时的噪声测试试验方案 298
9.4.3 试验结果分析 299
9.5 本章小结 302
参考文献 303