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鐵姆肯公司運用量子手段控制軸承內部應力

  2019年01月14日  

  量子力學是現代物理學的理論基礎之一,是研究微觀粒子運動規律的科學,使人們對物質世界的認識從宏觀層次跨進了微觀層次,對物質的結構以及其相互作用的見解被革命化地改變,為包括原子物理、核物理、分子生物學、非線性光學等現代基礎理論研究奠定了基礎。

  全球領先的軸承制造商鐵姆肯公司將量子力學的研究方法應用到軸承的研發之中。

  Timken的研究人員VikramBedekar(左)和Rohit Voothaluru致力于通過在HFIR的HB-2B上使用中子來改進軸承制造工藝。

  在美國能源部(DOE’s)橡樹嶺國家實驗室(ORNL),鐵姆肯公司的研究人員希望通過使用中子散射技術更好地了解制造過程中產生的內部殘余應力如何影響軸承壽命,從而找到延長軸承壽命的方法。

  軸承的制造精度高,公差小,配合完美,在極端負荷和長期使用和操作下,具有較長的設計壽命。在安全至關重要的航空航天和采礦領域,軸承性能尤為重要。殘余應力雖是材料結構中較小的內部彈性變形,對軸承的壽命和可靠性卻可能帶來很大影響。

  鐵姆肯公司的材料專家VikramBedekar說:“殘余應力主要由制造過程產生。包括成型和高溫加工在內的所有生產工藝都會產生殘余應力。如果應力過大,零件會變形,甚至可能使部件扭曲到無法使用或恢復。”

  一般來說,軸承的制造從把鋼材制成一個環開始。接下來,使用車床獲得所需的尺寸。貝德卡說,到這里為止,這部分仍然是“綠色”的,這意味著它仍然是軟的,還不能使用。之后的熱處理才使材料硬化。最后,使用車床或磨床去除多余的材料完成零件。

  工業應用中常使用的大尺寸的Timken?軸承。因為中子具有很強的穿透性,它們能比類似的方法,如X射線,更深入地滲透至金屬內部。每個軸承的殘留應力來自制造過程中的不同步。(圖片來源:ORNL/Genevieve Martin)

  由于中子具有很強的穿透性,可為研究人員提供材料原子結構的獨特信息。此前,研究人員利用實驗室X光檢查軸承,但研究人員只能探測軸承內部200微米的厚度。中子使他們能夠更深入地觀察軸承的全部。

  “標準的X光強度不足以從一個部分完全穿透。中子是唯一可以看到完整內部的途徑。”Bedekar說

  利用ORNL的高通量同位素反應堆(HFIR)的中子殘余應力繪圖設備(NRSF2)HB-2B,研究人員能夠繪制出制造過程中每個步驟產生的不同內部應力。中子數據使他們能夠觀察軸承的應力狀態如何隨著每次迭代而變化。研究人員說他們選擇使用NRSF2是因為它適合這類實驗的獨特能力。

  Timken的產品開發專家RohitVoothaluru說:“我們在尋求利用殘余應力圖的方法。我們之所以來到NRSF2,是因為我們覺得可以找到同類樣品的整體情況并看到殘余應力。”

  該小組表示,他們打算利用殘余應力映射數據改進計算模型,以改進內部應力預測和優化制造工藝。

  Bedekar表示:“最終,我們可以根據不同軸承的性能來調整加工工藝或殘余應力。”

  “我們今天有一個計算模型可以定性地提供方向。但是,要建立一個更為基本的、基于實際物理工藝的定量模型,同時還要捕捉實時的次表層殘余應變,需要大量的經驗驗證。我們希望驗證我們的模型并將其提升到一個新的級別。”Voothaluru說。

  HFIR是美國能源部科學用戶設施辦公室。UT-Battelle為能源部科學辦公室管理ORNL。科學辦公室是美國物理科學基礎研究的最大單一支持者,正在努力解決我們這個時代最緊迫的一些挑戰。

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