鐵姆肯Timken公司運用量子手段控制軸承內部應力

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

       的軸承制造商鐵姆肯公司將量子力學(xué)的研究方法應用到軸承的研發(fā)之中。

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

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

       軸承的制造精度高，公差小，配合，在負荷和長(cháng)期使用和操作下，具有較長(cháng)的設計壽命。在安全至關(guān)重要的航空航天和采礦領(lǐng)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(lái)很大影響。

     鐵姆肯公司的材料專(zhuān)家VikramBedekar說(shuō)：“殘余應力主要由制造過(guò)程產(chǎn)生。包括成型和高溫加工在內的所有生產(chǎn)工藝都會(huì )產(chǎn)生殘余應力。如果應力過(guò)大，零件會(huì )變形，甚至可能使部件扭曲到無(wú)法使用或恢復。”

       一般來(lái)說(shuō)，軸承的制造從把鋼材制成一個(gè)環(huán)開(kāi)始。接下來(lái)，使用車(chē)床獲得所需的尺寸。貝德卡說(shuō)，到這里為止，這部分仍然是“綠色”的，這意味著(zhù)它仍然是軟的，還不能使用。之后的熱處理才使材料硬化。后，使用車(chē)床或磨床去除多余的材料完成零件。

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*信息。此前，研究人員利用實(shí)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(guān)察軸承的全部。

      “標準的X光強度不足以從一個(gè)部分*穿透。中子是可以看到完整內部的途徑。”Bedekar說(shuō)

      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(guò)程中每個(gè)步驟產(chǎn)生的不同內部應力。中子數據使他們能夠觀(guān)察軸承的應力狀態(tài)如何隨著(zhù)每次迭代而變化。研究人員說(shuō)他們選擇使用NRSF2是因為它適合這類(lèi)實(shí)驗的*能力。

     Timken的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)專(zhuān)家RohitVoothaluru說(shuō)：“我們在尋求利用殘余應力圖的方法。我們之所以來(lái)到NRSF2，是因為我們覺(jué)得可以找到同類(lèi)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(jìn)計算模型，以改進(jìn)內部應力預測和優(yōu)化制造工藝。

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

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

       HFIR是美國能源部科學(xué)用戶(hù)設施辦公室。UT-Battelle為能源部科學(xué)辦公室管理ORNL?？茖W(xué)辦公室是美國物理科學(xué)基礎研究的大單一支持者，正在努力解決我們這個(gè)時(shí)代緊迫的一些挑戰。