.400 北京科技大学学报 第29卷 A、B、C、D点的位置都位于模型中心线上，A点位 的影响，对整个部件的尺寸稳定性也有很大的作用 于滚珠下方和轴承钢硬化层表面接触的位置；B点 图6是轴承钢硬化层在不同厚度下，模型滚珠上平 位于轴承钢和镍层交界的位置：C点位于镍和铜层 面向下的位移情况， 交界的位置；D点位于铜和钛合金交界的位置， 1.7H dD/ 5 4 ◆A点值+D点值 一B点值最大值 ·C点值 硬化层厚度mm 00 硬化层厚度/mm 图5硬化层不同厚度下的最大剪切应力分布 Fig.5 Curve of maximal shear stress at different positions with 图4硬化层不同厚度时各位置的等效应力分布 hardened layer thickness Fig-4 Curves of equivalent stress at different positions with hard- ened layer thickness 60 由图4分析可以看出：C点和D点的等效应力 且56 都是逐步减少的，B点的等效应力以及最大等效应 54 力变化都是由小变大然后再变小，在0.25mm左右 时候达到最大值，然后值逐渐减少趋于一稳定值， 50 硬化层厚度/mm 硬化层厚度在0.10~0.50mm范围时，最大等效应 力分布在铜镍中间层之间，由于铜镍的强度相对于 图6硬化层不同厚度下模型的位移变化 轴承钢来说要小，如果硬化层厚度在这个范围，那么 Fig.6 Curve of simulated displacement with hardened layer thick- 整个部件的最大等效应力就分布在了钛合金扩散焊 ness 接部件的最薄弱的环节，所以说这个厚度范围是应 由图6可以看出：随着硬化层厚度的不断增加， 当避免的.当硬化层厚度增加到0.50mm以上时， 模型滚珠上平面向下的位移逐步减少；当硬化层厚 B、C、D点的等效应力都是逐步减小的，所以从这个 度增加到2.00mm时，模型的位移量变化很小.如 角度考虑，整个轴承钢硬化层厚度应该大于 果从部件的尺寸稳定性来考虑，硬化层的厚度是越 0.50mm,A点是轴承钢表面的受力分布，可以看出 厚越好.但是由上面分析可以看出，硬化层越厚部 表面的受力是随着硬化层厚度的增加而逐步增加， 件的质量越大，表面的应力也越大，另外当硬化层厚 如果轴承钢表面受力过大，在实际磨损过程中部件 度超过2.00mm时，部件的尺寸变化量不是太大， 容易发生点蚀现象，所以轴承钢的厚度不能太厚，综 所以综合起来考虑，硬化层的厚度以不超过 合起来考虑1.00~2.00mm为最佳值. 2.00mm为宜， 图5是轴承钢硬化层不同厚度下的最大剪切应 4 力分布.由图可以看出最大剪切应力的分布与最大 结论 等效应力的分布较类似，当硬化层厚度很薄时剪切 (1)采用ANSYS有限元软件，对钛合金表面扩 应力较小，然后随着厚度的增加其值也逐步变大，当 散焊接轴承钢硬化层在受压情况下的应力分布进行 硬化层厚度为0.25mm时候达到最大，然后随着硬 了分析，以此对轴承钢硬化层的厚度进行了模拟， 化层厚度的增加最大剪切应力逐步降低，为了避免 (2)当轴承钢硬化层厚度在0.10~0.50mm之 大的剪切应力，轴承钢的厚度应该大于0.50mm, 间时，最大等效应力发生在镍和铜之间，容易引起界 部件受到的剪切应力越小，在实际应用中纳米镍硬 面处的裂纹产生 化层越不易脱落；但是并不是说硬化层厚度越厚越 (3)轴承钢硬化层厚度的增加有利于部件整体 好，当硬化层厚度太厚时，整个部件的质量大幅度增 的尺寸稳定性，但会相应增加部件的质量， 加，就失去了钛合金比强度高的优点 (4)从应力分布情况看，合适的轴承钢硬化层 3.2尺寸稳定性分析 厚度范围为1.00~2.00mm,最佳的厚度为 不同厚度的硬化层不仅仅对部件的应力有很大 1.50mm左右，A、B、C、D 点的位置都位于模型中心线上．A 点位 于滚珠下方和轴承钢硬化层表面接触的位置；B 点 位于轴承钢和镍层交界的位置；C 点位于镍和铜层 交界的位置；D 点位于铜和钛合金交界的位置． 图4 硬化层不同厚度时各位置的等效应力分布 Fig．4 Curves of equivalent stress at different positions with hard￾ened layer thickness 由图4分析可以看出：C 点和 D 点的等效应力 都是逐步减少的．B 点的等效应力以及最大等效应 力变化都是由小变大然后再变小‚在0∙25mm 左右 时候达到最大值‚然后值逐渐减少趋于一稳定值． 硬化层厚度在0∙10～0∙50mm 范围时‚最大等效应 力分布在铜镍中间层之间‚由于铜镍的强度相对于 轴承钢来说要小‚如果硬化层厚度在这个范围‚那么 整个部件的最大等效应力就分布在了钛合金扩散焊 接部件的最薄弱的环节‚所以说这个厚度范围是应 当避免的．当硬化层厚度增加到0∙50mm 以上时‚ B、C、D 点的等效应力都是逐步减小的‚所以从这个 角度 考 虑‚整 个 轴 承 钢 硬 化 层 厚 度 应 该 大 于 0∙50mm．A 点是轴承钢表面的受力分布‚可以看出 表面的受力是随着硬化层厚度的增加而逐步增加． 如果轴承钢表面受力过大‚在实际磨损过程中部件 容易发生点蚀现象‚所以轴承钢的厚度不能太厚‚综 合起来考虑1∙00～2∙00mm 为最佳值． 图5是轴承钢硬化层不同厚度下的最大剪切应 力分布．由图可以看出最大剪切应力的分布与最大 等效应力的分布较类似‚当硬化层厚度很薄时剪切 应力较小‚然后随着厚度的增加其值也逐步变大‚当 硬化层厚度为0∙25mm 时候达到最大‚然后随着硬 化层厚度的增加最大剪切应力逐步降低．为了避免 大的剪切应力‚轴承钢的厚度应该大于0∙50mm． 部件受到的剪切应力越小‚在实际应用中纳米镍硬 化层越不易脱落；但是并不是说硬化层厚度越厚越 好‚当硬化层厚度太厚时‚整个部件的质量大幅度增 加‚就失去了钛合金比强度高的优点． 3∙2 尺寸稳定性分析 不同厚度的硬化层不仅仅对部件的应力有很大 的影响‚对整个部件的尺寸稳定性也有很大的作用． 图6是轴承钢硬化层在不同厚度下‚模型滚珠上平 面向下的位移情况． 图5 硬化层不同厚度下的最大剪切应力分布 Fig．5 Curve of maximal shear stress at different positions with hardened layer thickness 图6 硬化层不同厚度下模型的位移变化 Fig．6 Curve of simulated displacement with hardened layer thick￾ness 由图6可以看出：随着硬化层厚度的不断增加‚ 模型滚珠上平面向下的位移逐步减少；当硬化层厚 度增加到2∙00mm 时‚模型的位移量变化很小．如 果从部件的尺寸稳定性来考虑‚硬化层的厚度是越 厚越好．但是由上面分析可以看出‚硬化层越厚部 件的质量越大‚表面的应力也越大‚另外当硬化层厚 度超过2∙00mm 时‚部件的尺寸变化量不是太大． 所以 综 合 起 来 考 虑‚硬 化 层 的 厚 度 以 不 超 过 2∙00mm为宜． 4 结论 （1） 采用 ANSYS 有限元软件‚对钛合金表面扩 散焊接轴承钢硬化层在受压情况下的应力分布进行 了分析‚以此对轴承钢硬化层的厚度进行了模拟． （2） 当轴承钢硬化层厚度在0∙10～0∙50mm 之 间时‚最大等效应力发生在镍和铜之间‚容易引起界 面处的裂纹产生． （3） 轴承钢硬化层厚度的增加有利于部件整体 的尺寸稳定性‚但会相应增加部件的质量． （4） 从应力分布情况看‚合适的轴承钢硬化层 厚 度 范 围 为 1∙00～2∙00 mm‚最 佳 的 厚 度 为 1∙50mm左右． ·400· 北 京 科 技 大 学 学 报 第29卷