【正文】 物理化學行為及可控摩擦表面沉積過程，實現(xiàn)摩擦表面結(jié)構(gòu)重整、表面強化及表面微損傷自愈合的理論與方法。研究內(nèi)容：（1） 研究極端工況條件下軸承構(gòu)件表面潤滑膜生成與失效行為機制以典型精密、重載或高速軸承系統(tǒng)的潤滑材料為研究對象，根據(jù)其使役環(huán)境和特殊運行指標，在模擬服役速度、溫度、壓力、環(huán)境及隨機突變工況下等條件下，通過摩擦學試驗研究軸承表面層、潤滑介質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)及微納結(jié)構(gòu)對軸承摩擦界面潤滑膜形成與失效行為的影響規(guī)律；研究軸承表面與潤滑劑在摩擦過程中的物質(zhì)交換、分子生成及微結(jié)構(gòu)演化規(guī)律，在此基礎上得出多因素耦合作用下軸承界面物質(zhì)結(jié)構(gòu)演化過程以及軸承潤滑失效的材料學機制，為軸承表面的微納米結(jié)構(gòu)設計加工及潤滑劑的分子設計奠定理論基礎。（5） 真實條件下滾動軸承潤滑油膜的測量技術及相關機理研究開發(fā)能夠模擬真實工作條件下滾動軸承的潤滑油膜測量系統(tǒng)，在軸承系統(tǒng)中對滾動體與滾道間的潤滑過程進行直接觀察與測量。應用數(shù)值分析及實驗手段研究軸承中潤滑油膜的建立及行為特性，重點在于極度微量供油時不均勻或不連續(xù)油膜區(qū)的建立，過渡及保持。軸承在工作的動態(tài)過程中，潤滑狀態(tài)將隨工況參數(shù)的變化而發(fā)生轉(zhuǎn)變。該模型將可以同時處理不同的潤滑接觸區(qū)，包括表面直接接觸，將作為滾動軸承潤滑與摩擦機制研究的理論基礎。在這一類脈沖高速精密軸承中，極速工況下百分之百可靠性的要求對軸承的設計與制造及安裝提出極高的要求和技術上的挑戰(zhàn)，需要對整個軸承界面系統(tǒng)對工況的適應程度和工作機理以及失效機制進行深入的認識，包括急速啟停工況下的微接觸區(qū)域的變化規(guī)律、混合接觸、微觀界面幾何拓撲結(jié)構(gòu)設計與制造等對軸承性能的影響。（4） 真實工況試驗與理論預測有效結(jié)合及對軸承遠期性能發(fā)展的預測高速重載精密軸承通常工作在特定的真實工況下，其性能與失效模式往往不適合通過加速實驗方法進行壽命預測。復雜界面動態(tài)接觸理論與方法的發(fā)展為開展高重載精密滾動軸承失效機理認識提供科學的理論基礎?？紤]滾動軸承界面與結(jié)構(gòu)復雜性因素，特別是各種微觀尺度或隱含因素的影響，傳統(tǒng)的赫茲接觸模型和有限元方法的局限性已經(jīng)不能獨立用于微觀接觸機理問題及相關摩擦學行為問題的有效預測。本課題通過發(fā)展復雜界面系統(tǒng)耦合場相互作用下動態(tài)接觸理論及數(shù)值模擬技術，探索高速重載精密軸承復雜界面系統(tǒng)的表面幾何拓撲結(jié)構(gòu)、潤滑劑、軸承運動條件以及軸承材料的性能等因素對界面局部與整體動態(tài)接觸的影響規(guī)律；研究接觸區(qū)域演化，摩擦與磨損動態(tài)長期發(fā)展累加效應及其對界面耦合場動態(tài)演化的行為規(guī)律，為發(fā)展高速重載精密軸承設計、加工與應用技術提供理論基礎和科學依據(jù)。（2）技術層面n 軸承界面系統(tǒng)復雜性摩擦學行為大規(guī)模數(shù)值模擬技術；n 軸承組件控形控性制造技術：熱處理、表面改性、軋制、磨削工藝參數(shù)的精確控制；n 滾動軸承服役性能在線調(diào)控技術。參加單位在機械工程學科、材料學科以及相關領域擁有良好的研究平臺，擁有“機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室”、“國家軸承工程研究中心”、“國家快速制造工程技術研究中心”、“金屬材料強度國家重點實驗室”、“固體潤滑國家重點實驗室”、“先進潤滑與防護技術國防創(chuàng)新研究中心”“軸承研發(fā)中心”、“金屬基復合材料國家重點實驗室”、“材料復合新技術國家重點實驗室”、“車輛傳動國防科技重點實驗室”、“先進加工技術國防重點學科實驗室”等以及上海市“激光制造與材料表面改性實驗室”、山東省“機械設計與制造重點實驗室”、教育部“現(xiàn)代設計與轉(zhuǎn)子系統(tǒng)重點實驗室”、“強度與振動重點實驗室”。瓦軸將全力支持此項目的研究，并與研究單位緊密合作，并在精密重載軸承的試制，加工，加工工藝，試驗等方面提供配套人員與資金，共建企業(yè)高校研究合作機制。建成了國內(nèi)軸承行業(yè)一流的檢測試驗中心并通過國家實驗室的認可，國家級的企業(yè)技術中心在軸承行業(yè)綜合排名第一，具有雄厚的技術開發(fā)實力，具有較強的技術轉(zhuǎn)化機制和技術創(chuàng)新能力。此外，企業(yè)也將在技術轉(zhuǎn)化方面提供支持。2008 年集團公司實現(xiàn)銷售收入52 億元。同時，課題組在機械系統(tǒng)剛/柔性構(gòu)件的裝配連接工藝領域具有豐富的研究工作積累，近年來先后與國內(nèi)汽車、飛機制造企業(yè)就關鍵連接工藝參數(shù)對于零部件連接質(zhì)量的影響規(guī)律展開了合作研究，承擔了“復雜機械系統(tǒng)裝配基礎理論與質(zhì)量保障技術研究”國家重點基金項目，正在搭建軸承性能分析綜合實驗平臺，為軸承的裝調(diào)提供了研究基礎。在試驗條件方面，合作單位擁有數(shù)控強力成形磨床1臺，可使用三向壓電式磨削測力儀、熱電偶傳感器、紅外測溫儀、粗糙度檢測儀、掃描電子顯微鏡、金相顯微鏡、顯微硬度計、X射線衍射儀、殘余應力測量儀、光學顯微鏡以及NI公司的數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)等成套的測量儀器。結(jié)合以上項目研究，武漢理工大學在環(huán)件軋制技術領域發(fā)表研究論文60余篇，撰寫出版了《環(huán)件軋制理論和技術》專著，并參與了《中國材料工程大典》、《中國模具工程大典》、《鍛壓手冊》等環(huán)件軋制成形章節(jié)編寫。多項科研成果獲上海市科技進步獎、國家科技進步獎、上海發(fā)明專利獎等獎項。上海交通大學在利用激光進行表面改性技術方面有良好的研究基礎和技術積累。與此相呼應，潘健生院士所領導的課題組致力于將相變理論應用于熱處理工藝的基礎研究，在熱處理數(shù)學建模與計算機模擬、熱處理智能技術、鋼鐵化學熱處理領域達到國際先進水平，合作主篇的《鋼鐵熱加工模擬手冊》由國際熱處理與表面工程聯(lián)合會和CRC出版社在美國出版，曾獲國家科技進步二等獎，國家發(fā)明三等獎。中國科學院蘭州化學物理研究所固體潤滑國家重點實驗室擁有有關潤滑劑制備、表面微納米加工、表面沉積成膜等所需的制備、表征及性能研究的先進設備，有老、中、青合理搭配，具有豐富理論功底和研究經(jīng)驗的研究團隊，相關研究人員已在摩擦面精加工、先進表面自潤滑層構(gòu)筑、高性能潤滑劑設計制備方面積累的豐富的理論基礎與研究經(jīng)驗，近年來每年平均在相關領域發(fā)表研究論文一百多篇、申報國內(nèi)外發(fā)明專利二十多件，培養(yǎng)相關專業(yè)的博士碩士30 余名。 圖4 光彈流測試系統(tǒng)（左） 軸承油膜動態(tài)測量儀（右）（3）在潤滑介質(zhì)失效與新潤滑材料研究方面中科院蘭州化學物理研究所薛群基院士領導的研究團隊，立足于固體潤滑國家重點實驗室這一高水平研究平臺，長期致力于先進潤滑材料的基礎研究與高技術應用開發(fā)工作，當前已成為國內(nèi)該領域最有實力的研究團隊之一。圖4 為青島理工大學光彈流測試系統(tǒng)和軸承油膜動態(tài)測量系統(tǒng)。理論方面，青島理工大學摩擦學研究所在彈流基礎理論方面進行了大量系統(tǒng)的工作，建立的熱彈流表面溫度粘度楔理論在國際上享有較高聲譽。此外，課題組已進行了一些與粗糙度效應相關的潤滑模擬研究，部分工程表面的初步摩擦學實驗研究，以及初步發(fā)展的摩擦力統(tǒng)一計算模型，這些成果均是與本項目密切相關的前期研究積累。圖2 滾動軸承實驗臺:(左)自制實驗臺 (右)高速航空發(fā)動機軸承實驗臺（2）在潤滑及失效機理研究方面北京理工大學建有車輛傳動國防科技重點實驗室、先進制造技術國防重點學科實驗室、國防科技工業(yè)微細結(jié)構(gòu)加工技術研究應用中心、振動與噪聲控制實驗室、計算機應用與仿真實驗室等與該項目相關的實驗室。主要成果均發(fā)表在國際知名刊物上。近年來，承擔國家自然科學基金項目、國家自然科學基金重大項目、國家重大攻關項目、攀登計劃、973項目、863項目以及省部委及工業(yè)項目等20余項與軸承設計理論、動力學、摩擦學等相關的研究課題。2009年產(chǎn)值已達60億元,是從事各種高速重載軸承生產(chǎn)的國家企業(yè),建設有先進軸承技術室,其定位是集成國內(nèi)外軸承研究力量,形成高速重載精密軸承創(chuàng)新基地與技術集成平臺,提升中國軸承工業(yè)水平及尖端軸承技術水平研發(fā)水平，資助部分基地實驗、軸承研發(fā)試制及技術的工業(yè)化開發(fā)。研究多場耦合作用下潤滑動態(tài)接觸問題的機理，闡明制造過程軸承組件幾何精度和基體組織遺傳演化規(guī)律,揭示服役工況下軸承服役性能創(chuàng)成機理，期望在關鍵基礎理論和關鍵技術研究方面實現(xiàn)重大的突破,在核心技術上獲得足夠的提升，為我國高端軸承自主設計與制造提供理論支持和技術保障，從而突破我國重大裝備關鍵軸承系統(tǒng)依賴于進口的瓶頸問題。利用此模型進行反演計算方法研究，獲得對軸承組件的精度設計；同時利用現(xiàn)代優(yōu)化算法及精心設計的預緊力調(diào)整機構(gòu)，實現(xiàn)對預緊力的實時在線調(diào)控，以保證軸承的服役性能滿足服役環(huán)境的要求。（6）在軸承服役性能控制方面首先利用有限元方法和接觸力學的相關理論,研究在裝配力作用下滾動軸承各組件宏微觀幾何特征在多結(jié)合面間的傳遞及累積規(guī)律,建立對軸承裝配體精度的基本分析方法。通過軸承滾道軋制成形數(shù)值模擬和實驗測試，揭示軋制過程條件、宏觀精度、微觀組織相互作用規(guī)律，提出軸承滾道幾何精度和組織性能控制成形工藝規(guī)劃與優(yōu)化方法。最后，通過表面激光熔覆、感應加熱表面淬火等技術，形成表面高強韌的馬氏體組織和具有良好韌性的基體組織相結(jié)合的復相組織；采用智能脈沖控制的真空滲碳和滲氮新技術，提高材料表面的硬度和耐磨性，又能有效控制滲碳和滲氮過程中可能的氧化問題，提高軸承組件的接觸疲勞壽命。（4）在軸承材料熱處理工藝與組織性能調(diào)控方面首先，根據(jù)軸承組件的組織設計和淬透性要求，在QPT熱處理新工藝研究成果基礎上，借助JMatPro和ThermoCalc等軟件微調(diào)現(xiàn)有高碳和滲碳軸承鋼的成分，熔煉材料，控制O和Ti的總含量在10ppm以下。同時發(fā)展基于多光束干涉法的軸承接觸副表面潤滑介質(zhì)分布的測量方法，實現(xiàn)軸承油膜特性和潤滑介質(zhì)分布的動態(tài)測量。通過建立滾動軸承摩擦力與磨損測試試驗臺，驗證動態(tài)接觸理論與磨損預測模型。在此基礎上，建立在耦合磨粒的潤滑條件下的接觸理論與材料表面損傷、失效的理論模型及預測方法。在滾動軸承基礎理論研究成果上，課題將結(jié)合國內(nèi)重大裝備制造業(yè)（高速鐵路、高檔數(shù)控機床）的重要需求，開發(fā)高速重載精密高性能軸承的技術原型。三、研究方案1) 學術思路如圖1所示，本項目以解決重載高速精密滾動軸承的基礎問題、形成若干具有自主知識產(chǎn)權(quán)的核心技術為目標，重點圍繞三個關鍵科學問題開展多學科交叉基礎研究，在高性能滾動軸承共性基礎理論取得突破后，提出軸承設計、制造、裝調(diào)等核心技術問題的解決方法，發(fā)展具有自主知識產(chǎn)權(quán)的關鍵制造技術原型，形成我國高性能滾動軸承的自主原創(chuàng)性成果。2) 五年預期目標：圍繞復雜工況下高性能軸承關鍵科學問題，發(fā)展基礎理論、核心技術，獲得有國際影響的創(chuàng)新性研究成果，為我國軸承技術的發(fā)展奠定堅實的理論與人才基礎，主要預期目標包括：（1）理論層面l 揭示高速重載精密軸承多場耦合作用下動態(tài)接觸行為對界面演化過程影響的科學本質(zhì)，建立新的考慮宏微觀特征的接觸力學理論；l 建立滾動軸承運動副界面多因素耦合潤滑分析模型，揭示高速重載滾動軸承的熱失穩(wěn)機制；l 揭示軸承多重潤滑膜生成與失效機理，建立極端條件及多變工況中潤滑材料性能優(yōu)化及可靠性增長的相關理論；l 發(fā)展基于熱力學、動力學和晶體學的微觀組織調(diào)控基礎理論；l 揭示軸承滾道軋制過程中組織狀態(tài)遺傳演化機理，建立高性能軸承基體組織和滾道表面狀態(tài)可控性軋制成形理論；l 揭示復雜工況下滾動軸承服役性能創(chuàng)成機理。通過本項目研究，提升我國高速重載精密軸承設計制造的自主創(chuàng)新能力，為我國軸承工業(yè)提供原創(chuàng)性核心技術和若干高性能軸承技術原型，培養(yǎng)一批理論基礎深厚、創(chuàng)新能力強的學術帶頭人和研究骨干，形成一支朝氣蓬勃的研究團隊，建立軸承創(chuàng)新研究平臺，顯著提升我國軸承設計制造的技術水平，解決我國重大裝備制造對高性能軸承需求的瓶頸問題。組成一支富有拼搏意識、創(chuàng)新能力強的研究隊伍，培養(yǎng)博士后、博士和碩士90名左右。通過構(gòu)建采用新技術、新原理和新思路的高性能滾動軸承實驗方法和測試平臺，采集軸承服役過程中軸承狀態(tài)信息，構(gòu)建狀態(tài)信息數(shù)據(jù)庫，并采用有效數(shù)據(jù)處理方法，分析滾動軸承服役過程中各組件、各耦合場的物理與化學行為特征；同時，從若干力學的基本方程，結(jié)合適當?shù)臄?shù)學方法，建立復雜工況作用下的軸承制造與服役過程的數(shù)學、力學行為描述模型，利用專業(yè)或開發(fā)的分析軟件，實現(xiàn)對軸承制造與服役過程中各種現(xiàn)象和行為的仿真與分析，深入系統(tǒng)全面地開展理論與實驗的比較研究，建立完整的數(shù)據(jù)系統(tǒng)，采取正問題和反問題結(jié)合的方法，完成本項目的研究。揭示高速重載界面系統(tǒng)摩擦、磨損機理及對界面耦合場長期發(fā)展演化的影響。另一方面，建立考慮循環(huán)載荷或潤滑溫升影響的滾動軸承損傷過程數(shù)學模型及斷裂損傷過程的數(shù)學模型，根據(jù)軸承接觸疲勞性能，綜合運用摩擦學原理和潤滑理論提出一種應力破壞累積計算方法，通過試驗驗證該壽命模型。通過模擬實驗，獲得表面粗糙度、溫升等對潤滑性能的影響規(guī)律，進而考察潤滑膜熱失效的發(fā)生、表面膜的吸附和解附以及對摩擦系數(shù)的影響，從而實驗確定油膜破壞的臨界溫度。（3）在軸承多重潤滑膜生成機理方面首先，基于先進的氣相薄膜沉積技術與表面加工技術，研究極端尺寸軸承表面高硬度低摩擦一體化表層的制備方法，分析復雜型面加工精度、表面粗糙度和宏微觀多尺寸的影響規(guī)律，構(gòu)筑軸承構(gòu)件表面微納復合結(jié)構(gòu)固體潤滑薄膜；其次，設計制備極端條件適應性和表面損傷自修復性的先進潤滑劑，發(fā)展具有優(yōu)異抗磨性能及一定摩擦環(huán)境自適應的多尺度織構(gòu)化復合薄膜體系的構(gòu)筑方法，研究薄膜體系微結(jié)構(gòu)與性能關系的尺度效應，揭示特定環(huán)境下膜層自適應與低環(huán)境敏感性行為特征；然后，從分子層次和材料功能組合及復合化層次開展軸承固液復合潤滑的設計與制備，構(gòu)筑固液復合潤滑體系，發(fā)展可適應極端服役條件的軸承復合潤滑材料；進而，提升分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及理化性能，充份利用物質(zhì)流變行為與穩(wěn)定性的調(diào)控及摩擦表面效應的控制，研究微觀結(jié)構(gòu)對潤滑材料性能的影響和高速重載精密軸承系統(tǒng)固液耦合多重潤滑體系的設計及服役行為；最后，在模擬服役環(huán)境及隨機突變工況下開展摩擦學試驗，研究軸承表面層及潤滑介質(zhì)分子結(jié)構(gòu)及微納結(jié)構(gòu)的摩擦物理化學老化及破壞規(guī)律，研究軸承表面與潤滑劑在摩擦過程中的物質(zhì)交換、分子生成及微結(jié)構(gòu)演化規(guī)律，復雜運動條件下軸承表面界面材料分子及微納結(jié)構(gòu)演化規(guī)律，探索多因素耦合作用下軸承界面物質(zhì)結(jié)構(gòu)演化過程以及軸承潤滑失效的材料學機制。第三，用熱機械模擬實驗等測量熱處理工藝數(shù)值模擬的邊界條件，應用現(xiàn)有軟件建立新型QPT熱處理和精準滲碳、滲氮過程的數(shù)值模擬模型，計算機數(shù)值模擬軸承鋼材料熱處理過程中的成分分布、殘余應力分布及其組織演變規(guī)律，實現(xiàn)軸承熱處理的計算機模擬和工藝優(yōu)化。通過軋制塑性變形熱力耦合建模和數(shù)值模擬，揭示滾道軋制過程中基體晶粒、晶界、碳