CN104662311A - 使用各向同性修整和薄膜涂层的轴承的再制造 - Google Patents

Abstract

一种用于处理轴承部件(39)以延长其使用寿命的方法和系统，该方法和系统包括使用轴承组件(1)中的部件(39)至其初始使用寿命的一部分，并且然后将部件(39)从轴承组件(1)中移除。对移除的部件(39)的表面进行各向同性修整，在此之后将防护磨损涂层涂覆到部件(39)的表面。一旦完成处理，再安装使用过的轴承部件(39)以便于使用。

Description

使用各向同性修整和薄膜涂层的轴承的再制造

技术领域

本发明涉及轴承组件修复，并且更具体地涉及结合使用各向同性修整和薄膜涂层再制造轴承元件的系统和方法。

背景技术

在工业和运输过程中，摩擦是恒定的危害，并且长期以来减少摩擦影响的主要工具是轴承组件。轴承具有许多形状，包括滚珠轴承、滚子轴承、滚针轴承等等。轴承所提供的主要优点是将其他情况下是高摩擦滑动界面转换成低摩擦滚动界面。

然而，尽管轴承可有助于减少摩擦，但轴承组件(滚动元件和座圈)仍然受到某种程度的磨损。正因为如此，必须周期性地替换或修复轴承。尽管在一些处理或重新润滑之后可以再使用轴承组件的某些部分，但通常丢弃并且替换滚动元件本身。例如，参见转让给Timken的美国专利7,591,107，其描述了通过丢弃并且替换使用过的座圈和滚动元件对使用过的轴承组件进行修复。

从经济的角度来看，优先的选择确实是替换而不是修复小型轴承元件；然而，大型轴承元件意味着在材料成本和劳动力方面更大的投资，并且丢弃和替换此类大型部件可变得过分昂贵。

除在替换轴承元件中所包括的材料和劳动力成本之外，仅依赖于替换还可使制造商或用户面临供应链中断的风险。尽管有时可能在修复期间简单保持滚动元件，但滚动元件已减少的使用寿命和随后的拆卸成本经常一起使这种选择在经济上难以实施。

代替用于修复此类滚动元件的成功策略，人们已经做出许多尝试以加强新的轴承。例如，也转让给Timken的美国专利5,503,481提出了用于延长轴承部件使用寿命的各向同性抛光工艺。在‘481专利中描述的工艺是多步骤抛光工艺，其增加表面光滑度并且因此减少摩擦和转矩。然而，一旦滚动元件已经磨损，‘481专利就不能对它们进行修复。正因为如此，根据‘481专利的修复将可能以与来自相同代理人的同时期的‘107专利相同的方式进行，即，丢弃和替换滚动元件。

本发明涉及解决一个或多个上述阐述的问题的系统和方法。然而，应该清楚，任何特定问题的解决方案均非对该发明范围或随附权利要求的限制除非明确地表明。另外，除另外清楚表明之外，包括在该背景部分中的任何问题或解决方案均并非指示该问题或解决方案代表已知的现有技术。

发明内容

根据本发明的一方面，提供了用于处理第一轴承组件的部件的方法，所述部件具有初始使用寿命，该方法包括，使用轴承组件中的部件至其初始使用寿命的大部分，将该部件从轴承组件中移除，对移除的部件的表面进行各向同性修整，在各向同性修整之后，将防护磨损涂层涂覆到部件的表面，并且将涂覆的部件安装在第二轴承组件中。

根据本发明的另一方面，提供用于延长轴承组件的部分使用部件的使用寿命的方法。该部件的初始使用寿命短于初始各向同性修整防护涂覆部件的使用寿命。该方法包括对部分使用的部件的表面进行各向同性修整，并且将防护磨损涂层涂覆到部分使用的部件的表面。这样，部件的整体使用寿命基本上等于初始各向同性修整的防护涂覆部件的使用寿命。

根据本发明的另一方面，提供已修复的轴承组件。已修复的轴承组件包括轴承座圈和已修复的轴承滚子元件。通过使用已修复的轴承滚子元件至长于其初始使用寿命的50％，接着进行各向同性修整、涂覆以及到安装到轴承组件以对其进行处理，使得已修复的轴承滚子元件在轴承组件中显示出低于由初始各向同性修整的和涂覆的轴承滚子元件所显示的磨损率。

通过与所包含的附图结合阅读以下详细的发明，所公开系统和原理的其他特征和优点将变得显而易见。

附图说明

图1为滚子轴承组件的简化剖视图和安装环境，在该安装环境中可以实施所公开原理的一个或多个实施例；

图2为示出涂覆的滚子元件和未涂覆的滚子元件两者的通常寿命磨损曲线的寿命曲线图；

图3为示出涂覆的滚子元件和未涂覆的滚子元件两者，以及根据所公开原理的方面已修复的滚子元件的寿命磨损曲线的寿命曲线图；

图4为示出根据所公开原理的实施例的轴承处理工艺的流程图；以及

图5为示出在所公开的原理的实施例中的处理步骤和相关联设备的阶段式结构图。

具体实施方式

本发明提供用于准备轴承滚子元件的系统和方法，使得它们显示出比未涂覆的轴承磨损曲线和涂覆的轴承磨损曲线两者都浅的最终磨损曲线。在实施例中，使用未涂覆的状态下的诸如滚子、滚珠、滚针等的滚子元件计它们使用寿命的一部分。然后，对滚子元件进行各向同性超精修整和薄膜含碳涂层的涂覆。各向同性光洁度是，相比于诸如工具痕迹的方向性缺陷，其中的缺陷通常是非方向性的光洁度。一旦重新使用此类轴承，它们出乎意料地会以甚至比首次使用前涂覆的轴承更低的速率经受磨损，例如点蚀疲劳。

转到附图，图1为滚子轴承组件的简化剖视图和安装环境，在该安装环境内可实施所公开的原理的一个或多个实施例。滚子轴承组件1包括在内座圈3和外座圈4之间捕获的多个圆柱滚子2。滚子轴承组件1可包括其他未示出的元件，例如滚轮销或滚轮轴、轴承罩或轴承承托等。外座圈4设置在轴承吊架或其他固定夹具5中的凹槽中，并且通过紧密配合被限制旋转，同时通过摩擦配合将内座圈3钉在或固定在诸如轮轴6的固定元件上。

在该配置中，当轮轴6相对于固定夹具5旋转时，圆柱滚子2在内座圈3与外座圈4之间滚动，以实现滚动接触而不是滑动接触。尽管所示的轴承组件1配置成推力轴承以接收轴向负载，但对于多数轴承类型会发生类似的动态过程。例如，配置成接收径向负载的滚珠轴承组件包括径向面对的内滚珠座圈和外滚珠座圈。

尽管在滑动界面上使用轴承是很大的改善，然而滚子元件要受到磨损并且使用寿命有限。点蚀疲劳为磨损的主要寿命限制形式。当邻接表面之间的轻微滑动引起表面屈服、出现蚀点时，开始点蚀疲劳磨损。因此，由于疲劳形成的蚀点的尺寸将增大，并且最终将影响轴承的功能。如果在定期检查期间未检测到轴承的磨损情况，则其可最终表现为粗糙度和/或转向阻力的增加，并且一个或多个滚动元件最终会完全失效，例如通过解体，导致功能的全部丧失。

如稍后将在本文中更详细描述，作为一种抗磨损的强化的手段，可各向同性修整并且涂覆轴承滚子元件和/或相关联的固定元件。各向同性修整修改表面光洁度和/或纹理，以便通过在可发生滑动的应用中减少磨伤或磨损来改善性能。各向同性修整与防护涂层结合用来通过降低点蚀疲劳并延长滚子元件的使用寿命以改变滚子元件的磨损特性。

图2为示出涂覆的滚子元件和未涂覆的滚子元件两者的通常寿命曲线的寿命曲线图。具体地，第一曲线11对应于无修整的、未涂覆的轴承滚子元件，而第二曲线12对应于各向同性修整的且防护涂覆的轴承滚子元件。可以看到，在两种情况下，零件的剩余寿命随着使用时间的增加而减少，其中两个零件最终均达到为零的剩余寿命。然而，对应于无修整的、未涂覆的轴承滚子元件的第一曲线11明显地更陡峭，表明未修整的滚子在其整个使用寿命中比各向同性修整且防护涂覆的滚子磨损的更加迅速。

在一个实施例中，无修整且未涂覆的滚子元件通过在其使用寿命的大约75％时从主体轴承组件中移除，接着对使用过的滚子元件进行各向同性修整和涂覆以达到修复的目的。用这种方法，发现如此处理的滚子元件的磨损曲线比初始各向同性修整的且防护涂覆的轴承滚子的磨损曲线更加缓和。也就是说，使用此类滚子元件的每小时的磨损量比使用初始各向同性修整的且防护涂覆的滚子元件的每小时的磨损量甚至更少。

就此而言，图3为示出涂覆的滚子元件和未涂覆的滚子元件两者，以及以前述方式修复的滚子元件的寿命曲线的寿命曲线图。具体地，除对应于无修整的、未涂覆的轴承滚子元件的第一寿命曲线11和对应于各向同性修整的且防护涂覆的轴承滚子元件之外，第二寿命曲线图15还示出已修复的滚子元件的第三寿命曲线16。

由寿命曲线16表示的已修复的滚子元件是已经在其未涂覆的寿命的大约75％时从轴承组件中移除，并且通过各向同性修整和涂覆再处理的滚子元件。稍后将在下面讨论各向同性修整和涂覆的细节，但第三磨损曲线16的突出特征是其斜率比第一寿命曲线11和第二寿命曲线12两者更小。也就是说，已修复的轴承的磨损率甚至比初始各向同性修整且涂覆的滚子元件的磨损率更低。尽管本领域的技术人员已经预期到已修复的滚子元件的磨损率将简单地匹配于初始修整且涂覆的滚子元件的磨损率，但修复过程出乎意料地甚至进一步降低了磨损率。

第三寿命曲线16的另一个突出特征(如果是出乎意料的话)是已修复的滚子元件的整体使用寿命(从当崭新时的首次安装到修复并重新安装之后的最终移除)，可以与初始各向同性修整的且涂覆的滚子元件的整体使用寿命一样长，这取决于何时修复滚子元件。例如，参见示例性寿命曲线17的范围。因此，以预定方式的修复不仅在某种程度上减缓磨损率并且延长滚子元件的寿命，而且它实际上产生了与初始处理的轴承的使用寿命基本上匹配的初始未处理的轴承的整体使用寿命。

关于将参照图4更详细讨论的各向同性修整，可处理滚子元件使轴承表面上的表面光洁度达到大约0.40-0.75微米(16-30μin)。对于各向同性修整，然后例如通过25％重量的325粒度的氧化铝在适合于零件几何形状和材料硬度的并且在大约25.4mm(1英寸)到大约6.35mm(0.25英寸)(各种形状)的尺寸范围内的媒介中处理零件。

各向同性修整的处理过程包括两个循环，也就是切削循环和抛光循环。循环时间取决于初始表面光洁度和零件几何形状公差。就后者而言，应当选择循环次数使得零件几何形状(例如，角部、圆度、斜率、开口等)保持在公差以内。在一个实施例中，在添加抛光循环流体之前或添加流体以维持流体的pH之前，无需移除切削液或抛光液体。

在一个实施例中，在切削循环中使用的酸是磷酸和草酸的其中一种，其中pH值在大约5到大约6之间。在另一个实施例中，在抛光循环中使用的溶液为pH在大约7到大约9的光滑剂。在抛光之后，完全冲洗处理的零件以防止进一步的刻蚀或腐蚀，并且可涂覆有合适的腐蚀保护的产品。

关于测量通过双循环处理获得的理想地各向同性光洁度，当测量具有测量的粗糙度≥0.1μm(4μin)Ra的各向同性修整的表面时，可使用0.8mm的截止长度。当测量的粗糙度小于0.1μm Ra时，可使用0.25mm的截止长度。测量表面痕迹的横向优选地垂直于任意初始工具磨损痕迹或方向性磨损痕迹的方向。

一旦各向同性修整滚子元件，则对其涂覆减损剂。在一个实施例中，减损剂是通过气相沉积、流体沉积或其他合适的手段应用的含碳涂层。

总体来说，已经讨论了双循环表面再处理过程，参照图5的设备在图4的流程图20示出处理的细节。在步骤21处，将滚子元件39初始安装在轴承组件(诸如图1所示的轴承组件)中以在非各向同性修整和非涂覆的条件中使用。在步骤22处，在滚子元件39的使用寿命的大约75％时，将其从轴承组件中移除。可通过例如检查来测量使用寿命的百分比，或可基于例如元件类型的已知平均使用寿命来推断使用寿命的百分比。应该理解，在移除之前无需将使用寿命的百分比精确到75％，并且在实施例中，将除75％之外的其他百分比用来当作移除元件的点。因此，例如，在各种实施例中，移除发生在使用寿命的相当大的百分比处，例如从使用寿命的50％到80％。

在步骤23处，例如通过在适当的溶剂中去油清洗移除的滚子元件39。由于其早先使用，所以滚子元件39可具有表面缺陷，诸如点蚀和/或磨伤。因此，在步骤24处，可机加工或磨削使用过的滚子元件39以去除较大的表面不规则性。例如，在球状均匀的滚子元件(诸如滚珠轴承)的情况下，在该步骤处可以在适当的媒介中对滚子元件39进行桶内处理，如在翻转容器40(图5)中所描述的情况一样。

然后，如上所述在步骤25处，对滚子元件39进行酸性表面重修，其中鼗滚子元件39浸没入适当酸(诸如，磷酸或草酸)的切削液混合物，其中如上所述，pH值在大约5到大约6之间。可在与翻转容器40分开的处理罐41中执行酸性表面重修。在表面再处理处理器45的控制之下通过电子控制切削液阀44，可将切削液42从切削液储液器43引入处理罐41。表面再处理处理器45包括与非短暂性计算机可读数字存储器46关联的数字微型计算机或微处理器，非短暂性计算机可读数字存储器46包括用于控制表面再处理处理器45的行为的计算机可执行代码。还可使用未示出的搅拌器或其他流动增强装置以加速处理罐41中的处理过程。

切削过程通过移除在滚子元件39的表面中的微刺(即，高点)进行，同时溶液中的元件保护低点。这样，正如上述方式测量一样，微刺变宽并且变低到不平整最终变得充分小且各向同性的程度。

一旦完成步骤25的表面切削步骤，在实施例中将滚子元件39的表面抛光。具体地，在步骤26抛光溶液(例如，具有pH是大约7到大约9的光滑剂)流过滚子元件39。在一个实施例中，在引入抛光溶液之前，排出切削液，但在可选的实施例中，抛光溶液本身用于替换切削液。在操作中，关闭来自切削液储液器43的电子控制切削液阀44，而打开电子控制排空阀49以排空处理罐41。同时，打开来自抛光溶液罐48的电子控制抛光溶液阀47，以容许抛光溶液进入处理罐41。

抛光溶液起作用以进一步使零件平滑，并且还中和切削液以避免继续切割。在抛光滚子元件39之后，在步骤27处冲洗滚子元件39以防止任何进一步的刻蚀或腐蚀。

在步骤28处，滚子元件39涂覆有硬化涂层，诸如含碳涂层或膜。涂层可以为任何合适的材料，但在一个实施例中，涂层为碳化钨(WC)。通常，涂层优选地为类金刚石碳涂层(DLC)。DLC的实例包括氢化(C:H)或无氢非晶DLC、四面体碳(ta-C)涂层和掺杂过渡金属元素(诸如钛、铬和/或钨)的DLC。DLC可掺杂诸如硅的元素，以增强其摩擦减少性能。

涂层可经由物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(VCD)或混合处理应用。在气相沉积的情况下，将滚子元件39放置在邻近涂层材料(例如碳化钨块51或碳化钨棒)的受热堆的真空室50中。当源极材料蒸发时，释放的分子撞击滚子元件39并且将其镀覆。关于电-流体沉积，将在溶液中的源极材料分子电力吸引到浸没的滚子元件39，从而在其上沉积涂覆材料层。

在步骤29处可选地测量处理的已修复的滚子元件，以确保使用的表面平滑度和适用性。如果发现任意滚子元件不具有所需的表面光滑度，则就将其丢弃或在步骤30处对其进行重新处理。另外，在步骤31处，将滚子元件重新安装在从中将其移除的轴承组件(或轴承组件的类型)中。通常无需确保将已修复的滚子元件精确地重新安装在从中将它们移除的同一组件中。

工业适用性

概括地说，本发明阐述了适合于提供初始非IF和未涂覆的轴承滚动元件和其他零件的系统和方法，其中初始非IF和未涂覆的轴承滚动元件和其他零件的使用寿命基本上等于初始IF修整且防护涂覆的零件的使用寿命。所描述的处理出乎意料地产生甚至比初始IF修整的且防护涂覆的零件的磨损曲线更浅的磨损曲线。此外，出乎意料较大地增加整体使用寿命。

可在使用领域的返回零件上进行部分使用过的滚子元件和其他零件的所述处理，以使得初始零件的失效周期增加。初始实验室测试证实对于达到预期寿命75％的零件，所述的处理延长此类零件的疲劳寿命并超出非IF涂覆零件的正常失效周期。

从逻辑的观点来看，所述的处理还提供了供应链稳定性。例如，它使得修复和再制造设施再使用大型轴承(例如，最终传动轴承)，由于供应商不稳定性或其他问题，已经难以获得该大型轴承的新零件。

此外，即使对于小型轴承和轴承组件部件，与替换和重新使用两者相比，所述的过程可节约成本。就后者而言，简单再使用部分使用过的元件(诸如轴承滚子)在短期内是经济的，但由于受影响的机器或系统的加快的拆卸成本和相关联的故障时间，所以在长期内增加成本。

应该理解，本发明提供了，相对于未处理元件和初始处理的元件两者，延长轴承元件的寿命并降低元件磨损曲线斜率的系统和方法。虽然仅已经阐述了某些实施例，但改变和改进对于本领域技术人员而言根据以上描述是显而易见的。这些和其他替换被认为是等效的并且在该发明和随附权利要求的精神和范围内。

Claims (10)

1.一种用于处理轴承组件(1)的部件(39)的方法，所述部件(39)具有初始使用寿命，所述方法包括：

使用所述轴承组件(1)中的所述部件(39)计小于其初始使用寿命的大约75％；

将所述部件(39)从所述轴承组件(1)中移除；

对所述移除的部件(39)的表面进行各向同性修整；

在各向同性修整之后，将防护磨损涂层涂覆到所述部件(39)的所述表面；以及

将所述涂覆的部件(39)安装在另一个轴承组件(1)中。

2.根据权利要求1所述的用于处理轴承组件(1)的部件(39)的方法，其中，所述部件(39)为滚动元件(2)，所述滚动元件(2)是滚珠、滚子和滚针的其中一种。

3.根据权利要求1和2中任一项所述的用于处理轴承组件(1)的部件(39)的方法，其中，所述部件(39)是轴承座圈(3，4)。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的用于处理轴承组件(1)的部件(39)的方法，其中，对所述移除的部件(39)进行各向同性修整包括将切削液(42)涂覆到所述部件(39)的所述表面以产生各向同性表面光洁度。

5.根据权利要求4所述的用于处理轴承组件(1)的部件(39)的方法，其中，所述切削液(42)的pH值是大约5到大约6。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的用于处理轴承组件(1)的部件(39)的方法，其中，对所述移除的部件(39)进行各向同性修整还包括将抛光溶液涂覆到所述部件(39)的所述表面。

7.根据权利要求6所述的用于处理轴承组件(1)的部件(39)的方法，其中，所述抛光溶液的pH值是大约7到大约9。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的用于处理轴承组件(1)的部件(39)的方法，其中，在各向同性修整之后将防护磨损涂层涂覆到所述部件(39)的所述表面包括通过气相沉积和流体沉积涂覆所述防护磨损涂层。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的用于处理轴承组件(1)的部件(39)的方法，其中，所述轴承组件(1)和其他轴承组件(1)为相同的组件(1)。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的用于处理轴承组件(1)的部件(39)的方法，其中，使用所述轴承组件(1)中的所述部件(39)计小于其初始使用寿命的大约75％包括使用所述轴承组件(1)中的所述部件(39)计其初始使用寿命的大约50％。