CN105132879B - 一种轴承钢球强化处理装置及处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轴承钢球强化处理装置,包括真空处理室、转动机构、传动机构、高压靶台、等离子体产生器、大功率高压脉冲电源、供气系统和高真空抽气系统。还公开了该处理装置的处理方法。本发明通过真空处理室、转动机构、传动机构、高压靶台、等离子体产生器、大功率高压脉冲电源、供气系统和高真空抽气系统的配合，形成一套完整的离子注入处理设备。射频电源建立射频放电氮、碳、氩等离子体，大功率高压脉冲电源对被处理钢球提供负高压脉冲偏压，以实施离子注入或薄膜沉积处理。钢球在靶台圆盘上缓慢滚动，使得钢球表面获得较均匀的注入剂量；强化处理效果更好。

Description

一种轴承钢球强化处理装置及处理方法

技术领域

本发明涉及一种轴承钢球强化处理装置及处理方法，属于轴承钢球表面强化处理生产设备及其制造领域。

背景技术

我国是轴承生产大国、轴承出口数量占世界首位，但国产轴承大多为中、低档轴承，附加值较低，加上企业之间的无序竞争，利润率非常低；然而我国军工企业、航空、航天等高新技术与科学研究、原子能发电站、高速列车等等行业急需要的长寿命高端轴承、特种轴承大多需要进口。

由于国产轴承钢冶金质量和国外轴承钢差距较大，以及由于国产轴承在设计、制造、润滑、装配等方面与国外的差距，使国产轴承与国外轴承相比，其抗磨损、抗腐蚀、抗疲劳性能较差，使用寿命较低。

等离子体浸泡式离子注入工艺不存在类似薄膜的剥落问题，可以精确控制注入离子数量，其控制方法是检测注入电荷的数量和能量，能保持试样表面粗糙度，不影响尺寸精度。

由于离子注入工艺特点很适用轴承的表面改性处理，它不用改变轴承的材料、设计和机械加工工艺就可达到轴承延长的目的。

等离子体浸泡式离子注入（PIII）是一种新颖离子注入技术，它消除了束线离子注入技术固有的直射性限制，设备较简单、投资费用较低、但只能小批量处理零件，得不到了迅速发展。

发明内容

本发明目的是提供一种可对轴承钢球进行等离子体注入的强化处理装置及处理方法。

本发明的方案如下：一种轴承钢球强化处理装置,包括真空处理室、传动机构、转动机构、高压靶台、等离子体产生器、大功率高压脉冲电源、供气系统和高真空抽气系统；

所述的真空处理室包括钟罩、底板，所述的钟罩置于底板上方；

所述的高压靶台包括靶台圆盘和绝缘支座，所述的绝缘支座一端固定在底板上，另一端固定在靶台圆盘底部将其支撑固定；

所述的转动机构包括传动轴和拨盘；传动轴一端穿过靶台圆盘连接拨盘，另一端与穿过底板与传动机构连接；所述的拨盘上设置若干个钢球孔；

所述的等离子体产生器包括射频电源和条态弧形电极，射频电源一端与设置于真空处理室内的条态弧形电极连接，另一端与钟罩连接；

所述的高真空抽气系统包括涡轮分子泵和旋片式真空泵，所述的真空泵与涡轮分子泵连接，所述的涡轮分子泵吸入口穿过底板与真空处理室连通；

所述的供气系统包括钢瓶、气体质量流量计、电磁阀、混气室和布气管，所述的气体质量流量计两端分别连接电磁阀，两端的电磁阀分别与钢瓶、混气室连接；所述的混气室与真空处理室内的布气管连接；

所述的大功率高压脉冲电源负极与靶台圆盘连接，正极与底板连接并接地。

所述的传动机构包括减速电机、主动齿轮和被动齿轮，减速电机与主动齿轮连接，主动齿轮与被动齿轮配合，所述的被动齿轮套接在传动轴上。

进一步，所述的真空处理室还包括视窗和铅皮罩，所述的铅皮罩置于钟罩外且将钟罩包围；所述的视窗穿过铅皮罩及钟罩。

进一步，所述的钟罩外设置半幅式水道冷却管；所述的靶台圆盘下设置半幅式油道冷却管。

进一步，所述的半幅式油道冷却管内用变压器油为冷却煤。

进一步，所述的的布气管壁上均匀分布若干个通孔。

一种轴承钢球强化处理装置的处理方法，步骤如下：

a、 将经超声波清洗过的钢球放入拨盘的通孔内，与靶台圆盘接触，盖上钟罩；

b、启动旋片式真空泵，将真空处理室内的大气状态抽到30Pa, 涡轮分子泵开始工作，将真空处理室内的真空度控制到（2-3）×10^-4 Pa；

c、根据处理工艺需要，将钢瓶内的气体按需要的比例送入混气室，经混合后再送入布气管；

d、射频电源建立射频放电氮、碳、氩等离子体，真空处理室内自由电子充分吸收射频电场的能量，激励起射频放电氮、碳、氩等离子体；

e、启动冷却；

f、大功率高压脉冲电源启动，用于对被处理钢球提供负高压脉冲偏压，以实施离子注入或薄膜沉积处理；

g、启动减速电机，主动齿轮带动传动轴进而带动拨盘旋转，钢球在靶台圆盘上缓慢滚动，钢球表面获得较均匀的注入剂量；

h、真空室恢复常压。

本发明通过真空处理室、转动机构、传动机构、高压靶台、等离子体产生器、大功率高压脉冲电源、供气系统和高真空抽气系统的配合，形成一套完整的离子注入处理设备。射频电源建立射频放电氮、碳、氩等离子体，大功率高压脉冲电源对被处理钢球提供负高压脉冲偏压，以实施离子注入或薄膜沉积处理。钢球在靶台圆盘上缓慢滚动，使得钢球表面获得较均匀的注入剂量；强化处理效果更好。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

一种轴承钢球强化处理装置,包括真空处理室、转动机构、传动机构、高压靶台、等离子体产生器、大功率高压脉冲电源、供气系统和高真空抽气系统。真空处理室包括钟罩1、底板2，钟罩1置于底板2上方。高压靶台包括靶台圆盘8和绝缘支座6，绝缘支座6一端固定在底板2上，另一端固定在靶台圆盘底8部将其支撑固定。转动机构包括传动轴13和拨盘9；传动轴13一端穿过靶台圆盘8连接拨盘9，另一端与穿过底板2与传动机构连接；传动轴与底板间通过高真空磁密封件37密封，拨盘9上设置若干个钢球孔。等离子体产生器包括射频电源32和条态弧形电极3，射频电源32一端与设置于真空处理室内的条态弧形电极3连接，另一端与钟罩1连接；条态弧形电极3通过电极绝缘注固定在钟罩1内壁顶面上。高真空抽气系统包括涡轮分子泵10和旋片式真空泵11，真空泵11与涡轮分子泵10连接，涡轮分子泵10吸入口穿过底板2与真空处理室连通。

供气系统根据处理工艺需要应向真空处理室输入由不同流量、不同种类的工作气体和反应气体组成的混合气体，气体种类有高纯度Ar、N2和C2H2（乙炔）等。供气系统包括钢瓶20、24、28，气体质量流量计18、22、26，电磁阀17、19、21、23、25、27，混气室16和布气管5，气体质量流量计两端分别连接电磁阀，两端的电磁阀分别与钢瓶、混气室连接；混气室与真空处理室内的布气管连接，布气管壁上均匀分布若干个通孔。

大功率高压脉冲电源33由高压直流电源和脉冲调制器组成，脉冲调制器是高压脉冲电源的核心，用于对被处理零件提供负高压脉冲偏压，以对零件实施离子注入或薄膜沉积处理。大功率高压脉冲电源负极与靶台圆盘8连接，正极与底板2连接并接地。

本发明的传动机构包括减速电机14、主动齿轮15和被动齿轮12，减速电机14与主动齿轮15连接，主动齿轮15与被动齿轮12配合，被动齿轮12套接在传动轴13上，传动轴13中部有传动轴绝缘层38。

本发明真空处理室还包括视窗31和铅皮罩30，铅皮罩置于钟罩外且将钟罩1包围；视窗31穿过铅皮罩30及钟罩1。在设备运行过程中同时会产生软X射线及RF电磁辐射，他们均对人体有损伤作用，必需适当防护。在设备中，由于注入电压不太高，仅为20-35kV，因此由离子轰击零件表面所撞击出的二次电子能量不是很高，器壁产生的软X射线也不会太强，但仍然可能伤害工作人员的健康。用3mm厚的高纯防护铅皮严密包裹真空处理处理室外表面，可有效地屏蔽所产生的软X射线，使真空处理室外泄漏的软X射线剂量远低于非放射性工作者允许的最低剂量。

钟罩1外及靶台圆盘8下分别设置半幅式水道冷却管29、靶台半幅式油冷却管7。靶台半幅式油冷却管7通过管路分别与设置在底板上的冷却油进管穿壁器40、冷却油出管穿壁器41连接。脉冲高压电源部分能量消耗在被处理钢球上，引起它们的温度升高，钢球最大温升大约150℃左右，因此，对被处理钢球通过靶台圆盘的靶台半幅式油冷却管内的压器油作冷却媒，冷却媒穿过冷却油进管穿壁器流入靶台半幅式冷却管，冷却媒吸热后经过冷却油出管穿壁器流出。在离子注入处理过程中，脉冲高压电源的大部分高压脉冲电源的能量沉积在真空室壁上，引起真空室壁温度升高，因此冷却水通过半幅式水道冷却管，对真空处理室壁进行强迫水冷。

本发明的射频电源与条态弧形电极之间的连接电缆、大功率高压脉冲电源负极与靶台圆盘的连接电缆、混气室与布气管之间的输气管分别通过设置在底板上的射频电缆穿壁器39、高压脉冲电缆穿壁器36、气管穿壁器35穿过底板。

本发明处理装置的处理方法为：

a、 将经超声波清洗过的钢球4放入拨盘的通孔内，与靶台圆盘接触，盖上钟罩；

b、启动旋片式真空泵，将真空处理室内的大气状态抽到30Pa, 涡轮分子泵开始工作，将真空处理室内的真空度控制到（2-3）×10^-4 Pa；

c、根据处理工艺需要，将钢瓶内的气体按需要的比例送入混气室，经混合后再送入布气管；

d、射频电源建立射频放电氮、碳、氩等离子体，真空处理室内自由电子充分吸收射频电场的能量，激励起射频放电氮、碳、氩等离子体；在这一过程中，射频电源中的调节阻抗匹配器的微调电容，可使电路中的反射功率降低，使射频电场的能量有效地耦合到真空室内，真空室内自由电子充分吸收射频电场的能量，激励起射频放电氮或碳等离子体；

e、启动冷却；

f、大功率高压脉冲电源启动，用于对被处理钢球提供负高压脉冲偏压，以实施离子注入或薄膜沉积处理；

g、启动减速电机，主动齿轮带动传动轴进而带动拨盘旋转，钢球在靶台圆盘上缓慢滚动，钢球表面获得较均匀的注入剂量；有较好的表面强化处理效果；

h、真空室恢复常压、冷却。

尽管上文对本发明的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，我们可以依据本发明的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种轴承钢球强化处理装置,其特征在于，包括真空处理室、传动机构、转动机构、高压靶台、等离子体产生器、大功率高压脉冲电源、供气系统和高真空抽气系统；

所述的真空处理室包括钟罩、底板，所述的钟罩置于底板上方；

所述的高压靶台包括靶台圆盘和绝缘支座，所述的绝缘支座一端固定在底板上，另一端固定在靶台圆盘底部将其支撑固定；

所述的转动机构包括传动轴和拨盘；传动轴一端穿过靶台圆盘连接拨盘，另一端与穿过底板与传动机构连接；所述的拨盘上设置若干个钢球孔；

所述的等离子体产生器包括射频电源和条态弧形电极，射频电源一端与设置于真空处理室内的条态弧形电极连接，另一端与钟罩连接；

所述的高真空抽气系统包括涡轮分子泵和旋片式真空泵，所述的真空泵与涡轮分子泵连接，所述的涡轮分子泵吸入口穿过底板与真空处理室连通；

所述的供气系统包括钢瓶、气体质量流量计、电磁阀、混气室和布气管，所述的气体质量流量计两端分别连接电磁阀，两端的电磁阀分别与钢瓶、混气室连接；所述的混气室与真空处理室内的布气管连接；

所述的大功率高压脉冲电源负极与靶台圆盘连接，正极与底板连接并接地。

2.根据权利要求1所述的一种轴承钢球强化处理装置，其特征是所述的传动机构包括减速电机、主动齿轮和被动齿轮，减速电机与主动齿轮连接，主动齿轮与被动齿轮配合，所述的被动齿轮套接在传动轴上。

3.根据权利要求2所述的一种轴承钢球强化处理装置，其特征是所述的真空处理室还包括视窗和铅皮罩，所述的铅皮罩置于钟罩外且将钟罩包围；所述的视窗穿过铅皮罩及钟罩。

4.根据权利要求1所述的一种轴承钢球强化处理装置，其特征是所述的钟罩外设置半幅式水道冷却管；所述的靶台圆盘下设置半幅式油道冷却管。

5.根据权利要求4所述的一种轴承钢球强化处理装置，其特征是所述的半幅式油道冷却管内用变压器油为冷却煤。

6.根据权利要求1所述的一种轴承钢球强化处理装置，其特征是所述的的布气管壁上均匀分布若干个通孔。

7.根据权利要求1所述的一种轴承钢球强化处理装置，其处理方法为：

a、 将经超声波清洗过的钢球放入拨盘的通孔内，与靶台圆盘接触，盖上钟罩；

b、启动旋片式真空泵，将真空处理室内的大气状态抽到30Pa, 涡轮分子泵开始工作，将真空处理室内的真空度控制到（2-3）×10^-4 Pa；

c、根据处理工艺需要，将钢瓶内的气体按需要的比例送入混气室，经混合后再送入布气管；

d、射频电源建立射频放电氮、碳、氩等离子体，真空处理室内自由电子充分吸收射频电场的能量，激励起射频放电氮、碳、氩等离子体；

e、启动冷却；

f、大功率高压脉冲电源启动，用于对被处理钢球提供负高压脉冲偏压，以实施离子注入或薄膜沉积处理；

g、启动减速电机，主动齿轮带动传动轴进而带动拨盘旋转，钢球在靶台圆盘上缓慢滚动，钢球表面获得较均匀的注入剂量；

h、真空室恢复常压。