CN106523529A - 一种利用激光织构化制造抗磨损保持架的方法及滚动轴承 - Google Patents

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Abstract

一种利用激光织构化制造抗磨损保持架的方法及滚动轴承，它涉及一种保持架制造方法及带有该方法制造保持架组成的滚动轴承。为解决因内、外套圈与保持架之间的润滑油剂被挤出，导致内、外套圈与保持架之间发生接触，引发疲劳剥落和磨粒磨损，最终保持架发生断裂导致轴承失效的问题。本发明中的方法包括水声探测步骤、保持架的粗细加工步骤、调试步骤、对焦步骤、表面织构加工步骤；滚动轴承包括外套圈、内套圈、保持架和多个滚动体，内套圈套装在外套圈的内部且二者同轴设置，保持架设置在外套圈和内套圈之间，多个滚动体一一对应设置在保持架上的多个兜孔内，保持架的外圆面上加工有多个上织构单元和多个下织构单元。本发明用于制造轴承过程中。

Description

一种利用激光织构化制造抗磨损保持架的方法及滚动轴承
技术领域
本发明涉及一种制造抗磨损保持架的方法及滚动轴承，属于机械制造技术领域。
背景技术
轴承是机械系统的核心元件，其使用性能关系到机械装置的旋转精度、稳定性、可靠性和使用寿命。滚动轴承是应用最为广泛的轴承类型，由滚动体、内外套圈和保持架组成。当滚动轴承在高速运转工作过程中，保持架和套圈在工作过程受到反复冲击和滑动作用，使得套圈与保持架之间的润滑油脂被挤出，导致套圈与保持架之间发生接触，引发疲劳剥落和磨粒磨损，长时间运行后套圈和保持架引导面发生过量磨损，使得保持架和套圈引导面变薄，质量不均匀，引导间隙增大，进一步加剧材料磨损，严重时保持架发生断裂导致轴承失效，最终导致机械系统出现故障。
发明内容
为了解决因内、外套圈与保持架之间的润滑油脂被挤出，导致内、外套圈与保持架之间发生接触，引发疲劳剥落和磨粒磨损，最终保持架发生断裂导致轴承失效的问题，进而提出一种利用激光织构化制造抗磨损保持架的方法及滚动轴承。
本发明为解决上述问题采用的技术方案是：
一种利用激光织构化制造抗磨损保持架的方法，该方法包括以下步骤：
步骤一：水声探测步骤：选取一块保持架坯料，采用水声探测的方式对该块坯料进行无损探伤，符合相关要求的坯料作为保持架原块待下一步加工；
步骤二：保持架的粗细加工步骤：根据相关图纸要求对步骤一中经过探伤合格的保持架原块进行加工，首先粗车保持架原块的外圆，其次精车保持架原块的两个端面，然后细车保持架原块的内圆，最后在保持架原块上钻出兜孔形成待织构块；
步骤三：调试步骤：采用355nm波长的紫外激光加工设备对待织构块粗车外圆表面，从而进行激光织构化，将待织构块固定安装在加工平台上，待织构块的外圆为待织构表面，按照设计要求调节加工平台的行进速度，加工平台行进速度的取值范围为0.05～0.25mm/s，同时调节紫外激光加工设备的输出功率和重复频率，输出功率为紫外激光加工设备最大输出功率60％～90％，重复输出频率的取值范围为10～130kHz，紫外激光加工设备的激光输出端的焦距为17.5mm；
步骤四：对焦步骤：确保带有待织构块的加工平台固定不动，操作紫外激光加工设备的激光输出端使其竖直下落，直至激光输出端的焦点落在待织构块的待织构面上时，定位紫外激光加工设备的激光输出端；
步骤五：表面织构加工步骤：运行预先编写完毕的加工代码，开启加工平台使其与紫外激光加工设备相配合完成对待织构块的待织构面的多个上织构单元和多个下织构单元的加工工作，确保上微通道和下微通道宽度的取值范围均为30μm～200μm，上微通道和下微通道槽深的取值范围均为5μm～20μm，第一凹坑阵列、第二凹坑阵列、第三凹坑阵列和第四凹坑阵列的直径取值范围均为30μm～200μm，第一凹坑阵列、第二凹坑阵列、第三凹坑阵列和第四凹坑阵列的深度取值范围均为5μm～20μm，从而完成待织构块外圆的织构化，形成保持架。
利用具体实施方式一所述的方法加工形成的滚动轴承，它包括外套圈、内套圈、保持架和多个滚动体，所述内套圈套装在外套圈的内部且二者同轴设置，保持架设置在外套圈和内套圈之间，多个滚动体一一对应设置在保持架上的多个兜孔内，保持架的外圆面上加工有多个上织构单元和多个下织构单元，多个上织构单元沿保持架的圆周方向依次布置在保持架外圆面的上边缘处，多个下织构单元沿保持架的圆周方向依次布置在保持架外圆面的下边缘处，上织构单元的结构与下织构单元的结构相同，每个上织构单元包括上微通道、至少一个第一上凹坑和至少一个第一下凹坑，上微通道的两端分别与保持架外圆周壁的上边缘相连通。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1、本发明中的方法为利用激光织构化工艺实现抗磨损保持架的加工过程。该方法将激光织构化工艺能够有效融合到现有保持架加工工艺中，该方法通过紫外激光加工设备与加工平台相配合实现对保持架待织构块的外圆进行多个织构单元的加工过程。步骤简单且操作方便，加工质量高且加工效率高。
2、本发明中的方法使用范围广泛，对加工对象的材质无限定，钢、陶瓷、铜合金、铝合金、胶木、工程塑料及其他材料均适用。
3、本发明中的轴承为利用激光织构化工艺制造的保持架组成的滚动轴承，由于保持架上多个织构单元的设置为保持架引导面能够储存润滑油、容纳和排出磨粒提供通道，降低引导面材料磨损，有效地改善了滚动轴承引导面的润滑状况，提高轴承的承载能力和使用寿命。本发明应用于外引导轴承和内引导轴承，工作过程同理。
附图说明
图1是本发明的主视结构示意图；
图2是图1中B处的放大图；
图3是本发明的俯视结构示意图；
图4是图3中C处的放大图；
图5是加工平台的工作状态示意图，图中箭头方向表示保持架待织构块的平移运动的方向；
图6是加工平台的侧视结构示意图，图中箭头方向表示保持架待织构块的转动方向。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1、图2、图3、图4、图5和图6说明本实施方式，本实施方式该方法包括以下步骤：
步骤一：水声探测步骤：选取一块保持架坯料，采用水声探测的方式对该块坯料进行无损探伤，符合相关要求的坯料作为保持架原块待下一步加工；
步骤二：保持架的粗细加工步骤：根据相关图纸要求对步骤一中经过探伤合格的保持架原块进行加工，首先粗车保持架原块的外圆，其次精车保持架原块的两个端面，然后细车保持架原块的内圆，最后在保持架原块上钻出兜孔形成待织构块；
步骤三：调试步骤：采用355nm波长的紫外激光加工设备对待织构块粗车外圆表面，从而进行激光织构化，将待织构块固定安装在加工平台上，待织构块的外圆为待织构表面，按照设计要求调节加工平台的行进速度，加工平台行进速度的取值范围为0.05～0.25mm/s，同时调节紫外激光加工设备的输出功率和重复频率，输出功率为紫外激光加工设备最大输出功率60％～90％，重复输出频率的取值范围为10～130kHz，紫外激光加工设备的激光输出端11的焦距为17.5mm；
步骤四：对焦步骤：确保带有待织构块的加工平台固定不动，操作紫外激光加工设备的激光输出端11使其竖直下落，直至激光输出端11的焦点落在待织构块的待织构面上时，定位紫外激光加工设备的激光输出端11；
步骤五：表面织构加工步骤：运行预先编写完毕的加工代码，开启加工平台使其与紫外激光加工设备相配合完成对待织构块的待织构面的多个上织构单元6和多个下织构单元7的加工工作，确保上微通道6-1和下微通道7-1宽度的取值范围均为30μm～200μm，上微通道6-1和下微通道7-1槽深的取值范围均为5μm～20μm，第一凹坑阵列、第二凹坑阵列、第三凹坑阵列和第四凹坑阵列的直径取值范围均为30μm～200μm，第一凹坑阵列、第二凹坑阵列、第三凹坑阵列和第四凹坑阵列的深度取值范围均为5μm～20μm，从而完成待织构块外圆的织构化，形成保持架3。
本发明中的步骤一中的无损探伤的过程为对坯料内部无缩松、夹杂及其他缺陷进行探伤。
本发明中的步骤三中加工代码中设定的加工平台的运动轨迹和运动速度，工作台的行进速度会影响保持架激光加工微凹坑、微通道的深度和直径或宽度。
本发明中的步骤三中紫外激光加工设备的最大功率为5W。
本发明中第一凹坑阵列为多个第一上凹坑6-2依次等间距排列形成；第二凹坑阵列为多个第一下凹坑6-3依次等间距排列形成；第三凹坑阵列为多个第二上凹坑7-2依次等间距排列形成；第四凹坑阵列为多个第二下凹坑7-3依次等间距排列形成。
本发明中上微通道6-1和下微通道7-1统称为微通道，多个第二上凹坑7-2、多个第二下凹坑7-3、多个第一上凹坑6-2和多个第一下凹坑6-3统称为微凹坑。
本发明在一定范围内，微凹坑的深度、微通道的深度值随着加工速度增加而变小；本发明在一定范围内，微凹坑的宽度、微通道的宽度值随着加工速度增加而减小。
本发明能够针对不同轴承的结构参数、工况条件和润滑状态，表面织构存在最优参数设计与选择，需要根据具体情况具体设计。
本发明的加工平台包括第一电机8-1、底座8-2、滚珠丝杠8-3、滑台8-4、定位架8-5和第二电机8-6，所述底座8-2水平设置，所述滚珠丝杠8-3沿底座8-2的长度方向设置在底座8-2上，所述滑台8-4设置在滚珠丝杠8-3上并与滚珠丝杠8-3滑动配合，第一电机8-1设置在底座8-2上且其驱动滚珠丝杠8-3运动，定位架8-5竖直设置在滑台8-4上，保持架待织构块可拆卸连接在定位架8-5上，定位架8-5上设置有第二电机8-6。加工平台能够在第一电机8-1和第二电机8-6的带动下使保持架待织构块作出水平方向的移动运动和以第二电机8-6的输出轴为中心的转动运动，从而实现对保持架待织构块的加工形成保持架3。
本发明的步骤四中通过CCD相机进行观察，当在相机中清楚的辨识到待织构块的待织构面时，即对紫外激光加工设备的激光输出端11进行定位。其他能够辅助观测的仪器均可。
具体实施方式二：本实施方式为具体实施方式一的进一步限定，本实施方式还包括步骤六，步骤六为进一步加工步骤，该步骤为细车步骤四中保持架3的外圆，终车步骤四中保持架3两平面，去除保持架3的表面毛刺。
具体实施方式三：本实施方式为具体实施方式二的进一步限定，本实施方式还包括步骤七，步骤七为动平衡检测步骤，该步骤为对经过步骤六加工后的保持架3进行动平衡检测，符合要求的保持架3投入后续加工步骤，否则按废料处理。
具体实施方式四：本实施方式为具体实施方式三的进一步限定，本实施方式该方法还包括步骤八，步骤八为清洗步骤，该步骤为对经过步骤七加工后的保持架3进行清洗。
具体实施方式五：本实施方式为具体实施方式一的进一步限定，本实施方式中步骤五中还需确保每两个相邻的上织构单元6之间的间距为50μm～500μm，每两个相邻的下织构单元7之间的间距为50μm～500μm。
具体实施方式六：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式包括外套圈1、内套圈2、保持架3和多个滚动体4，所述内套圈2套装在外套圈1的内部且二者同轴设置，保持架3设置在外套圈1和内套圈2之间，多个滚动体4一一对应设置在保持架3上的多个兜孔5内，其特征在于：保持架4的外圆周壁上加工有多个上织构单元6和多个下织构单元7，多个上织构单元6沿保持架4的径向方向依次布置在保持架4外圆周壁的上边缘处，多个下织构单元7沿保持架4的径向方向依次布置在保持架4外圆周壁的下边缘处，上织构单元6的结构与下织构单元7的结构相同，每个上织构单元6包括上微通道6-1、至少一个第一上凹坑6-2和至少一个第一下凹坑6-3，上微通道6-1的两端分别与保持架4外圆周壁的上边缘相连通，至少一个第一上凹坑6-2设置在上微通道6-1的上方，至少一个第一下凹坑6-3设置在上微通道6-1的下方。
具体实施方式七：结合图1说明本实施方式，本实施方式中上织构单元6的结构与下织构单元7的结构相同且二者关于保持架4中多个兜孔5的外圆中心线A-A线对称设置，每个下织构单元7包括下微通道7-1、至少一个第二上凹坑7-2和至少一个第二下凹坑7-3，下微通道7-1的两端分别与保持架4外圆周壁的下边缘相连通，至少一个第二上凹坑7-2设置在下微通道7-1的上方，至少一个第二下凹坑7-3设置在下微通道7-1的下方。如此设置能够使多个上织构单元6的结构与多个下织构单元7的排列更加有序。便于加工。其他未提及的结构与连接关系与具体实施方式六相同。
具体实施方式八：本实施方式为具体实施方式六或七的进一步限定，本实施方式中上微通道6-1为曲线形凹槽或折线形凹槽。
本实施方式中上微通道6-1的形状与下微通道7-1的形状相同且二者关于中心线A-A线对称设置。上微通道6-1的具体形状是根据预先编写完毕的加工代码程序决定的，根据具体情况具体选择合适形状的凹槽进行设计。
具体实施方式九：结合图1、图2、图3和图4说明本实施方式，本实施方式中上微通道6-1的槽深小于保持架4的厚度，第一上凹坑6-2的深度与第一下凹坑6-3的深度相等，第一上凹坑6-2的深度小于保持架4的厚度。如此设置能够确保为润滑油9析出形成微区动压润滑油膜层，有效降低磨损。同时还能够为金属颗粒的排出提供微通道，减少接触区域的磨粒堆积和磨损。本实施方式中未提及的结构及连接关系与具体实施方式八相同。
具体实施方式十：本实施方式为具体实施方式九的进一步限定，本实施方式中上微通道6-1宽度以及下微通道7-1宽度的取值范围均为30μm～200μm，上微通道6-1的槽深以及下微通道7-1的槽深的取值范围均为5μm～20μm，第一上凹坑6-2的直径、第一下凹坑6-3的直径、第二上凹坑7-2的直径和第二下凹坑7-3的直径的取值范围均为30μm～200μm。本实施方式中每两个相邻的上织构单元6之间的间距为50μm～500μm，每两个相邻的下织构单元7之间的间距为50μm～500μm。
本发明利用模拟保持架工作状态的冲击-滑动摩擦磨损试验机对保持架材料激光织构化表面开展了实验研究，发现表面织构明显改善了冲击-滑动模拟工况下的润滑状态，减少磨损量。从理论计算和实验结果分析可知，保持架3与外套圈1的引导面之间开设表面织构有三方面的积极作用：
1)表面织构能够储存润滑油9，在保持架3分别与外套圈1和内套圈2之间发生冲击和滑动时由于多个上织构单元6和多个下织构单元7的设置为润滑油9析出形成微区动压润滑油膜层，有效降低磨损。
2)上微通道6-1和下微通道7-1的设置能够容纳剥落颗粒10，减轻磨粒磨损，增强耐磨性，提高使用寿命。
3)上微通道6-1和下微通道7-1的设置能够为金属颗粒的排出提供微通道，减少接触区域的磨粒堆积和磨损。
本发明通过样品试验得出，将新工艺加工的保持架转入轴承，经过轴承台架实验考核，引导面未出现明显磨损，这就表明保持架引导面激光织构化方法能够有效地改善滚动轴承引导面磨损问题，提高了轴承使用寿命。
当加工速度、激光输出频率一定的情况下，激光输出功率在最大功率的60～90％的范围内，适当增大激光输出功率，激光加工的第一上凹坑6-2、第一下凹坑6-3、第二上凹坑7-1和第二下凹坑7-2的直径和深度会变大。
当激光输出频率、加工速度一定的情况下，重复频率在50～90KHz范围内，增大重复频率，激光加工的第一上凹坑6-2、第一下凹坑6-3、第二上凹坑7-1和第二下凹坑7-2的宽度和深度会变小。
当激光输出功率、激光重复频率一定的情况下，加工速度在0.05～0.25mm/s范围内，激光技工的速度越快即试件越短，激光加工的第一上凹坑6-2、第一下凹坑6-3、第二上凹坑7-1和第二下凹坑7-2的宽度和深度会变小。

Claims (10)

1.一种利用激光织构化制造抗磨损保持架的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
步骤一：水声探测步骤：选取一块保持架坯料，采用水声探测的方式对该块坯料进行无损探伤，符合相关要求的坯料作为保持架原块待下一步加工；
步骤二：保持架的粗细加工步骤：根据相关图纸要求对步骤一中经过探伤合格的保持架原块进行加工，首先粗车保持架原块的外圆，其次精车保持架原块的两个端面，然后细车保持架原块的内圆，最后在保持架原块上钻出兜孔(5)形成待织构块；
步骤三：调试步骤：采用355nm波长的紫外激光加工设备对待织构块粗车外圆表面，从而进行激光织构化，将待织构块固定安装在加工平台上，待织构块的外圆为待织构表面，按照设计要求调节加工平台的行进速度，加工平台行进速度的取值范围为0.05～0.25mm/s，同时调节紫外激光加工设备的输出功率和重复频率，输出功率为紫外激光加工设备最大输出功率60％～90％，重复输出频率的取值范围为10～130kHz，紫外激光加工设备的激光输出端(11)的焦距为17.5mm；
步骤四：对焦步骤：确保带有待织构块的加工平台固定不动，操作紫外激光加工设备的激光输出端(11)使其竖直下落，直至激光输出端(11)的焦点落在待织构块的待织构面上时，定位紫外激光加工设备的激光输出端(11)；
步骤五：表面织构加工步骤：运行预先编写完毕的加工代码，开启加工平台使其与紫外激光加工设备相配合完成对待织构块的待织构面的多个上织构单元(6)和多个下织构单元(7)的加工工作，确保上微通道(6-1)和下微通道(7-1)宽度的取值范围均为30μm～200μm，上微通道(6-1)和下微通道(7-1)槽深的取值范围均为5μm～20μm，第一凹坑阵列、第二凹坑阵列、第三凹坑阵列和第四凹坑阵列的直径取值范围均为30μm～200μm，第一凹坑阵列、第二凹坑阵列、第三凹坑阵列和第四凹坑阵列的深度取值范围均为5μm～20μm，从而完成待织构块外圆的织构化，形成保持架(3)。
2.根据权利要求1所述的一种利用激光织构化制造抗磨损保持架的方法，其特征在于：该方法还包括步骤六，步骤六为进一步加工步骤，该步骤为细车步骤四中保持架(3)的外圆，终车步骤四中保持架(3)两平面，去除保持架(3)的表面毛刺。
3.根据权利要求2所述的一种利用激光织构化制造抗磨损保持架的方法，其特征在于：该方法还包括步骤七，步骤七为动平衡检测步骤，该步骤为对经过步骤六加工后的保持架(3)进行动平衡检测，符合要求的保持架(3)投入后续加工步骤，否则按废料处理。
4.根据权利要求3所述的一种利用激光织构化制造抗磨损保持架的方法，其特征在于：该方法还包括步骤八，步骤八为清洗步骤，该步骤为对经过步骤七加工后的保持架(3)进行清洗。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的一种利用激光织构化制造抗磨损保持架的方法，其特征在于：步骤五中还需确保每两个相邻的上织构单元(6)之间的间距为50μm～500μm，每两个相邻的下织构单元(7)之间的间距为50μm～500μm。
6.利用权利要求1所述的方法加工形成的滚动轴承，它包括外套圈(1)、内套圈(2)、保持架(3)和多个滚动体(4)，所述内套圈(2)套装在外套圈(1)的内部且二者同轴设置，保持架(3)设置在外套圈(1)和内套圈(2)之间，多个滚动体(4)一一对应设置在保持架(3)上的多个兜孔(5)内，其特征在于：保持架(4)的外圆面上加工有多个上织构单元(6)和多个下织构单元(7)，多个上织构单元(6)沿保持架(4)的圆周方向依次布置在保持架(4)外圆面的上边缘处，多个下织构单元(7)沿保持架(4)的圆周方向依次布置在保持架(4)外圆面的下边缘处，上织构单元(6)的结构与下织构单元(7)的结构相同，每个上织构单元(6)包括上微通道(6-1)、至少一个第一上凹坑(6-2)和至少一个第一下凹坑(6-3)，上微通道(6-1)的两端分别与保持架(4)外圆周壁的上边缘相连通。
7.根据权利要求6所述的滚动轴承，其特征在于：上织构单元(6)的结构与下织构单元(7)的结构相同且二者关于保持架(4)中多个兜孔(5)的外圆中心线A-A线对称设置，每个下织构单元(7)包括下微通道(7-1)、至少一个第二上凹坑(7-2)和至少一个第二下凹坑(7-3)，下微通道(7-1)的两端分别与保持架(4)外圆周壁的下边缘相连通，至少一个第二上凹坑(7-2)设置在下微通道(7-1)的上方，至少一个第二下凹坑(7-3)设置在下微通道(7-1)的下方。
8.根据权利要求6或7所述的滚动轴承，其特征在于：上微通道(6-1)为曲线形凹槽或折线形凹槽。
9.根据权利要求8所述的滚动轴承，其特征在于：上微通道(6-1)的槽深小于保持架(4)的厚度，第一上凹坑(6-2)的深度与第一下凹坑(6-3)的深度相等，第一上凹坑(6-2)的深度小于保持架(4)的厚度。
10.根据权利要求9所述的滚动轴承，其特征在于：上微通道(6-1)宽度以及下微通道(7-1)宽度的取值范围均为30μm～200μm，上微通道(6-1)的槽深以及下微通道(7-1)的槽深的取值范围均为5μm～20μm，第一上凹坑(6-2)的直径、第一下凹坑(6-3)的直径、第二上凹坑(7-2)的直径和第二下凹坑(7-3)的直径的取值范围均为30μm～200μm；每两个相邻的上织构单元(6)之间的间距为50μm～500μm，每两个相邻的下织构单元(7)之间的间距为50μm～500μm。
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