CN108018507A - 一种滚动电旋转传输装置的柔性环制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种滚动电旋转传输装置的柔性环制备方法，包括柔性环的材料选择、粗车、固溶处理、半时效、精车、全时效和电镀；其中柔性环材料采用了具有强疲劳特性的铍青铜棒料；粗车过程中，将铍青铜棒料加工成外圆内孔的管料，然后进行固溶处理；固溶处理完成后观察固溶处理的金相组织；半时效和全时效处理过程均在带有强制空气循环装置的空气炉中进行，两次处理过程中分别用洛氏硬度计和维氏硬度计测量硬度；最后在电镀过程中，在柔性环的表面依次镀覆有铜、氨基磺酸镍和纯金。本发明具有良好的弹性和疲劳寿命、良好的电接触性能的优点，可满足滚动电旋转传输装置长时间工作的要求。

Description

一种滚动电旋转传输装置的柔性环制备方法
技术领域
本发明涉及滚动电旋转传输装置，尤其是涉及一种滚动电旋转传输装置的柔性环制备方法。
背景技术
滚动电旋转传输装置是由相互嵌套的内导电环、外导电环、柔性环、惰轮、导轨等组成的多环路滚动摩擦副结构轴向叠加而成的精密输电装置，可实现两个相对360°无限制自由旋转设备间功率和信号传输，主要应用于航空、航天、航海、兵器、风电等领域内需要进行信号旋转电传输的系统中。相比传统导电滑环依靠环体与刷丝结构相互接触滑动摩擦来实现旋转传输功能，滚动电旋转传输装置的突出特点是依靠柔性环与内导电环、外导电环之间的滚动摩擦来实现旋转传输功能，具有长寿命、大功率、高可靠性、低摩擦力矩、低噪声等优点，尤其适用于我国各类大功率、长寿命航天飞行器、航管雷达、惯性陀螺测试设备和风电变桨系统的配套需求。
在滚动电旋转传输装置的各环路中，柔性环圆周布置在内导电环、外导电环之间，并与内导电环、外导电环相接触。惰轮间隔柔性环间放置，用于防止柔性环的周向蹿动。工作时，内导电环、外导电环相对旋转，柔性环在内导电环、外导电环的环道之间进行自转和公转，信号及电流通过柔性环与内导电环、外导电环的滚动摩擦进行传递，进而实现各环路的转动端与静止端之间的功率传输。
柔性环是直径38.5mm、壁厚不大于0.3mm的柔性薄壁圆环，且采用弹性材料：铍青铜，加工成形难度大。作为关键的滚动传输部件，柔性环的制备工艺直接决定着滚动电旋转传输装置的摩擦磨损、寿命和稳定性等重要指标。
国外美、欧等国家对长寿命滚动电旋转传输装置的制备工艺技术已经发展得比较成熟，已经突破了抗疲劳长寿命滚动柔性薄壁器件的制备工艺技术，技术成果已用于国际空间站配套长寿命滚动旋转电传输装置中，可实现装备在轨可靠运行20年以上。国内近几年滚动旋转电传输装置的研制技术发展较快，对其柔性薄壁器件的精密加工已取得一定进展，提升了滚动旋转电传输装置的电传输性能、效率和功率，但对柔性薄壁圆环的制备技术方面还没有形成成熟的制备工艺方法，抗疲劳柔性环的加工精度距离目标1000000次弹性疲劳、圆度0.03仍有较大差距，而国外在此技术上对我国实行技术封锁。因此迫切需要进行滚动电旋转传输装置的柔性环制备工艺技术研究，保障我国国防建设的持续稳定发展。
发明内容
本发明的目的在于提供一种滚动电旋转传输装置的柔性环制备方法，使依据此制备方法得到的柔性环具有良好的弹性和疲劳寿命，同时具备良好的电接触性能，可满足滚动电旋转传输装置长时间工作的要求。
本发明的目的是这样实现的：
一种滚动电旋转传输装置的柔性环制备方法，特征是：具体步骤如下：
A、材料选择：采用具有强疲劳特性的铍青铜棒料；
B、粗车：粗车过程中，将铍青铜棒料加工成外圆内孔的铍青铜管料；
C、固溶处理：将粗车好的铍青铜管料进行固溶处理，使铍青铜管料中的富铍相固溶于铍青铜基体中，加热温度为750-780℃，恒温保持1-2h，以20℃/min的速度快速冷却，固溶处理完成后对铍青铜管料进行金相组织检验，采用金相显微镜观察固溶处理后的金相组织，检验标准是：如果金相组织匀称，没有出现±5μm过大和过小的金相结构，则说明固溶处理达到要求，如果金相过大或者过小，则说明固溶处理没有达到处理要求；
D、半时效：在带有强制空气循环装置的空气炉中，对固溶处理完成后得到的铍青铜管料置于真空烘烤箱内以不同的温度进行半时效处理，半时效的分级过程分成三级，半时效处理温度为150℃、200℃、250℃，每升高50℃为一级，半时效的温度偏差不超过3-5℃，三级各处理30min；在半时效后用洛氏硬度计对铍青铜管料进行第一次硬度检验，测量铍青铜管料的硬度；
E、精车：首先对对第一次硬度检验合格后的管料的内孔进行精车，将内孔定位后，再精车外圆和管料断面处的圆弧，最后抛光外表面，得到柔性薄壁环；
F、全时效：在带有强制空气循环装置的空气炉中，对精车后得到的柔性薄壁环置于真空烘烤箱内以不同的温度进行全时效处理，全时效处理温度为280-320℃，处理1-2h，全时效的温度偏差不超过3-5℃；再用维氏硬度计对柔性薄壁环进行第二次硬度检验，测量柔性薄壁环的维氏硬度；整个热处理过程中采用黄铜加工的芯轴保护柔性薄壁环；
G、电镀：将经过第二次硬度检验合格后的柔性薄壁环依次放入铜电镀池、氨基磺酸镍电镀池和纯金电镀池中进行电镀，电镀过程中，确定在柔性薄壁环的表面依次镀覆有铜、氨基磺酸镍和纯金，电镀完成后得到成品柔性环。
步骤A中：铍青铜棒料为QBe17200的铍青铜棒料。
步骤B中：铍青铜管料的内孔和外圆均留2mm的加工余量。
步骤C中：固溶处理的作用是：a、使铍青铜管料中的富铍相固溶于铍青铜基体中，快速冷却以获得具有沉淀硬化能力的过饱和固溶体，为时效强化做准备；b、能使加工硬化的铍青铜管料软化，消除一些晶体缺陷有助于组织均匀，为进一步加工创造有利条件。固溶处理必须严格控制加热温度、保温时间和冷却速度，加热温度要求为750-780℃，恒温保持1-2h，快速冷却速度为20℃/min。
步骤F中：因铍青铜材料的弹性模量和屈服强度在淬火后会随时效沉淀硬化时间的延长而增大，且其屈服强度和疲劳强度在峰时效时达到最大值，因此，要获得最佳状态的铍青铜柔性环零件，全时效应使其达到峰时效状态。要求全时效的处理温度为280-320℃，处理1-2h。因精车后的柔性薄壁环为薄壁件，全时效处理后用维氏硬度计来测量维氏硬度。
在测量步骤D中的铍青铜管料和步骤F中的柔性薄壁环的硬度过程中，检验标准是：硬度越高，则说明处理后的铍青铜管料和柔性薄壁环的弹性性能越好，抗疲劳强度越大。为满足柔性环的疲劳寿命要求，全时效处理后测量柔性薄壁环的维氏硬度的平均值应在380-410HV。
铍青铜在半时效和全时效的处理过程中，因铍青铜管料和柔性薄壁环中若存在弹性或残余压应力，铍青铜管料和柔性薄壁环会产生变形。为保证铍青铜工件的形状和尺寸精度，均采用黄铜（H62）加工的工装（芯轴）保护铍青铜管料和柔性薄壁环，将铍青铜管料和柔性薄壁环固定在夹具中进行热处理。
由于铍青铜材料在空气环境中易氧化，从而影响到柔性环与内导电环、外导电环的电接触性能，并且由于铍青铜材料的硬度较高，在滚动电旋转传输装置的环路运转过程中，柔性环与内导电环、外导电环相互接触滚动摩擦，柔性环表面材料极易被磨损，从而影响电接触性能。因此，在柔性环的表面应选择合适的表面镀覆方案，以提高环路的传输效率、降低环路电阻，以及提高电接触的稳定性。本发明确定在柔性环的表面依次镀覆铜、氨基磺酸镍和纯金，第一层（最内层）的镀铜层为打底层，是保证与后续镀层及柔性薄壁环的结合力；第二层的镀镍层为减磨层，主要是阻止内部铜原子的向外迁徙，并提高镀层的表面硬度，降低最外层镀层的磨损，最外层镀金，目的是为了尽可能地降低柔性环与内导电环、外导电环的接触电阻，此外因金还具有良好的润滑性能的延展性能，能够解决长寿命下运动部件间的摩擦磨损、热应力变化等所带来的相关问题。
申请人是在目前尚无长寿命滚动电旋转传输装置的柔性环制备方法的情况下，在进行了大量工艺试验摸索和研究的基础上，首创了一种滚动电旋转传输装置的柔性环制备方法，成功地实现了大尺寸柔性薄壁零件的加工制备，得到的柔性环具有良好的弹性和疲劳寿命，同时具备良好的电接触性能，可满足滚动电旋转传输装置长时间工作的要求，从而打破了国外技术封锁，填补了国内空白。
附图说明
图1为本发明的流程框图。
具体实施方式
下面结合实施例并对照附图对本发明作进一步详细说明。
实施例1：
一种滚动电旋转传输装置的柔性环制备方法，具体步骤如下：
A、材料选择：采用具有强疲劳特性、美国进口QBe17200的铍青铜棒料；
B、粗车：粗车过程中，将铍青铜棒料加工成外圆内孔的铍青铜管料，铍青铜管料的内孔和外圆均留2mm的加工余量；
C、固溶处理：使粗车好的铍青铜管料进行固溶处理，使铍青铜管料中的富铍相固溶于铍青铜基体中，加热温度为750℃，恒温保持1h，以20℃/min的速度快速冷却，固溶处理完成后对铍青铜管料进行金相组织检验，采用金相显微镜观察固溶处理后的金相组织，检验标准是：如果金相组织匀称，没有出现±5μm差异大小的金相结构，则说明固溶处理达到要求，如果金相过大或者过小，则说明固溶处理没有达到处理要求，应进行报废处理；
D、半时效：在带有强制空气循环装置的空气炉中，对固溶处理完成后得到的铍青铜管料置于真空烘烤箱内以不同的温度进行半时效处理，半时效的分级过程分成三级，半时效处理温度为150℃、200℃、250℃，每升高50℃为一级，半时效的温度偏差不超过3-5℃，三级各处理30min；在半时效后用洛氏硬度计对铍青铜管料进行第一次硬度检验，测量铍青铜管料的硬度；
E、精车：首先对对第一次硬度检验合格后的管料的内孔进行精车，将内孔定位后，再精车外圆和管料断面处的圆弧，最后抛光外表面，得到柔性薄壁环；
F、全时效：在带有强制空气循环装置的空气炉中，对精车后得到的柔性薄壁环置于真空烘烤箱内以不同的温度进行全时效处理，全时效处理温度为280℃，处理1h，全时效的温度偏差不超过3-5℃；再用维氏硬度计对柔性薄壁环进行第二次硬度检验，测量柔性薄壁环的维氏硬度；整个热处理过程中采用黄铜加工的芯轴保护柔性薄壁环；
G、电镀：将经过第二次硬度检验合格后的柔性薄壁环依次放入铜电镀池、氨基磺酸镍电镀池和纯金电镀池中进行电镀，电镀过程中，确定在柔性薄壁环的表面依次镀覆有铜、氨基磺酸镍和纯金，电镀完成后得到成品柔性环。
实施例2：
一种滚动电旋转传输装置的柔性环制备方法，具体步骤如下：
A、材料选择：采用具有强疲劳特性、美国进口QBe17200的铍青铜棒料；
B、粗车：粗车过程中，将铍青铜棒料加工成外圆内孔的铍青铜管料，铍青铜管料的内孔和外圆均留2mm的加工余量；
C、固溶处理：使粗车好的铍青铜管料进行固溶处理，使铍青铜管料中的富铍相固溶于铍青铜基体中，加热温度为770℃，恒温保持1.5h，以20℃/min的速度快速冷却，固溶处理完成后对铍青铜管料进行金相组织检验，采用金相显微镜观察固溶处理后的金相组织，检验标准是：如果金相组织匀称，没有出现±5μm差异大小的金相结构，则说明固溶处理达到要求，如果金相过大或者过小，则说明固溶处理没有达到处理要求，应进行报废处理；
D、半时效：在带有强制空气循环装置的空气炉中，对固溶处理完成后得到的铍青铜管料置于真空烘烤箱内以不同的温度进行半时效处理，半时效的分级过程分成三级，半时效处理温度为150℃、200℃、250℃，每升高50℃为一级，半时效的温度偏差不超过3-5℃，三级各处理30min；在半时效后用洛氏硬度计对铍青铜管料进行第一次硬度检验，测量铍青铜管料的硬度；
E、精车：首先对对第一次硬度检验合格后的管料的内孔进行精车，将内孔定位后，再精车外圆和管料断面处的圆弧，最后抛光外表面，得到柔性薄壁环；
F、全时效：在带有强制空气循环装置的空气炉中，对精车后得到的柔性薄壁环置于真空烘烤箱内以不同的温度进行全时效处理，全时效处理温度为300℃，处理1.5h，全时效的温度偏差不超过3-5℃；再用维氏硬度计对柔性薄壁环进行第二次硬度检验，测量柔性薄壁环的维氏硬度；整个热处理过程中采用黄铜加工的芯轴保护柔性薄壁环；
G、电镀：将经过第二次硬度检验合格后的柔性薄壁环依次放入铜电镀池、氨基磺酸镍电镀池和纯金电镀池中进行电镀，电镀过程中，确定在柔性薄壁环的表面依次镀覆有铜、氨基磺酸镍和纯金，电镀完成后得到成品柔性环。
实施例3：
一种滚动电旋转传输装置的柔性环制备方法，具体步骤如下：
A、材料选择：采用具有强疲劳特性、美国进口QBe17200的铍青铜棒料；
B、粗车：粗车过程中，将铍青铜棒料加工成外圆内孔的铍青铜管料，铍青铜管料的内孔和外圆均留2mm的加工余量；
C、固溶处理：使粗车好的铍青铜管料进行固溶处理，使铍青铜管料中的富铍相固溶于铍青铜基体中，加热温度为780℃，恒温保持2h，以20℃/min的速度快速冷却，固溶处理完成后对铍青铜管料进行金相组织检验，采用金相显微镜观察固溶处理后的金相组织，检验标准是：如果金相组织匀称，没有出现±5μm差异大小的金相结构，则说明固溶处理达到要求，如果金相过大或者过小，则说明固溶处理没有达到处理要求，应进行报废处理；
D、半时效：在带有强制空气循环装置的空气炉中，对固溶处理完成后得到的铍青铜管料置于真空烘烤箱内以不同的温度进行半时效处理，半时效的分级过程分成三级，半时效处理温度为150℃、200℃、250℃，每升高50℃为一级，半时效的温度偏差不超过3-5℃，三级各处理30min；在半时效后用洛氏硬度计对铍青铜管料进行第一次硬度检验，测量铍青铜管料的硬度；
E、精车：首先对对第一次硬度检验合格后的管料的内孔进行精车，将内孔定位后，再精车外圆和管料断面处的圆弧，最后抛光外表面，得到柔性薄壁环；
F、全时效：在带有强制空气循环装置的空气炉中，对精车后得到的柔性薄壁环置于真空烘烤箱内以不同的温度进行全时效处理，全时效处理温度为320℃，处理2h，全时效的温度偏差不超过3-5℃；再用维氏硬度计对柔性薄壁环进行第二次硬度检验，测量柔性薄壁环的维氏硬度；整个热处理过程中采用黄铜加工的芯轴保护柔性薄壁环；
G、电镀：将经过第二次硬度检验合格后的柔性薄壁环依次放入铜电镀池、氨基磺酸镍电镀池和纯金电镀池中进行电镀，电镀过程中，确定在柔性薄壁环的表面依次镀覆有铜、氨基磺酸镍和纯金，电镀完成后得到成品柔性环。

Claims (5)

1.一种滚动电旋转传输装置的柔性环制备方法，其特征在于：具体步骤如下：
A、材料选择：采用具有强疲劳特性的铍青铜棒料；
B、粗车：粗车过程中，将铍青铜棒料加工成外圆内孔的铍青铜管料；
C、固溶处理：将粗车好的铍青铜管料进行固溶处理，使铍青铜管料中的富铍相固溶于铍青铜基体中，加热温度为750-780℃，恒温保持1-2h，以20℃/min的速度快速冷却，固溶处理完成后对铍青铜管料进行金相组织检验，采用金相显微镜观察固溶处理后的金相组织，检验标准是：如果金相组织匀称，没有出现±5μm过大和过小的金相结构，则说明固溶处理达到要求，如果金相过大或者过小，则说明固溶处理没有达到处理要求；
D、半时效：在带有强制空气循环装置的空气炉中，对固溶处理完成后得到的铍青铜管料置于真空烘烤箱内以不同的温度进行半时效处理，半时效的分级过程分成三级，半时效处理温度为150℃、200℃、250℃，每升高50℃为一级，半时效的温度偏差不超过3-5℃，三级各处理30min；在半时效后用洛氏硬度计对铍青铜管料进行第一次硬度检验，测量铍青铜管料的硬度；
E、精车：首先对对第一次硬度检验合格后的管料的内孔进行精车，将内孔定位后，再精车外圆和管料断面处的圆弧，最后抛光外表面，得到柔性薄壁环；
F、全时效：在带有强制空气循环装置的空气炉中，对精车后得到的柔性薄壁环置于真空烘烤箱内以不同的温度进行全时效处理，全时效处理温度为280-320℃，处理1-2h，全时效的温度偏差不超过3-5℃；再用维氏硬度计对柔性薄壁环进行第二次硬度检验，测量柔性薄壁环的维氏硬度；整个热处理过程中采用黄铜加工的芯轴保护柔性薄壁环；
G、电镀：将经过第二次硬度检验合格后的柔性薄壁环依次放入铜电镀池、氨基磺酸镍电镀池和纯金电镀池中进行电镀，电镀过程中，确定在柔性薄壁环的表面依次镀覆有铜、氨基磺酸镍和纯金，电镀完成后得到成品柔性环。
2.根据权利要求1所述的滚动电旋转传输装置的柔性环制备方法，其特征在于：步骤A中：铍青铜棒料为QBe17200的铍青铜棒料。
3.根据权利要求1所述的滚动电旋转传输装置的柔性环制备方法，其特征在于：步骤B中：铍青铜管料的内孔和外圆均留2mm的加工余量。
4.根据权利要求1所述的滚动电旋转传输装置的柔性环制备方法，其特征在于：步骤F中：为满足柔性环的疲劳寿命要求，全时效处理后测量柔性薄壁环的维氏硬度的平均值在380-410HV。
5.根据权利要求1所述的滚动电旋转传输装置的柔性环制备方法，其特征在于：铍青铜在半时效和全时效的处理过程中，为保证铍青铜工件的形状和尺寸精度，均采用黄铜H62加工的工装：芯轴保护铍青铜管料和柔性薄壁环，将铍青铜管料和柔性薄壁环固定在夹具中进行热处理。
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