CN108559819B - 变桨/偏航轴承套圈滚道的激光相变硬化方法及加工装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及激光加工应用技术领域，特别是涉及变桨/偏航轴承套圈滚道的激光相变硬化方法及加工装置。控制悬臂梁与支撑架上的滚珠丝杠调整所需加工位置，通过数字控制器调节聚焦装置将激光射向第三折射镜，由第三伺服电机控制第三折射镜转动实现从滚道顶部到底部的加工，激光在折射镜折射作用下始终垂直于加工位置，数字控制器控制回转平台水平转动速度，可以实现直径两米以上的不同尺寸，不同类型轴承套圈滚道表面的加工，工件通过自冷却在套圈滚道表层和次表层可形成稳定的位错、细化的晶粒，同时提高了其最大硬化层深，有效提高了轴承套圈滚道的接触强度和抗疲劳性能，改善了轴承工件的耐磨性和抗腐蚀性。
Description
技术领域
本发明涉及激光加工应用技术领域，特别是涉及变桨/偏航轴承套圈滚道的激光相变硬化方法及加工装置，适用于对大型轴承的滚道表面热处理。
技术背景
风力发电机组的工作环境比较恶劣，因而在抗振、抗疲劳方面要求较高，为了提高轴承的使用寿命，在加工过程中需要对轴承套圈滚道表面进行热处理，以提高其耐腐蚀性和抗振等性能，变桨/偏航轴承套圈一般采用42CrMo制造，也可采用性能相当或更优的其他材料，其套圈滚道表面淬火硬度应不低于55HRC，滚道表面硬化层深度应≥3mm。
传统热处理通过正火、退火、淬火在进行回火以得到高硬度的马氏体，回火后工件在抗振、抗疲劳方面的性能大幅提高。但由于加工过程中温度的不稳定，感应淬火阶段工件常常会因为淬火不完全故而存在软带，变桨/偏航轴承套圈尺寸一般都在两米以上，局部部位进行加工难度较大，且套圈壁较薄，工件在热处理过程中因此会因为高温而产生热变形，因而工件在回火后一般还需再进行精加工处理，回火过程中也可能产生裂纹导致报废。
随着科技的进步，激光淬火逐渐开始在机械行业广泛应用。相对于传统淬火，激光淬火能量密度高，冷却速度快，不需要冷却介质，其淬火淬硬层均匀，硬度高(比传统淬火高1～3HRC)，工件变形小，加热层深度和加热轨迹容易控制，易于实现自动化。因此在很多领域，激光淬火正逐步代替传统淬火。在风力发电轴承套圈的相变硬化方面，激光淬火也逐渐得到普遍运用。激光淬火可以实现对轴承滚珠和套圈滚道的局部加工，淬火后的工件不用再进行进一步的精加工，提高了其使用性能的同时，节省了加工工序。
沿滚道表面均匀分布的硬化层是套圈理想的硬化层形状，在当前国内的激光热处理工艺中，激光始终以恒定的角度射向工件，沿激光方向硬化层最深，激光对于平直工件，激光能始终垂直于平面射向工件，其硬化层沿平面均匀分布，对于不规则曲面，激光不能始终垂直于加工表面，故而在变桨/偏航轴承的激光相变硬化工艺中，往往沿滚道表面硬化层深不一致，而在本发明中，可以根据不同类型尺寸的轴承，调整激光对套圈滚道的加工角度，可以实现最大的加工深度，得到均匀分布的硬化层，进一步地提高轴承的使用寿命。
发明内容
本发明的目的在于，提供变桨/变桨轴承套圈滚道的激光相变硬化方法和装置，对激光加工工艺进行优化，提高对轴承套圈滚道的激光加工质量和效率，从而延长轴承的使用寿命。
为了实现上述目的，本发明提供了一种变桨/偏航轴承套圈滚道的激光相变硬化方法与装置。
本方法的创新之一在于提出了一种对激光光线进行微调的方法，利用折射原理，改变激光待加工表面的加工角度，在套圈滚道表层和次表层可形成稳定的位错、细化的晶粒，滚道表面形成5.5～6mm的硬化层深，加深了套圈滚道的硬化层厚度。
创新之二在于提出了一种适用于不同类型的轴承套圈进行激光加工的装置，该装置可以实现对单、双排四点接触球轴承以及交叉圆珠滚子式轴承套圈滚道表面进行加工，对于直径两米以上的大型轴承套圈也有一定的适用性；固定轴承套圈并对滚道表面涂以黑漆，由伺服电机调节滚珠丝杠控制折射镜相对于套圈滚道的径向和轴向的加工位置，使得激光能对不同尺寸类型的滚道表面进行加工，且激光束始终与加工表面切线垂直，打开激光器，滚道表面的黑漆吸收激光能量后滚道表面温度迅速上升开始产生相变，沿激光束方向相变深度最大，在吸收足够能量后转动折射镜将激光折射到下一个加工点，激光射入折射镜的方向不变，则加工位置沿切线垂直方向可以实现最大硬化层深；在移除激光束后，工件通过自冷却在套圈滚道表层和次表层可形成稳定的位错、细化的晶粒，有效提高了轴承套圈滚道的接触强度和抗疲劳性能，改善了齿轮工件的耐磨性和抗腐蚀性。
所述激光发生系统包括计算机、高功率CO2激光发生装置、凹透镜、第一凸透镜、第一折射镜、准直扩束镜、聚焦装置。计算机与高功率CO2激光发生装置相连，控制激光器发出所需要的激光参数，发出的激光经过准直扩束镜、凹透镜，第一凸透镜、第一折射镜折射到聚焦装置，所述聚焦装置由第二凸透镜和第二折射镜组成，光线经聚焦透镜聚焦后射向第三折射镜。
所述辅助加工系统包括数字控制器、悬臂梁、支撑架、回转平台、第一滚珠丝杠、第二滚珠丝杠、斜台、第一伺服电机、第二伺服电机、联轴器以及第三折射镜。数字控制器与计算机相连，通过控制回转平台转动的角速度来调节轴承套圈滚道周向的加工位置，悬臂梁设有第一滚珠丝杠，由第一伺服电机控制第一滚珠丝杠调整支撑架所需加工位置，悬臂梁与支撑架上均设有伺服电机，以调整对于不同尺寸、类型的套圈滚道的加工位置，支撑架上设有第二滚珠丝杠，第二滚珠丝杠上装有带倾角的斜台，本发明倾角为45度，当激光束以与加工位置切线平行方向射入斜台上折射镜时，激光便能垂直射向加工表面，通过斜台上的第三伺服电机控制第三折射镜转动来实现从滚道顶部到底部的加工。
本发明的具体方法为：
1.先对双排四点接触球轴承套圈滚道进行预处理，用无水乙醇对套圈滚道表面进行清洗，然后在滚道表面喷涂黑漆，黑漆厚度在0.21～0.76mm，黑漆厚度要均匀；
2.将轴承套圈固定在回转平台上，将悬臂梁固定，控制第一伺服电机调节支撑架的水平位置，第二伺服电机调节折射镜在竖直方向上的位置，调节数字控制器控制聚焦装置中第二折射镜的折射角度，使得激光能经折射后射入第三折射镜镜面上，同时射向套圈滚道表面的激光束与其表面切线方向垂直；
3.打开高功率CO2激光发生装置，通过计算机设置激光参数，激光波长10600nm，激光功率为900～1600W，光斑宽度为9mm，高功率激光发生装置发出激光聚焦到第三折射镜，激光射入第三折射镜后，由第三伺服电机控制第三折射镜转动，使得激光束在套圈滚道表面的扫描速度为120mm/min，激光从滚道顶部加工到底部后，数字控制器控制回转平台转动到下一个加工点，即滚道表面水平转动5mm，激光从套圈滚道底部再向顶部加工，如此反复，回转平台旋转一周后，套圈上滚道加工完成，由第二滚珠丝杠将第三折射镜从上滚道加工位置移动到套圈下滚道加工位置，移动长度为两滚道中心最短距离，直至完成整个套圈下滚道表面的加工；
4.关闭所有装置，将经相变硬化后的套圈取下，清除表面剩余的黑漆并用乙醇将表面清洗干净。
本发明的有益效果：
1.经过垂直滚道表面的激光束进行激光相变硬化工艺后，硬化层深度有明显提升，最大硬化层深可达6.5mm，套圈滚道的表层和次表层形成均匀稳定的位错、细化的晶粒，有效提高了轴承套圈滚道的接触强度和抗疲劳性能，改善了轴承套圈滚道的耐磨性和抗腐蚀性。
2.支撑架上设有倾角为45度的斜台，实际工作时可根据工作环境以及条件更换不同倾角的斜台，均可实现对滚道的相变硬化加工。
3.悬臂梁和支撑架上均设有滚珠丝杠，可以对不同尺寸的轴承套圈滚道进行加工，对于不同类型的套圈均可采用本装置进行相变硬化工艺处理，对直径两米以上的大型轴承套圈具有普遍的适用性。
附图说明
图1为双排四点轴承内套圈滚道激光相变硬化原理图；
附图中标号：1.数字控制器，2.计算机，3.高功率CO2激光发生装置，4.准直扩束镜，5.凹透镜，6.第一凸透镜，7.第一折射镜，8.聚焦装置，9.第二凸透镜，10.第二折射镜，11.悬臂梁，12.第一伺服电机，13.第一联轴器，14.支撑架，15.第二伺服电机，16.第一滚珠丝杠，17.轴承内套圈，18.回转平台，19.第二滚珠丝杠，20.斜台，21.第三伺服电机，22.第三折射镜；24.第二联轴器。
图2为轴承外套圈滚道激光相变硬化原理图；
附图中标号：23.轴承外套圈；
图3为斜台装置示意图；
图4为单排四点轴承套圈滚道相变硬化原理图；
图5为滚道表面激光相变硬化原理图；
图6装置加工流程图；
具体实施方式
下面参考附图并结合具体实施案例对本发明作具体详细说明。
如图1所示，所述回转平台18上固定有轴承内套圈17，轴承套圈材料为42CrMo，同时在回转平台18的外工作面上固定有悬臂梁11，所述悬臂梁11上装有第一滚珠丝杠16，悬臂梁11左侧通过螺栓与第一伺服电机12连接，第一伺服电机12与第一滚珠丝杠16由第一联轴器13实现同轴度配合，第一联轴器13可以将第一伺服电机12输出扭矩传递给第一滚珠丝杠16，所述支撑架14通过螺栓固定在第一滚珠丝杠16的滑块上，支撑架上装有第二滚珠丝杠19，第二伺服电机15由螺栓紧固于支撑架14挡板上，第二伺服电机15与第二滚珠丝杠19由第二联轴器24实现同轴度配合，第二联轴器24可以将第二伺服电机15输出扭矩传递给第二滚珠丝杠19，第二滚珠丝杠19上滑块由螺栓与斜台20连接，斜台20上固定有与第三折射镜22相连的第三伺服电机21。
固定轴承内套圈17，通过悬臂梁11上第一伺服电机12控制第一滚珠丝杠16将支撑架14移动至悬臂梁11左侧，调整并确定第三折射镜22的水平加工位置，第三折射镜22同时在支撑架14上第二伺服电机15的控制下移动到上滚道待加工点，调整并确定第三折射镜22的竖直方向加工位置；打开激光器3设置激光参数：激光功率为1600W，光斑宽度为9mm，激光在经激光器3发出后射向准直扩束镜4，准直扩束镜4将激光进行发散后由折射镜改变角度后进入聚焦装置8，控制数字控制器1调节聚焦装置8中的第二折射镜10，使激光能以45度角射入倾斜角为45度的斜台20的第三折射镜22上，第三折射镜22利用折射原理将激光垂直射向待加工点，激光从内套圈上滚道顶部位置开始加工，滚道表面黑漆吸收能量后温度迅速升高并达到相变点，滚道表面开始发生相变，此时控制第三伺服电机21转动第三折射镜22，使激光在套圈滚道的扫描速度为120mm/min，激光在第三折射镜22的转动下自上滚道顶部运动到套圈上滚道底部，激光运动过程中始终与滚道加工表面位置垂直；所述轴承内套圈17上滚道底部加工完成后，数字控制器1控制回转平台18转动到下一个加工位置，滚道表面转动距离为5mm，第三折射镜22在第三伺服电机21的控制下沿套圈上滚道底部向套圈上滚道顶部加工，保持120mm/min的扫描速度，所述激光加工至套圈上滚道顶部位置后，回转平台18带动轴承内套圈17转动5mm，扫描一周后暂停激光器3，控制第二伺服电机15驱动第二滚珠丝杠19转动到套圈下滚道加工位置，调节数字控制器1转动聚焦装置8中的第二折射镜10折射角度，激光经聚焦后折射到支撑架第三折射镜21上，打开激光器3继续激光扫描，重复与上滚道相同加工工序，扫描一周完成整个套圈滚道加工后，关闭所有电源，取下轴承内套圈17，清除滚道表面残余黑漆后用无水乙醇清洗。如图4所示，加工对象为单排四点接触轴承套圈时则只需重复图1上滚道加工步骤，直接关闭激光器3，关闭所有电源，取下套圈，清除表面残余黑漆后用无水乙醇清洗即可。
如图2所示，将所述轴承外套圈24固定于回转平台18上，控制第一伺服电机10将支撑架14运动到悬臂梁11右侧，固定悬臂梁11，将第三折射镜21运动到上滚道加工位置，打开激光发生器3，调节数字控制器1，重复轴承内套圈17加工工序。
相变硬化过程中激光束始终垂直于滚道表面，待套圈完全冷却后可得到沿滚道表面均匀分布的硬化层，其硬化层深度进一步的提高，耐磨性与抗疲劳性能得到明显改善。
Claims (7)
1.变桨/偏航轴承套圈滚道的激光相变硬化加工装置，其特征在于：
加工装置包括激光发生系统和辅助加工系统；
所述激光发生系统包括计算机、高功率CO2激光发生装置、凹透镜、第一凸透镜、第一折射镜、准直扩束镜、聚焦装置；计算机与高功率CO2激光发生装置相连，控制激光器发出所需要的激光参数，发出的激光经过准直扩束镜、凹透镜，第一凸透镜、第一折射镜折射到聚焦装置，所述聚焦装置由第二凸透镜和第二折射镜组成，光线经聚焦透镜聚焦后射向第三折射镜；
所述辅助加工系统包括数字控制器、悬臂梁、支撑架、回转平台、第一滚珠丝杠、第二滚珠丝杠、斜台、第一伺服电机、第二伺服电机、联轴器以及第三折射镜；数字控制器与计算机相连，通过控制回转平台转动的角速度来调节轴承套圈滚道周向的加工位置；
所述回转平台上固定有轴承内套圈或轴承外套圈，同时在回转平台的外工作面上固定有悬臂梁，所述悬臂梁上装有第一滚珠丝杠，悬臂梁左侧通过螺栓与第一伺服电机连接，第一伺服电机与第一滚珠丝杠由第一联轴器实现同轴度配合，第一联轴器将第一伺服电机输出扭矩传递给第一滚珠丝杠，所述支撑架通过螺栓固定在第一滚珠丝杠的滑块上，支撑架上装有第二滚珠丝杠，第二伺服电机由螺栓紧固于支撑架挡板上，第二伺服电机与第二滚珠丝杠由第二联轴器实现同轴度配合，第二联轴器将第二伺服电机输出扭矩传递给第二滚珠丝杠，第二滚珠丝杠上滑块由螺栓与斜台连接，斜台上固定有与第三折射镜相连的第三伺服电机。
2.如权利要求1所述的变桨/偏航轴承套圈滚道的激光相变硬化加工装置，其特征在于：斜台的倾角为45度，当激光束以与加工位置切线平行方向射入斜台上第三折射镜时，激光便能垂直射向加工表面，实现最大硬化层深；通过斜台上的第三伺服电机控制第三折射镜转动来实现从滚道顶部到底部的加工。
3.使用如权利要求1所述加工装置实施变桨/偏航轴承套圈滚道的激光相变硬化方法，其特征在于：
(1)先对双排四点接触球轴承套圈滚道进行预处理，用无水乙醇对套圈滚道表面进行清洗，然后在滚道表面喷涂黑漆；
(2)将轴承套圈固定在回转平台上，将悬臂梁固定，控制第一伺服电机调节支撑架的水平位置，第二伺服电机调节第三折射镜在竖直方向上的位置，调节数字控制器控制聚焦装置中第二折射镜的折射角度，使得激光能经折射后射入第三折射镜镜面上，同时射向套圈滚道表面的激光束与其表面切线方向垂直；
(3)打开高功率CO2激光发生装置，通过计算机设置激光参数，高功率激光发生装置发出激光聚焦到第三折射镜，激光射入第三折射镜后，由第三伺服电机控制第三折射镜转动，激光从滚道顶部加工到底部后，数字控制器控制回转平台转动到下一个加工点，激光从套圈滚道底部再向顶部加工，如此反复，回转平台旋转一周后，套圈上滚道加工完成，由第二滚珠丝杠将第三折射镜从上滚道加工位置移动到套圈下滚道加工位置，移动长度为两滚道中心最短距离，直至完成整个套圈下滚道表面的加工；
(4)关闭所有装置，将经相变硬化后的套圈取下，清除表面剩余的黑漆并用乙醇将表面清洗干净。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，黑漆厚度在0.21～0.76mm。
5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，激光波长10600nm，激光功率为900～1600W，光斑宽度为9mm。
6.如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，由第三伺服电机控制第三折射镜转动，使得激光束在套圈滚道表面的扫描速度为120mm/min。
7.如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，数字控制器控制回转平台转动到下一个加工点，即滚道表面水平转动5mm。
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