CN109371223B - 滚动轴承圈激光强化装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种滚动轴承圈激光强化装置，包括：定位套，该定位套的两柱面其一与轴承圈装配面间形成第一轴孔配合；加热总成，装配于定位套的另一柱面上；轴向约束，包括第一端约束和第二端约束，两约束对轴承圈的两端定位锁紧，且至少其一与定位套间形成可拆连接；驱动装置，用于驱动定位套绕自身轴线自转；激光器，该激光器的激光投射到所述滚道上；以及约束板，为与轴承圈的滚道面配合的套形板，用于机械地罩蔽滚道，且该约束板为相对于激光器所投射激光的透明板。依据本发明能够有效抑制滚动轴承圈激光强化时因热应力而产生的变形。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于滚动轴承圈强化的激光强化装置。
背景技术
滚动轴承是机械传动系统的关键基础件。目前，我国虽是轴承生产大国，但非轴承制造强国，高性能滚动轴承的制造水平还远远不能满足高端装备发展的需求，致使大量高端装备配套所需的高性能滚动轴承仍然依赖进口，制约了我国装备制造业的发展。
影响滚动轴承使用寿命的因素除了滚动体及轴承圈的加工精度外，还与滚动体和轴承圈上的滚道的抗接触疲劳强度的大小有关。其中，关于滚动轴承圈上滚道的抗接触疲劳强度的提高，除了改善轴承钢的基体材质以外，采用表面强化工艺是一个非常有效的途径。
目前，可用于轴承套表面强化的工艺种类繁多，最为传统的工艺是对待强化表面进行渗氮或者渗碳处理，这属于化学热处理工艺。传统工艺中较为常见的纯物理处理工艺是喷丸或者冷滚压，该类工艺称为表面形变强化工艺。随着技术的发展，还出现了薄膜强化工艺（如PVD、CVD、离子注入与沉积）等。然而，由于滚动轴承对轴承圈滚道表层材料的物理机械性能（如硬度、滚动接触疲劳强度、耐磨性等）的要求较高，现有大部分的表面强化工艺难以做出进一步的开发，以进一步提高轴承圈的抗接触疲劳强度。
近年来在新的技术领域对表面强化工艺有新的探索，例如中国专利文献CN103231202A，其公开了一种轴承滚道超声波强化方法和装置，其利用超声波对轴承圈的滚道表面进行强化。超声强化可控因素比较多，所衍生出的超声强化工艺也非常多，只不过其设备相对较大，并且需要适配其他的介质以满足工艺要求。
近年来，激光冲击强化技术发展迅速，该技术不仅能够使金属材料表层产生有利的残余压应力，而且能够使金属材料表层的晶粒细化，生成大量位错、孪晶等微观组织结构，从而有效提高材料表层的疲劳强度，同时激光冲击强化技术具有非接触、操作方便、可控性强和适用范围广等特点，因此在滚动轴承领域内具有良好的应用前景。
然而，目前滚动轴承套圈的激光冲击强化技术存在以下两个问题：①激光冲击在滚道表层产生的残余应力会破坏套圈内部的材料力学平衡，从而使轴承套圈产生几何变形；②在滚动接触交变载荷作用下，激光冲击在套圈滚道表层产生的有利的残余压应力并不稳定，容易发生应力松弛。
典型地，中国专利文献CN108559835A公开了一种激光加工滚珠轴承外滚道的装置和方法，其中其装置部分包括激光器和镜组，激光器的出射激光通过镜组投射到轴承外滚道上，而用做轴承圈工装的部件包括一个夹具和一个机械手，通过机械手来控制夹具的姿态。在轴承圈的激光强化过程中，夹具对轴承圈的变形欠缺约束，容易产生加工变形。
发明内容
本发明是对滚动轴承圈激光强化装置的进一步改进，提出一种能够有效抑制滚动轴承圈激光强化时因热应力而产生的变形的滚动轴承圈激光强化装置。
依据本发明的实施例，提供一种滚动轴承圈激光强化装置，记轴承圈开有滚道的柱面为滚道面，与滚道面相对的柱面为装配面，所述滚动轴承圈激光强化装置包括：
定位套，该定位套的两柱面其一与装配面间形成第一轴孔配合；
加热总成，装配于定位套的另一柱面上；
轴向约束，包括第一端约束和第二端约束，两约束对待强化轴承圈的两端定位锁紧，且至少其一与定位套间形成可拆连接；
驱动装置，用于驱动定位套绕自身轴线自转；
激光器，该激光器的激光投射到所述滚道上；以及
约束板，为与滚道面配合的套形板，用于机械地罩蔽滚道，且该约束板为相对于激光器所投射激光的透明板。
上述滚动轴承圈激光强化装置，可选地，所述加热总成构成管套件，且该管套件的与定位套的另一柱面间形成第二轴孔配合。
可选地，所述加热总成包括：
加热座内圈；以及
加热座外圈，嵌套在加热座内圈外，且该加热座外圈与加热座内圈的配合界面用于安装加热体。
可选地，配合界面形成螺旋槽，用于安装螺旋状的电热丝，该电热丝构成所述加热体。
可选地，轴向约束另一为固定约束部，该固定约束部包括形成在定位套相应端的凸缘；
可拆的轴向约束包括一螺母，相应地，定位套设有与螺母配合的螺纹段。
可选地，在螺母与待强化轴承圈间，以及凸缘与待强化的轴承圈间均设有变形约束环；
变形约束环与定位套配合用于对待强化轴承圈的端面接合形成约束。
可选地，所述约束板包括在轴向居中的凸曲面部和位于凸曲面部两端的各一个配合柱面部；
其中，凸曲面部与滚道配合；
配合柱面部与滚道面过盈配合；
相应地，约束板具有两半环件，两半环件对合形成完整的约束板。
可选地，用于两半环件对合限位的部件为压在配合柱面部上的压板或周向约束件；
其中，周向约束件构造为：
若待强化轴承圈为轴承内圈时，周向约束件为箍套在配合柱面部上的套圈；
若待强化轴承圈为轴承外圈时，周向约束件为与周向约束件内柱面配合的支撑环。
可选地，激光器的输出透镜有两个，并在待强化轴承圈轴向两端各配有一个，两输出透镜的轴线夹角为85~90度。
可选地，驱动装置的输出端为输出轴，该输出轴与定位套的一端采用键连接。
在本发明的实施例中，提供专门的工装对待强化轴承圈进行轴向约束和基于与定位套间的轴孔配合的径向约束，从而可以在进行激光强化时，有效的抑制待强化轴承圈的变形，在激光强化完成后，解除约束，使轴承圈保持原有的几何形状。进一步地，提供加热总成，可以在激光强化前，先对待强化轴承圈进行加热，使轴承圈先期升温到给定的温度，降低激光强化所产生温度对轴承圈的负面影响。在对轴承圈滚道表面进行激光冲击强化前，先通过加热总成将轴承内圈加热到给定温度，可以使轴承圈滚道表层材料在受到激光冲击时因为动态应变时效效应而产生高密度的位错和位错缠结，从而提高滚道表层残余应力场的稳定性，减缓有利的残余压应力在滚动接触交变载荷作用下的松弛速率。
附图说明
图1为一实施例中滚动轴承内圈激光强化装置结构示意图。
图2为一实施例中滚动轴承内圈激光强化装置的激光冲击约束板、约束板端面挡块、柔性压块、柔性压块支撑板和轴承内圈的结构及其相对位置关系示意图。
图3为一实施例中滚动轴承外圈激光强化装置结构示意图。
图4、图5示出一实施例中滚动轴承外圈激光强化装置的激光冲击约束板、约束板端面挡块、柔性压块、柔性压块支撑板和轴承内圈的结构及其相对位置关系示意图。
图6示出一实施例中滚动轴承内圈激光冲击约束板的结构示意图。
图7示出一实施例中滚动轴承外圈的激光冲击约束板的结构示意图。
图8示出一实施例滚动轴承内圈滚道表面激光强化光斑运动轨迹。
图9示出另一实施例滚动轴承外圈滚道表面激光强化光斑运动轨迹。
图中，1.脉冲激光器；2.光学凸透镜；3.约束板；31. 第一曲面；32.第二曲面；4.轴承圈；5.变形约束环；6.夹紧螺母；7.定位套；8.加热座外圈；9.加热座内圈；10.电热丝；11.柔性压块；12. 支撑板；13.挡块；A.光斑。
具体实施方式
可以理解的是，受激光器所出射激光的光斑A的限制，不可能在同一时间对轴承圈4的滚道各处进行强化，由此会产生应力分布的不均衡，即会产生加工应力，并因此会产生轴承圈4的变形，该变形尽管不大，但对于轴承这类高精度零件（一般为IT6级或IT7级精度），激光强化的加工变形足以使其几何形状超差。
关于激光强化，其原理是先在工件表面涂一层黑漆，形成黑漆层，黑漆层对光的吸收效果比较好，又称为吸收层。激光的光斑A落在吸收层上时，为光斑A所覆盖的黑漆部分受热气化形成等离子体，产生爆冲，使工件表面瞬间发生弹性变形，而产生强化。这是激光强化的基本原理，关于其进一步的技术参数不再赘述。
可以理解的是，激光强化时，等离子体爆冲会对轴承圈4进行加热，由于时间比较短，轴承圈4产生爆冲的部位的温度并不高，一般低于450℃，但足以产生热加工应力，而使轴承圈4产生不可控的微量变形，导致轴承圈的几何形状超差。
将待强化的轴承圈4预先加热到给定温度，光斑所覆盖位置产生的局部升温与轴承圈4的其他部分的温差比较小，即便是产生变形也会比较小，并且由于轴承圈4整体温度相对较高，可以有效的消减加工应力，在几何形状约束的条件下冷却后，轴承圈4的形状不会发生改变。
此外，如前所述，对轴承圈滚道表面进行激光冲击强化前，先通过加热总成将轴承内圈加热到给定温度，可以使轴承圈滚道表层材料在受到激光冲击时因为动态应变时效效应而产生高密度的位错和位错缠结，从而提高滚道表层残余应力场的稳定性，减缓有利的残余压应力在滚动接触交变载荷作用下的松弛速率。
关于轴承圈4，无论是内圈还是外圈，其都有两个柱面，其中一个开有滚道，记为滚道面，如内圈的外柱面和外圈的内柱面，另一个没有开滚道的柱面，记为装配面，例如外圈的用于装配在轴承座孔内的外柱面或内圈的用于装在轴上的内柱面。
滚道面上的滚道是需要被强化的部位，激光强化时，使激光投射到滚道上，并使待强化的轴承圈4绕自身轴线转动，对滚道进行强化。
如图1所示滚动轴承圈激光强化装置用于轴承内圈的强化，图3所示滚动轴承圈激光强化装置用于轴承外圈的强化，这两种强化装置的共同结构特征如下：
其具有定位套7、对整个工装部分进行加热的加热总成、对待强化的轴承圈4进行轴向定位锁紧的轴向约束、驱动定位套7绕自身轴线自转的驱动装置、提供给定波长激光的激光器，以及激光强化工艺部件之一的约束板3。
其中，定位套7作为套件，其也有两个柱面，该定位套7的两个柱面中的一个与装配面间形成第一轴孔配合，具体如图1所示，图1中轴承圈4是轴承内圈，轴承内圈的内柱面是装配面，用于将轴承安装在相应的轴上，轴承内圈套装在定位套7上，形成第一轴孔配合，用以保证轴承内圈的圆度。
相应地，图3中，轴承外圈的外柱面为装配面，轴承外圈的装配面被定位套7的内柱面所约束，或者说配合形成第一轴孔配合，从而约束轴承外圈的径向几何形状，以保证轴承外圈的圆度。
关于第一轴孔配合的关系，可以采用基于公差配合的过渡配合或者间隙配合。
关于加热总成，主要对待强化的轴承圈进行直接或者间接加热，加热总成装配于定位套7的另一柱面上，相应地，该种方式属于经由定位套7的间接加热，通过定位套7传热的匀化，易于使轴承圈的温度相对均匀，从而降低激光强化对其变形的影响。
关于加热总成的目标温度，并不需要非常精确，当温度达到一定区间时，轴承钢的热变形并不大，并且在较高温度下，不会产生较大的热应力，例如450℃，轴承钢已经进入回火区，其自身就可以消除内应力。
关于加热总成的目标温度，控制在250℃~450℃即可。将近或者达到回火区，可以有效的降低内应力或者消除内应力，从而不会使轴承圈产生变形。
关于约束，在机械领域，约束是指对非自由体的某些位移起限制作用的周围物体。在本发明的实施例中，轴承圈的轴向约束，即用于限制轴承圈轴向位移的物体，如图1中所示的变形约束环5以及夹紧螺母6和位于定位套7右端的凸缘。
轴承圈作为工件在工装上应是可拆的，因此，两个轴向约束必然至少其一应当与定位套7间形成可拆连接，用于解除所在端限位，如图1中所示的夹紧螺母6所锁定的变形约束环5。
如此一来，轴承圈的径向被定位套7所约束，轴向则被两个轴向约束所约束，其几何变形处于可控状态。
如图1和图3所示，激光投射到滚道上会形成如图8和图9所示的光斑A，控制激光器移动的难度相对比较大，可以控制定位套7转动，从而可以对滚道进行全方位的激光强化。
相应地，提供驱动装置，该驱动装置输出连接定位套7，输出的运动是定位套7绕自身轴线自转。
如中国专利文献 CN108559835A所示的结构，激光器只有一个输出镜头时，驱动装置可以与定位套7的一端直连，激光可以从定位套7的另一端引入。
而在一些实施例中，如图1和图3所示的结构中，激光需要从定位套7的两端引入，定位套7的驱动可以采用齿轮驱动，即定位套7配装一齿轮，动力从侧面引入，不影响激光从两端引入，配装齿轮的一端形成为齿圈。
对于一些大型轴承，还可以使用滚轴进行驱动。
关于激光器，采用脉冲激光器1，通过镜组将激光投射到滚道上。由于激光强化已经属于比较成熟的技术，在此对激光器的选型及其功率不再赘述。
关于约束板3属于激光强化的常规配置，对于以轴承套为工件的应用，约束板3需要与滚道面配合，形成套形板，用于机械地罩蔽滚道，且该约束板3为相对于激光器所投射激光的透明板。
约束板3主要限制漆面爆冲的范围。
关于约束板3的材质，一般采用工作温度高于250℃以上的玻璃等透明材质制作，对于高温应用，还可以选择高温玻璃或者类似物，如钠钙玻璃，其安全工作温度小于等于280℃，而对于派热克斯玻璃，其安全工作温度为小于等于450℃，而对于细晶玻璃，其安全工作温度小于等于800℃，这些玻璃已经完全满足激光强化的应用。
在图1和图3所示的结构中，所述加热总成构成管套件，且该管套件的与定位套7的另一柱面间形成第二轴孔配合，该种结构不仅简单，而且能够与定位套7间形成相对可靠的配合，接触面积大，传热性能好，使定位套7的温度分布相对均匀。
在图1和图3所示的结构中，所述加热总成含有嵌套的管套结构，即加热座内圈9嵌套入加热座外圈8中形成一个总成，嵌套所形成的配合界面用于安装加热体。
在优选的实施例中，配合界面形成螺旋槽，用于安装螺旋状的电热丝10，该电热丝10构成所述加热体。
关于轴向约束，在前述的描述中，轴向约束至少其一采用与定位套7间的可拆连接结构，而另一轴向约束可以选择为可拆连接，也可以采用不可拆连接，相应地，轴向约束另一为固定约束部。
进一步地，固定约束部包括形成在定位套7相应端的凸缘，该凸缘区别不同的应用可以是内凸缘，也可以是外凸缘，例如图1中，用于轴承内圈右端约束的基础结构体即外凸缘，而在图3中，用于轴承外圈右端约束的是内凸缘。
在图1和图3中，可拆的轴向约束包括一螺母，如图中所示的夹紧螺母6，相应地，定位,7设有与螺母配合的螺纹段，将轴承套套在定位套7上后，从左端通过夹紧螺母6锁紧。
受螺母大小及凸缘大小的限制，对轴承圈的适应性比较差，为此，在螺母与待强化轴承圈间，以及凸缘与待强化的轴承圈间均设有变形约束环5，根据不同类型的轴承，可以选择不同的变形约束环5，从而使轴承圈的端面在轴向被完全遮蔽。
相应地，变形约束环5套在定位套7（如图1所示的用于轴承内圈定位的结构）或者变形约束环5套入定位套7（详见图3），变形约束环7与定位套7配合后，在附加其它约束部件，例如夹紧螺母6就可以对待强化轴承圈的端面形成约束。
在优选的实施例中，所述约束板3包括在轴向居中的凸曲面部和位于凸曲面部两端的各一个配合柱面部，由此形成图6和图7所示的结构部，所形成的第一曲面31和第二曲面32可用于轴承圈上滚道的物理遮蔽（非光学）。
相应地，所述凸曲面部与滚道配合，配合柱面部与滚道面过盈配合，由此可形成物理遮蔽。
进而，约束板3具有两半环件，两半环件对合形成完整的约束板3，从而可以将刚性的约束板3在环件上拆装。
进一步地，用于两半环件对合限位的部件为压在配合柱面部上的压板或周向约束件；
其中，周向约束件构造为：
若待强化轴承圈为轴承内圈时，周向约束件为箍套在配合柱面部上的套圈；
若待强化轴承圈为轴承外圈时，周向约束件为与周向约束件内柱面配合的支撑环。
在图1和图3所示的结构中，激光器的输出透镜有两个，并在待强化轴承圈轴向两端各配有一个，两输出透镜的轴线夹角为85~90度，相对于单个输出透镜，图1和图3所示的结构中可以获得更佳的强化效果。
Claims (8)
1.一种滚动轴承圈激光强化装置，记轴承圈开有滚道的柱面为滚道面，与滚道面相对的柱面为装配面，其特征在于，所述滚动轴承圈激光强化装置包括：
定位套，该定位套的两柱面其一与装配面间形成第一轴孔配合；
加热总成，装配于定位套的另一柱面上；
轴向约束，包括第一端约束和第二端约束，两约束对待强化轴承圈的两端定位锁紧，且至少其一与定位套间形成可拆连接；
驱动装置，用于驱动定位套绕自身轴线自转；
激光器，该激光器的激光投射到所述滚道上；以及
约束板，为与滚道面配合的套形板，用于机械地罩蔽滚道，且该约束板为相对于激光器所投射激光的透明板；
所述加热总成构成管套件，且该管套件与定位套的另一柱面间形成第二轴孔配合；
轴向约束另一为固定约束部，该固定约束部包括形成在定位套相应端的凸缘；
可拆的轴向约束包括一螺母，相应地，定位套设有与螺母配合的螺纹段。
2.根据权利要求1所述的滚动轴承圈激光强化装置，其特征在于，所述加热总成包括：
加热座内圈；以及
加热座外圈，嵌套在加热座内圈外，且该加热座外圈与加热座内圈的配合界面用于安装加热体。
3.根据权利要求2所述的滚动轴承圈激光强化装置，其特征在于，配合界面形成螺旋槽，用于安装螺旋状的电热丝，该电热丝构成所述加热体。
4.根据权利要求1所述的滚动轴承圈激光强化装置，其特征在于，在螺母与待强化轴承圈间，以及凸缘与待强化的轴承圈间均设有变形约束环；
变形约束环与定位套配合用于对待强化轴承圈的端面接合形成约束。
5.根据权利要求1所述的滚动轴承圈激光强化装置，其特征在于，所述约束板包括在轴向居中的凸曲面部和位于凸曲面部两端的各一个配合柱面部；
其中，凸曲面部与滚道配合；
配合柱面部与滚道面过盈配合；
相应地，约束板具有两半环件，两半环件对合形成完整的约束板。
6.根据权利要求5所述的滚动轴承圈激光强化装置，其特征在于，用于两半环件对合限位的部件为压在配合柱面部上的压板或周向约束件；
其中，周向约束件构造为：
若待强化轴承圈为轴承内圈时，周向约束件为箍套在配合柱面部上的套圈。
7.根据权利要求1所述的滚动轴承圈激光强化装置，其特征在于，激光器的输出透镜有两个，并在待强化轴承圈轴向两端各配有一个，两输出透镜的轴线夹角为85~90度。
8.根据权利要求1所述的滚动轴承圈激光强化装置，其特征在于，驱动装置的输出端为输出轴，该输出轴与定位套的一端采用键连接。
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