CN110042209B - 一种轴承组件尺寸稳定性调控方法 - Google Patents

一种轴承组件尺寸稳定性调控方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种轴承组件尺寸稳定性调控方法，包括如下步骤：S1、对轴承套圈或滚动体进行热处理；S2、对热处理后轴承套圈或滚动体的上端面和下端面进行研磨抛光；S3、将轴承组件置于一脉冲电流发生器内，启动脉冲电流发生器，根据轴承组件尺寸和材料特性，合理设置脉冲电流密度及连续输入电脉冲的次数，在常温下进行脉冲电流处理；若为轴承滚动体，则直接进行多次连续脉冲电流处理；若为轴承套圈，则将其沿周向均匀分为若干个分区，依次对轴承套圈的各个分区进行多次连续脉冲电流处理。本发明能够通过控制轴承组件的残余应力和残余奥氏体含量，有效调控其尺寸稳定性，显著提升轴承的服役寿命。

Description

一种轴承组件尺寸稳定性调控方法
技术领域
本发明属于轴承制造技术领域，具体涉及一种轴承组件尺寸稳定性调控方法。
背景技术
轴承作为机械设备中重要的支撑部件，广泛地应用在汽车、航空航天，重型机械等领域。轴承的基本结构由套圈(包含内圈和外圈)、滚动体和保持架组成，其中，套圈和滚动体是滚动轴承主动承载和最容易失效的核心组件，其综合性能直接关系着轴承的服役寿命。
为了提升轴承组件(套圈和滚动体)的性能，通常需要通过锻造、热处理过程使其成形改性。然而，轴承组件在锻造成形和热处理过程中都会产生不同程度的内应力，如不能有效的控制内部残余应力，将导致轴承组件尺寸精度早期丧失，从而极大的削减轴承的服役寿命。此外，套圈和滚动体经传统工艺制造后，基体为马氏体，残余奥氏体和碳化物的复相组织。其中，残余奥氏体作为重要的亚稳态组织，一旦受温度和载荷作用后转变，将引起轴承组件尺寸的微小变化，从而影响轴承的尺寸精度和寿命。
鉴于上述原因，轴承组件的残余应力和组织稳定性已然成为影响轴承寿命的关键问题，却一直无法得到有效解决。
发明内容
本发明的目的在于提供一种轴承组件尺寸稳定性调控方法，它通过采用不同的脉冲电流处理工艺参数，对轴承组件进行脉冲电流处理，能够有效改善轴承套圈表层和亚表层的残余应力状态，降低残余奥氏体含量，提升轴承套圈的尺寸稳定性。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种轴承组件尺寸稳定性调控方法，包括以下步骤：
S1、对轴承套圈或滚动体进行热处理；
S2、对热处理后轴承套圈的上端面和下端面或滚动体进行研磨抛光；
S3、若为轴承套圈，则将轴承套圈沿周向均匀分为若干个分区，将轴承套圈置于一脉冲电流发生器内，启动脉冲电流发生器，依次对轴承套圈的各个分区进行多次连续脉冲电流处理，脉冲电流处理参数为：每个分区相邻两次连续脉冲电流处理的时间间隔为1～60s，单次连续脉冲电流处理中连续输入电脉冲作用的个数N为(0.1～1)Nmax，单个脉冲电流的作用时间t为0.01s～1s，脉冲电流密度j为(0.01～0.5)jmax；
若为轴承滚动体，将滚动体置于一脉冲电流发生器内，启动脉冲电流发生器，对滚动体进行多次连续脉冲电流处理，脉冲电流处理参数为：连续脉冲电流处理的时间间隔为1～30s，单次连续脉冲电流处理中连续输入电脉冲作用的个数N为(0.1～0.5)Nmax，单个脉冲电流的作用时间t为0.01s～1s，脉冲电流密度j为(0.01～0.2)jmax；
其中，Nmax为最大连续输入脉冲个数，
Figure GDA0002461804890000021
D1和D2分别为轴承组件的外径和内径，对于滚动体，D2为0，cp、d和ρ分别为轴承材料的比热容、密度和电阻率，jmax为最大脉冲电流密度，
Figure GDA0002461804890000022
按上述技术方案，所述脉冲电流发生器包括上下相对设置的两个电极棒，当对轴承组件进行脉冲电流处理前，将轴承组件装夹在两个电极棒之间，若轴承组件为轴承套圈则使其上下两个端面分别与对应的电极棒接触。
按上述技术方案，所述轴承套圈沿周向均分为8～64个分区。
按上述技术方案，对轴承套圈每个分区或滚动体进行2～60次连续脉冲电流处理。
本发明产生的有益效果是：本发明能够通过采用合理的脉冲电流参数，对轴承组件进行脉冲电流处理，利用脉冲电流的电效应和焦耳热效应，整体调控轴承组件的残余应力分布状态和降低残余奥氏体含量，提高轴承组件的组织稳定性。本发明易于实施，时间和能源消耗少，能够整体对轴承组件的尺寸稳定性进行调控，具有显著的实际应用价值。
本发明的工作原理是：通过采用合理的脉冲电流参数，一方面，脉冲电流通过轴承组件材料时，瞬时产生的焦耳热效应会使导致位错部分回复，从而降低轴承组件局部位错缠结处的内应力，脉冲电流通过电子通道时，会产生电子风加速位错及间隙原子的运动和迁移，使位错在材料内部重新分布，平衡材料内部的应变能分布，使残余应力得到松弛；另一方面，脉冲电流处理过程中产生的强电流会使轴承材料内部的自由电子产生振荡，从而产生环绕电流轴线的交变磁场，在脉冲电流和交变磁场的耦合作用下，使原子最外层电子振荡性运动，激发原子到最高能态，降低原子之间的相互作用力，达到整体松弛残余应力的效果，同时，脉冲电流引起的短暂焦耳热效应能够使残余奥氏体快速分解，从而能够降低亚稳相残余奥氏体的含量，达到提高轴承组件组织稳定性的目的。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1为本发明实施例中对轴承套圈进行脉冲电流处理的示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种轴承组件尺寸稳定性调控方法，包括以下步骤：
S1、对轴承套圈或滚动体进行热处理；
S2、对热处理后轴承套圈的上端面和下端面或滚动体进行研磨抛光；
S3、若为轴承套圈，则将轴承套圈沿周向均匀分为若干个分区，将轴承套圈置于一脉冲电流发生器内，启动脉冲电流发生器，依次对轴承套圈的各个分区进行多次连续脉冲电流处理，脉冲电流处理参数为：每个分区相邻两次连续脉冲电流处理的时间间隔为1～60s(可以为1s、2s、…、60s)，单次连续脉冲电流处理中连续输入电脉冲作用的个数N为(0.1～1)Nmax，可以是0.1Nmax、0.2Nmax、…、Nmax，单个脉冲电流的作用时间t为0.01s～1s(可以为0.01s、0.02s、…、1s)，脉冲电流密度j为(0.01～0.5)jmax，可以是0.01jmax、0.02jmax、…、0.5jmax；
若为轴承滚动体，则将滚动体置于一脉冲电流发生器内(滚动体上下端面需与脉冲电流发生器的电极棒贴合，一次只处理一个滚动体)，启动脉冲电流发生器，对滚动体进行多次连续脉冲电流处理，脉冲电流处理参数为：连续脉冲电流处理的时间间隔为1～30s(可以为1s、2s、…、30s)，单次连续脉冲电流处理中连续输入电脉冲作用的个数N为(0.1～0.5)Nmax，可以是0.1Nmax、0.2Nmax、…、0.5Nmax，单个脉冲电流的作用时间t为0.01s～1s(可以为0.01s、0.02s、…、1s)，脉冲电流密度j为(0.01～0.2)jmax，可以是0.01jmax、0.02jmax、…、0.2jmax；
其中，Nmax为最大连续输入脉冲个数，
Figure GDA0002461804890000031
D1和D2分别为轴承组件的外径和内径，对于滚动体，D2为0，cp、d和ρ分别为轴承材料的比热容、密度和电阻率，jmax为最大脉冲电流密度，
Figure GDA0002461804890000032
单次连续脉冲电流处理过程中可能有多个脉冲电流，该多个脉冲电流之间无时间间隔，相邻两次连续脉冲电流处理之间需要间隔一定时间，间隔此时间的目的是防止连续脉冲时，焦耳热温升累积过高，导致温度超过相变温度或产生热损伤等等，因此，短时间的间隔能够使环件迅速冷却，保持在低温区进行脉冲电流处理。
在本发明的优选实施例中，如图1所示，脉冲电流发生器包括上下相对设置的两个电极棒，当对轴承套圈的某个分区进行脉冲电流处理前，将轴承套圈该分区装夹在两个电极棒之间，并使该分区上下两个端面分别与对应的电极棒接触。脉冲电流发生器用于在常温下对轴承套圈进行脉冲电流处理。脉冲电流处理的核心是局部高能电场作用在金属材料上，采用电极棒可以保证较高的电流密度，产生高能电场作用，同时，可以保证各分区能被均匀处理。
在本发明的优选实施例中，如图1所示，轴承套圈沿周向均分为8～64个分区。分区的数量与电极棒尺寸、轴承套圈的尺寸相关，分区越多，处理效果越好，但相应成本和时间也会增加，故设置合理的分区数量可以保证处理效果，并节约成本。
在本发明的优选实施例中，对轴承套圈每个分区进行2～60次连续脉冲电流处理。连续脉冲电流处理的次数是依据处理的效果来定的，进行多次处理是为了使整个区域的大部分残余应力均得到调控(单次处理可能使残余应力调控不够充分)，从而使整体残余奥氏体含量降低。
以下列举两个实施例对本发明进行进一步说明。
实施例1
以GCr15材质某型号淬回火态的轴承套圈为例，其尺寸稳定性调控方法按如下步骤实现：
S1、将淬回火后的GCr15轴承套圈上下端面进行研磨抛光，然后将轴承套圈装夹在脉冲电流发生器铜电极棒中间位置，使其上下端面与两电极棒贴合接触；
S2、将轴承套圈沿周向均分为8个区域，设置脉冲电流密度为5kA/cm2，单个脉冲电流的作用时间为0.02s，一次连续脉冲电流处理中电脉冲作用的个数为6个，对轴承套圈进行连续脉冲电流处理，待一次连续脉冲电流处理结束后，间隙5s后继续对轴承套圈同一分区进行下一次连续脉冲电流处理，对轴承套圈同一分区进行10次连续脉冲电流处理，当对每个分区均处理后，即完成对轴承套圈的脉冲电流处理。
将实施例1中在连续脉冲电流处理前后的轴承套圈的各项性能进行分析对比，GCr15轴承套圈在处理前后的各项性能对比结果如表1所示：实施本发明后的轴承套圈的平均表层残余应力下降了28％，残余应力的均方差下降了19MPa，即增加了轴承套圈残余应力分布的均匀性；此外，实施本发明后的轴承套圈的残余奥氏体含量下降了4.3％，尺寸变化率显著降低，即提升了GCr15轴承套圈的尺寸稳定性。
表1
表层残余应力 残余应力均方差 残余奥氏体含量 尺寸变化率
处理前 260MPa 40MPa 14.6％ 0.006
处理后 186MPa 21MPa 10.3％ 0.003
实施例2
以M50材质某型号淬回火态的轴承套圈为例，其尺寸稳定性调控方法按如下步骤实现：
S1、将淬回火后的M50轴承套圈上下端面进行研磨抛光，然后将轴承套圈装夹在脉冲电流发生器铜电极棒中间位置，使其上下端面与两电极棒贴合接触；
S2、将轴承套圈沿周向均分为32个区域，设置脉冲电流密度为12kA/cm2，单个脉冲电流的作用时间为0.02s，一次连续脉冲电流处理中电脉冲作用的个数为12个，对轴承套圈进行连续脉冲电流处理，待一次连续脉冲电流处理结束后，间隙3s后继续对轴承套圈同一分区进行下一次连续脉冲电流处理，对轴承套圈同一分区进行8次连续脉冲电流处理，当对每个分区均处理后，即完成对轴承套圈的脉冲电流处理。
将实施例2中在连续脉冲电流处理前后的轴承套圈的各项性能进行分析对比，M50轴承套圈在处理前后的各项性能对比结果如表2所示：实施本发明后的轴承套圈的平均表层残余应力下降了37％，残余应力的均方差下降了28MPa，即增加了轴承套圈残余应力分布的均匀性；此外，实施本发明后的轴承套圈的残余奥氏体含量下降了1.8％，尺寸变化率也显著降低，即提升了M50轴承套圈的尺寸稳定性。
表2
表层残余应力 残余应力均方差 残余奥氏体含量 尺寸变化率
处理前 300MPa 62MPa 4.6％ 0.003
处理后 191MPa 34MPa 2.8％ 0.0005
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种轴承组件尺寸稳定性调控方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、对轴承套圈或滚动体进行热处理；
S2、对热处理后轴承套圈的上端面和下端面或滚动体进行研磨抛光；
S3、若为轴承套圈，则将轴承套圈沿周向均匀分为若干个分区，将轴承套圈置于一脉冲电流发生器内，启动脉冲电流发生器，依次对轴承套圈的各个分区进行多次连续脉冲电流处理，脉冲电流处理参数为：每个分区相邻两次连续脉冲电流处理的时间间隔为1～60s，单次连续脉冲电流处理中连续输入电脉冲作用的个数N为(0.1～1)Nmax，单个脉冲电流的作用时间t为0.01s～1s，脉冲电流密度j为(0.01～0.5)jmax；
若为轴承滚动体，则将滚动体置于一脉冲电流发生器内，启动脉冲电流发生器，对滚动体进行多次连续脉冲电流处理，脉冲电流处理参数为：连续脉冲电流处理的时间间隔为1～30s，单次连续脉冲电流处理中连续输入电脉冲作用的个数N为(0.1～0.5)Nmax，单个脉冲电流的作用时间t为0.01s～1s，脉冲电流密度j为(0.01～0.2)jmax；
其中，Nmax为最大连续输入脉冲个数，
Figure FDA0002461804880000011
D1和D2分别为轴承组件的外径和内径，对于滚动体，D2为0；jmax为最大脉冲电流密度，
Figure FDA0002461804880000012
cp、d和ρ分别为轴承材料的比热容、密度和电阻率。
2.根据权利要求1所述的轴承组件尺寸稳定性调控方法，其特征在于，所述脉冲电流发生器包括上下相对设置的两个电极棒，当对轴承组件进行脉冲电流处理前，将轴承组件装夹在两个电极棒之间，若轴承组件为轴承套圈则使其上下两个端面分别与对应的电极棒接触。
3.根据权利要求1所述的轴承套圈尺寸稳定性调控方法，其特征在于，所述轴承套圈沿周向均分为8～64个分区。
4.根据权利要求1所述的轴承组件尺寸稳定性调控方法，其特征在于，对轴承套圈每个分区或滚动体进行2～60次连续脉冲电流处理。
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