CN110079660B - 一种轴承组件塑性加工残余应力调控方法 - Google Patents

一种轴承组件塑性加工残余应力调控方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种轴承组件塑性加工残余应力调控方法，包括以下步骤：S10、对成形后轴承组件的上端面和下端面进行研磨抛光；S20、提供一能产生连续脉冲电流的脉冲电流发生器，根据轴承组件的材料特性和成形相关参数设置合理的处理参数，启动脉冲电流发生器对轴承组件进行脉冲电流处理；若为轴承滚动体，则将单个轴承滚动体置于脉冲电流发生器内进行多次连续脉冲电流处理；若为轴承套圈，则将轴承套圈沿周向均匀分为S个分区，采用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。本发明能够通过控制轴承组件塑性加工残余应力，有效提高轴承的加工精度并调控其尺寸稳定性，从而显著提升轴承的服役寿命。

Description

一种轴承组件塑性加工残余应力调控方法
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塑性加工残余应力调控方法。
背景技术
轴承作为机械装备承载和传动的核心基础零部件，广泛地应用于汽车、航空航天、重型机械等领域，轴承制造技术的发展水平一定程度上代表了一个国家的工业技术水平和竞争力。轴承一般由套圈(包含内圈和外圈)、滚动体和保持架等部分组成，轴承组件尤其是轴承套圈和滚动体的综合性能直接关系着轴承的服役寿命。
为了提升轴承组件的性能，通常需要通过塑性加工、热处理等过程使其成形改性。然而轴承组件在塑性加工的过程中，由于不均匀的应力场、应变场、温度场和组织不均匀性，在变形后内部保留下来的应力对轴承组件的后续加工处理工艺造成显著的危害：若轴承组件的残余应力过大，可能会导致热处理过程变形过大乃至开裂，影响组件最终的服役性能；并且轴承组件在变形后材料发生加工硬化，较大残余应力作用下不利于后续的机械加工；同时如果轴承组件的残余应力分布状态不合理，也会影响最终组装时的轴承游隙从而影响轴承装配精度。这些问题严重影响轴承的几何精度和组织性能，使得轴承制造技术尤其是冷轧技术的应用受到了很大限制。
考虑到以上情况，实际工程应用中必须加入中间处理工艺对轴承组件塑性加工残余应力进行有效控制。目前，通常采用去应力退火来消除和改善塑性加工产生的残余应力，然而这种常规热处理方法通常难以有效减小残余应力并消除其带来的不良影响，而且热处理耗时长、能源消耗大，严重影响生产成本和效率。因此，有必要研究开发轴承组件塑性加工残余应力调控的新方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种轴承组件塑性加工残余应力调控方法，它通过对轴承组件进行脉冲电流处理，可以有效改善轴承组件的残余应力状态，显著提高其切削加工性和尺寸稳定性，显著提升轴承的服役寿命。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种轴承组件塑性加工残余应力调控方法，包括以下步骤：
S10、对成形后轴承组件的上端面和下端面进行研磨抛光；
S20、提供一能产生连续脉冲电流的脉冲电流发生器，根据轴承组件的材料特性和成形相关参数设置合理的处理参数，启动脉冲电流发生器对轴承组件进行脉冲电流处理；
若轴承组件为轴承滚动体，则将单个轴承滚动体置于脉冲电流发生器内进行多次连续脉冲电流处理，脉冲电流处理参数为：相邻两次连续脉冲电流处理的时间间隔为1～10s，设置单个脉冲电流的作用时间t为0.01～0.1s，脉冲电流密度j为(0.1～0.4)jmax，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(0.03～0.2)Nmax；
若轴承组件为轴承套圈，则将轴承套圈沿周向均匀分为S个分区，采用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1～10s，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(0.05～0.3)Nmax，设置单个脉冲电流的作用时间t为0.01～0.1s，脉冲电流密度j为(0.1～0.6)jmax；
其中，jmax为最大脉冲电流密度，Nmax为最大连续输入脉冲个数，
针对冷成形轴承滚动体，
Figure BDA0002070414790000021
针对热成形轴承滚动体，
Figure BDA0002070414790000022
针对冷成形轴承套圈，
Figure BDA0002070414790000023
针对热成形轴承套圈，
Figure BDA0002070414790000024
式中，cp、d和ρ分别为轴承滚动体或轴承套圈的比热容、密度和电阻率，λ为轴承滚动体或轴承套圈的变形量，R为轴承滚动体的半径，D1和D2分别为轴承套圈内径和外径，S为轴承套圈的分区个数。
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，对成形后的轴承组件进行脉冲电流处理，利用脉冲电流的焦耳热效应和电子风作用，整体调控轴承组件的残余应力分布状态并降低其显微硬度。本发明易于实施，时间和能源消耗少，能够整体对轴承组件塑性加工残余应力进行调控，具有显著的实际应用价值。
本发明的工作原理是：通过设置合理的脉冲电流参数对轴承组件进行脉冲电流处理，一方面，脉冲电流通过轴承组件时，在材料本身残余应力和脉冲电流导致的热压应力的共同作用下使材料发生微观塑性变形，材料内部弹性应变能释放出来，导致残余应力减小，另外由脉冲电流产生的电子风力使材料内部位错结构产生滑移或攀移，进而使高能位错群释放应变能恢复到低能稳定状态，从而降低材料内部残余应力，但是电子拖曳力对位错的影响较小，位错的活化速率主要受脉冲电流引起的焦耳热和残余应力的影响；
另一方面，脉冲电流处理过程中产生的强电流通过轴承组件时会使材料内部自由电子产生振荡，形成环绕电流轴线的交变磁场，在电磁场耦合作用下，原子最外层电子振荡运动激发到最高能态，降低了原子之间的相互作用力，从而达到整体松弛残余应力的效果；
另外，经脉冲电流处理后轴承组件的显微硬度有所下降方便后续的切削加工，有效提高了轴承的加工精度。
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1a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；
图1b为本发明实施例中轴承套圈分区示意图；
图2a为本发明实施例中对轴承套圈周向表层残余应力测试的示意图；
图2b为本发明实施例中对轴承套圈轴向表层残余应力测试的示意图。
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。
一种轴承组件塑性加工残余应力调控方法，包括以下步骤：
S10、对成形后轴承组件的上端面和下端面进行研磨抛光；
S20、提供一能产生连续脉冲电流的脉冲电流发生器，根据轴承组件的材料特性和成形相关参数设置合理的处理参数，启动脉冲电流发生器对轴承组件进行脉冲电流处理；
若轴承组件为轴承滚动体，则将单个轴承滚动体置于脉冲电流发生器内进行多次连续脉冲电流处理，脉冲电流处理参数为：相邻两次连续脉冲电流处理的时间间隔为1～10s(可以为1s、2s、…、10s)，设置单个脉冲电流的作用时间t为0.01～0.1s(可以为0.01s、0.02s、…、0.1s)，脉冲电流密度j为(0.1～0.4)jmax，可以是0.1jmax、0.2jmax、…、0.4jmax，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(0.03～0.2)Nmax，可以是0.03Nmax、0.04Nmax、…、0.2Nmax；
若轴承组件为轴承套圈，如图1a、图1b所示，则将轴承套圈沿周向均匀分为S个分区，采用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1～10s(可以为1s、2s、…、10s)，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(0.05～0.3)Nmax，可以是0.05Nmax、0.06Nmax、…、0.3Nmax，设置单个脉冲电流的作用时间t为0.01～0.1s(可以为0.01s、0.02s、…、0.1s)，脉冲电流密度j为(0.1～0.6)jmax，可以是0.1jmax、0.2jmax、…、0.6jmax，当轴承套圈的某一分区完成脉冲电流处理后，待轴承套圈空冷至室温后再对轴承套圈下一各分区进行处理，当每个分区都处理完毕后即完成对整个轴承套圈的脉冲电流处理；
其中，jmax为最大脉冲电流密度，Nmax为最大连续输入脉冲个数，
针对冷成形轴承滚动体，
Figure BDA0002070414790000041
针对热成形轴承滚动体，
Figure BDA0002070414790000042
针对冷成形轴承套圈，
Figure BDA0002070414790000043
针对热成形轴承套圈，
Figure BDA0002070414790000044
式中，cp、d和ρ分别为轴承滚动体或轴承套圈的比热容、密度和电阻率，λ为轴承滚动体或轴承套圈的变形量，R为轴承滚动体的半径，D1和D2分别为轴承套圈内径和外径，S为轴承套圈的分区个数。
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轴承组件迅速冷却，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1a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，并使其上下两个端面分别与对应的电极棒接触。当对轴承滚动体进行处理前，将滚动体的上下端面与脉冲电流发生器的电极棒贴合，一次只处理一个滚动体；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组件进行脉冲电流处理。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，可以保证轴承滚动体或轴承套圈各分区能被均匀处理。
在本发明的优选实施例中，对轴承滚动体或轴承套圈每个分区进行2～40次连续脉冲电流处理，每个分区可进行2、3、…、40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)。
在本发明的优选实施例中，如图1b所示，所述轴承套圈沿周向均分为8～36个分区，可以分为8、9、…、36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。
以下列举具体实施例对本发明进行进一步说明。
以某型号的GCr15轴承套圈为例，其冷成形残余应力的调控方法包括以下步骤：将轴承套圈套圈上下端面进行研磨抛光，然后装夹在脉冲电流发生器铜电极的中间位置，使其上下端面与两电极紧密贴合，结合电极和轴承套圈尺寸，将轴承套圈沿周向均分成18个分区，对各分区逐一进行脉冲电流处理。
结合轴承材GCr15的特性和成形相关参数，根据一般钢去应力退火的相关温度，设置以下两种工艺对轴承套圈进行脉冲电流处理：
工艺1：设置脉冲电流密度为3×107A/m2，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10个，待一次连续输入电脉冲结束后，间隙3s后继续对中粗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，使每个区域输入脉冲总个数为100个，即完成对某一分区的脉冲电流处理，然后待轴承套圈空冷到室温后按如图2a、图2b所示的顺序再对每个分区进行处理，即完成对整个轴承套圈的脉冲电流处理；
工艺2：设置脉冲电流密度为4×107A/m2，其余处理参数与工艺1一致。
将两种工艺处理后的轴承套圈的轴向残余应力和周向残余应力进行分析对比，对比结果如表1所示：不同电流密度的脉冲电流处理后的轴承套圈周面表层残余应力均有所下降，而且下降程度随电流密度升高而增大，当脉冲电流密度为3×107A/m2时，用热像仪测得轴承套圈表面最高温升约为200℃，处理后轴承套圈周面表层轴向平均残余应力减小38.84％，周向平均残余应力相应减小了9.17％；而当脉冲电流密度增大到4×107A/m2时，轴承套圈表层最高温升约为500℃，处理后轴承套圈周面表层轴向平均残余应力减小68.40％，周向平均残余应力相应减小了68.37％。
表1
Figure BDA0002070414790000061
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)

1.一种轴承组件塑性加工残余应力调控方法，其特征在于，包括以下步骤：
S10、对成形后轴承组件的上端面和下端面进行研磨抛光；
S20、提供一能产生连续脉冲电流的脉冲电流发生器，根据轴承组件的材料特性和成形相关参数设置合理的处理参数，启动脉冲电流发生器对轴承组件进行脉冲电流处理；
若轴承组件为轴承滚动体，则将单个轴承滚动体置于脉冲电流发生器内进行多次连续脉冲电流处理，脉冲电流处理参数为：相邻两次连续脉冲电流处理的时间间隔为1～10s，设置单个脉冲电流的作用时间t为0.01～0.1s，脉冲电流密度j为(0.1～0.4)jmax，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(0.03～0.2)Nmax；
若轴承组件为轴承套圈，则将轴承套圈沿周向均匀分为S个分区，采用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1～10s，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(0.05～0.3)Nmax，设置单个脉冲电流的作用时间t为0.01～0.1s，脉冲电流密度j为(0.1～0.6)jmax；
其中，jmax为最大脉冲电流密度，Nmax为最大连续输入脉冲个数，
针对冷成形轴承滚动体，
Figure FDA0002070414780000011
针对热成形轴承滚动体，
Figure FDA0002070414780000012
针对冷成形轴承套圈，
Figure FDA0002070414780000013
针对热成形轴承套圈，
Figure FDA0002070414780000014
式中，cp、d和ρ分别为轴承滚动体或轴承套圈的比热容、密度和电阻率，λ为轴承滚动体或轴承套圈的变形量，R为轴承滚动体的半径，D1和D2分别为轴承套圈内径和外径，S为轴承套圈的分区个数。
2.根据权利要求1所述的轴承组件塑性加工残余应力调控方法，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，并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所述的轴承组件塑性加工残余应力调控方法，其特征在于，对轴承滚动体或轴承套圈每个分区进行2～40次连续脉冲电流处理。
4.根据权利要求1所述的轴承组件塑性加工残余应力调控方法，其特征在于，所述轴承套圈沿周向均分为8～36个分区。
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