CN110257623A - 一种轴承外圈的激光冲击强化方法及其装置 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种轴承外圈的激光冲击强化方法及其装置，本发明通过激光冲击强化装置将轴承外圈固定并悬置，使激光冲击强化用的约束水从轴承外圈(1)内壁的上部沿滚道(2)曲面的中线流到轴承外圈(1)内壁的底部，使激光光斑落在轴承外圈(1)内壁的下部的滚道(2)内，并使约束水水流经过激光光斑所在位置，并使约束水水流经过激光光斑所在位置；用激光光斑对准轴承外圈(1)内壁的滚道(2)表面并随滚道(2)的转动进行逐点强化，先逐点强化滚道(2)曲面的中线，再逐点强化中线的两侧，直至光斑全部覆盖整个滚道(2)，在轴承外圈的滚道内形成一定深度的残余压应力层(≥200μm)和组织硬化层(≥200μm)，提高涂层结合力，满足涂层制备工艺要求。

Description

一种轴承外圈的激光冲击强化方法及其装置
技术领域
本发明是一种轴承外圈的激光冲击强化方法及其装置，属于零件表面处理技术领域。
背景技术
轴承的服役环境非常恶劣，受到高应力、高速、高温等多因素共同作用，因与滚珠的相对运动发生磨损、接触疲劳失效的风险较高。激光冲击强化是一种形成深层残余压应力层、提高金属材料表面硬度的有效方法，由于效果显著，被国内外广泛应用于轴承等航空关键零部件的加工制造中。
轴承外圈的内滚道表面为了浸渗/沉积耐磨涂层，在涂层和基体之间需要形成一定深层的残余压应力层(≥200μm)和组织硬化层(≥200μm)，提高的涂层的结合力，而传统的喷丸强化技术形成的残余压应力层深度(≤200μm)和组织硬化层(≤200μm)有限，难以满足涂层制备工艺的要求。而目前采用的激光冲击强化方法，由于无法在轴承内圈内滚道形成稳定的水约束层，难以形成稳定可靠的激光冲击强化效果；另外，轴承内圈受到结构干涉的影响，无法采用激光直射的方式，难以在内滚道形成均匀分布的残余压应力场，导致轴承内圈变形量较大。
发明内容
本发明正是针对上述现有技术中存在的问题而设计提供了一种一种轴承外圈的激光冲击强化方法及其装置，其目的是能够在轴承外圈的滚道内形成一定深度的残余压应力层(≥200μm)和组织硬化层(≥200μm)，提高涂层结合力，满足涂层制备工艺要求。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
本发明提出了一种轴承外圈的激光冲击强化方法，该方法的步骤如下：
步骤一、将轴承外圈1竖直放置，使激光冲击强化用的约束水从轴承外圈1内壁的上部沿滚道2曲面的中线流到轴承外圈1内壁的底部，使激光光斑落在轴承外圈1内壁的下部的滚道2内，并使约束水水流经过激光光斑所在位置；
步骤二、用激光光斑对准轴承外圈1内壁的滚道2表面并随滚道2的转动进行逐点强化，先逐点强化滚道2曲面的中线，再逐点强化中线的两侧，直至光斑全部覆盖整个滚道2。
在一种实施中，约束水水流在滚道2上的水落点3的法线与水平方向的夹角为0°～45°。
在一种实施中，激光光斑在滚道2内的光斑落点4的法线与水平方向的夹角为-30°～-60°。
在一种实施中，激光光斑的直径不超过滚道2截面圆弧最大直径的1/2。激光光斑在滚道2内的光斑落点4的法线与激光光束之间的夹角为45°～80°。上述措施确保了激光能量被均匀吸收，并在内滚道表面形成深度不低于300μm的残余压应力层和深度不低于220μm的组织硬化层。
在一种实施中，激光强化的工艺参数为：激光功率密度为1GW/cm2～20GW/cm2，搭接率为30％～75％，频率为1Hz～5Hz。
在一种实施中，约束水在轴承外圈1内壁底部的高度H低于激光光斑在滚道2内光斑落点4的高度。
在一种实施中，激光强化滚道2曲面的中线的激光功率密度最大，强化中线的两侧时逐渐递减，越远离中线，激光功率密度越低。
本发明技术方案还提出一种用于上述轴承外圈的激光冲击强化方法的装置，其特征在于：该装置包括一个轴承套5、盘状的连接段6和夹持段7，轴承套5为圆环状，内径与轴承外圈1的外径呈间隙配合，轴承套5的外壁上加工有一个螺钉孔8，轴承外圈1放入轴承套5内，通过螺钉插入螺钉孔8中固定，盘状的连接段6与轴承套5的侧壁固定连接，连接段6的中心处与柱状的夹持段7固定连接，夹持段7与机器人的法兰盘连接。
进一步，轴承套5内径与轴承外圈1的外径配合公差等级不低于IT6。
本发明通过激光冲击强化装置将轴承外圈固定并悬置，轴承外圈1与轴承套5之间高精度间隙配合，保证了轴承外圈1与法兰盘具有良好的同轴度；轴承外圈1随机器人的法兰盘同轴同步旋转；
约束水的落点和激光光斑落点位置保持一定的空间距离，确保约束水沿滚道向下流动时，在激光光斑落点位置形成稳定的水膜层，而激光光斑落点位置与水淤积的位置保持一定的空间距离，通过调节约束水的流量，确保水淤积不会对激光光斑落点位置的水膜形成干扰，上述三者的位置关系确保产生稳定可靠的激光冲击强化效果；
强化时，首先逐点强化内滚道曲面的中线，采用较大的激光功率密度，再逐点强化中线的两侧，越远离中线，激光功率密度逐渐递减，直至光斑全部覆盖整个内滚道，该种操作可使滚道表面产生表面值和深度值均匀一致的残余压应力层和组织硬化层。
本发明方法能够在轴承外圈的内滚道形成一定深度的残余压应力层(≥200μm)和组织硬化层(≥200μm)，提高涂层结合力，满足涂层制备工艺要求。经试验证明，轴承外圈的内滚道形成的残余压应力层深度约为300μm，组织硬化层深度约为220μm，滚道关键尺寸满足图纸要求。
附图说明
图1是用于本发明方法的激光冲击强化装置的结构示意图
图2是本发明方法中的约束水的水落点、激光的光斑落点及轴承外圈底部约束水深H的位置关系图
具体实施方式
以下将结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步地详述：
实施例一
参见附图1所示，该装置包括一个轴承套5、轮毂状的连接段6和夹持段7，轴承套5为圆环状，内径与轴承外圈1的外径呈间隙配合，轴承套5的外壁上加工有一个螺钉孔8，轴承外圈1放入轴承套5内，通过螺钉插入螺钉孔8中固定，连接段6的轮辋与轴承套5的侧壁固定连接并与其外径相同，连接段6的轮盘与柱状的夹持段7固定连接，连接段6的轮辐的宽度为轴承套5直径的1/3，夹持段7与机器人的法兰盘连接。轴承套5内径与轴承外圈1的外径配合公差等级不低于IT6。
采用上述装置对轴承外圈进行激光冲击强化的步骤如下：
步骤一、夹持段7与机器人的法兰盘相连接，轴承外圈1放入轴承套5内，通过螺钉插入螺钉孔8中固定；
步骤二、将轴承外圈1竖直放置，使激光冲击强化用的约束水水流在滚道2上的水落点3的法线与水平方向的夹角为0°，使激光光斑在滚道2内的光斑落点4的法线与水平方向的夹角为-30°，使约束水水流经过激光光斑所在位置；
约束水在轴承外圈1内壁底部的高度H低于激光光斑在滚道2内光斑落点4的高度；
激光光斑的直径为滚道2截面圆弧最大直径的1/3；
激光光斑在滚道2内的光斑落点4的法线与激光光束之间的夹角为45°；
步骤三、用激光光斑对准轴承外圈1内壁的滚道2表面并随滚道2的转动进行逐点强化，先逐点强化滚道2曲面的中线，再逐点强化中线的两侧，直至光斑全部覆盖整个滚道2；
激光强化的工艺参数为：激光功率密度为1GW/cm2～20GW/cm2，搭接率为30％～75％，频率为1Hz～5Hz。
激光强化滚道2曲面的中线的激光功率密度最大，强化中线的两侧时逐渐递减，越远离中线，激光功率密度越低。
实施例二
冲击强化装置和冲击强化步骤与实施例一相同，不同点在于：
步骤二中，激光冲击强化用的约束水水流在滚道2上的水落点3的法线与水平方向的夹角为45°；
激光光斑在滚道2内的光斑落点4的法线与水平方向的夹角为-60°；
激光光斑的直径为滚道2截面圆弧最大直径的1/2；
激光光斑在滚道2内的光斑落点4的法线与激光光束之间的夹角为80°。

Claims (10)

1.一种轴承外圈的激光冲击强化方法，其特征在于：该方法的步骤如下：
步骤一、将轴承外圈(1)竖直放置，使激光冲击强化用的约束水从轴承外圈(1)内壁的上部沿滚道(2)曲面的中线流到轴承外圈(1)内壁的底部，使激光光斑落在轴承外圈(1)内壁的下部的滚道(2)内，并使约束水水流经过激光光斑所在位置；
步骤二、用激光光斑对准轴承外圈(1)内壁的滚道(2)表面并随滚道(2)的转动进行逐点强化，先逐点强化滚道(2)曲面的中线，再逐点强化中线的两侧，直至光斑全部覆盖整个滚道(2)。
2.根据权利要求1所述的轴承外圈的激光冲击强化方法，其特征在于：约束水水流在滚道(2)上的水落点(3)的法线与水平方向的夹角为0°～45°。
3.根据权利要求1所述的轴承外圈的激光冲击强化方法，其特征在于：激光光斑在滚道(2)内的光斑落点(4)的法线与水平方向的夹角为-30°～-60°。
4.根据权利要求1所述的轴承外圈的激光冲击强化方法，其特征在于：激光光斑的直径不超过滚道(2)截面圆弧最大直径的1/2。
5.根据权利要求1所述的轴承外圈的激光冲击强化方法，其特征在于：激光光斑在滚道(2)内的光斑落点(4)的法线与激光光束之间的夹角为45°～80°。
6.根据权利要求1所述的轴承外圈的激光冲击强化方法，其特征在于：激光强化的工艺参数为：激光功率密度为1GW/cm2～20GW/cm2，搭接率为30％～75％，频率为1Hz～5Hz。
7.根据权利要求1所述的轴承外圈的激光冲击强化方法，其特征在于：约束水在轴承外圈(1)内壁底部的高度H低于激光光斑在滚道(2)内光斑落点(4)的高度。
8.根据权利要求1所述的轴承外圈的激光冲击强化方法，其特征在于：激光强化滚道(2)曲面的中线的激光功率密度最大，强化中线的两侧时逐渐递减，越远离中线，激光功率密度越低。
9.一种用于权利要求1所述轴承外圈的激光冲击强化方法的装置，其特征在于：该装置包括一个轴承套(5)、盘状的连接段(6)和夹持段(7)，轴承套(5)为圆环状，内径与轴承外圈(1)的外径呈间隙配合，轴承套(5)的外壁上加工有一个螺钉孔(8)，轴承外圈(1)放入轴承套(5)内，通过螺钉插入螺钉孔(8)中固定，盘状的连接段(6)与轴承套(5)的侧壁固定连接，连接段(6)的中心处与柱状的夹持段(7)固定连接，夹持段(7)与机器人的法兰盘连接。
10.根据权利要求9所述的用于轴承外圈的激光冲击强化方法的装置，其特征在于：轴承套(5)内径与轴承外圈(1)的外径配合公差等级不低于IT6。
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