CN110508928B - 一种轴承衬抑制裂纹扩展的加工装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种轴承衬抑制裂纹扩展的加工装置及方法，该加工装置由底座、横向移动机构、旋转机构、定位夹紧机构和激光喷丸机构组成；所述横向移动机构设置在底座上；所述旋转机构设置在横向移动机构上；所述定位夹紧机构设置在旋转机构上；激光喷丸机构对应所述移动机构和旋转机构固定安装在所述底座上。本发明利用激光能量对轴承衬裂纹区域进行喷丸强化，在材料表面形成残余压应力场，细化轴承衬表层晶粒改善材料表面性能,增加轴承衬的裂纹扩展抗力，降低轴承衬的微裂纹扩展速率，有效提高轴承的使用寿命。

Description

一种轴承衬抑制裂纹扩展的加工装置及方法
技术领域
本发明涉及一种轴承衬抑制裂纹扩展的加工装置及方法，属于激光加工技术领域。
背景技术
轴承是机械设备中举足轻重的零部件。它的主要功能是支撑机械旋转体，用以降低设备在传动过程中的机械载荷摩擦系数。在载荷反复作用下，轴承衬发生裂纹的萌生、扩展一直到最终发生零件失效，大部分寿命消耗在以微裂纹如材料本身的缺陷到宏观裂纹的扩展阶段，严重影响工业的生产效率和生产安全。
轴承衬表面微裂纹抑制萌生和扩展的方法大多采用细微颗粒渗入技术、激光冲击强化技术、激光熔覆修复技术，如申请号为201510318927.4的发明专利提供了一种基于激光冲击强化的抑制零件裂纹萌生与扩展的方法，可以抑制零件损伤区域裂纹的扩展，但缺乏轴承衬的加工装置。本发明提供一种轴承衬抑制裂纹扩展的加工装置及方法，利用高能量、短脉冲激光诱导的高幅冲击波压力对整体式轴瓦内表面的轴承衬进行表面改性，有效改善轴承衬中的应力分布和微观组织结构,进而降低裂纹扩展速率，延长轴承的使用寿命。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中缺乏专门对轴承衬裂纹抑制的加工装置，提供用于轴承衬抑制裂纹扩展的加工装置及方法。
本发明利用高能量、短脉冲激光诱导的高幅冲击波对轴承衬进行表面改性，不仅能显著提高轴承衬的表面性能，增加表面硬度，细化晶粒，还能改善表面残余应力场，降低外部拉应力或裂纹尖端的有效应力强度因子，从而减轻拉应力加速裂纹扩展及引发新裂纹的不利影响，增强轴承衬表面裂纹的扩展抗力。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种轴承衬抑制裂纹扩展的加工装置，由底座、横向移动机构、旋转机构、定位夹紧机构和激光喷丸机构组成；其中：所述底座为内设肋板的凹腔体，前、后两侧的上平面设有V型滑动导轨；所述横向移动机构设置在底座上；所述旋转机构设置在横向移动机构上；所述定位夹紧机构为三爪卡盘，设置在旋转机构上；激光喷丸机构对应所述移动机构和旋转机构固定安装在所述底座上。
进一步，所述横向移动机构由第一轴承、丝杠、第一电机、第一联轴器、第一轴承透盖、滑块、移动手柄、第一垫片、第一盖形螺母、盖板、移动台、螺栓和螺母座组成；所述丝杠两端通过第一轴承和第一轴承透盖固定于底座内，丝杠右端通过第一联轴器连接第一电机，丝杠左端连接移动手柄，并通过第一垫片和第一盖形螺母紧固；所述移动台为安装有旋转机构的凹腔体，并通过盖板封闭，下平面的四周安装有与底座的导轨相连接的滑块，下平面的中部通过螺栓安装螺母座，螺母座与丝杠相连接；所述移动台的横向移动可通过第一电机控制，也可通过移动手柄控制。
进一步，所述旋转机构由第二电机、第二联轴器、第三轴承透盖、旋转手柄、第二盖形螺母、第二垫片、第二轴承透盖、过渡盘、键、蜗轮轴、蜗轮、蜗杆轴、第二轴承、轴承闷盖和第三轴承组成；所述蜗杆轴通过第二轴承安装于所述移动台内，一端用轴承闷盖密封，另一端穿过第二轴承透盖连接有通过第二垫片和第二盖形螺母紧固的旋转手柄；蜗轮与蜗杆轴相啮合，并通过键固定在蜗轮轴上，蜗轮轴穿过移动台的左、右两侧平面，并通过第三轴承和第三轴承透盖固定在移动台上，蜗轮轴的一端通过第二联轴器连接有第二电机，另一端设有螺纹与安装有定位夹紧机构的过渡盘相连接；所述定位夹紧机构的旋转运动可通过第二电机控制，也可通过旋转手柄控制。
进一步，所述激光喷丸机构包含激光器，所述激光器通过激光器支架固定安装于底座右侧，所述导管安置在底座上，底座上安装有导管，导管自上而下套装有反射镜支架和聚焦透镜支架，所述反射镜支架安装有反射镜，所述聚焦透镜支架安装有聚焦透镜；所述激光器发射激光束，通过反射镜将横向光路转换为纵向光路，并通过聚焦透镜，透过约束层水，聚焦于能量吸收层铝箔上，产生等离子体冲击波向轴承衬内部传播，在轴承衬表面喷丸强化。
利用上述的一种轴承衬裂纹抑制扩展的加工装置加工轴承衬裂纹区域的方法，具体包括以下步骤：
第一步，根据轴承衬裂纹的大小划分强化区域；
第二步，将轴承衬的强化区域依次用600#-1500#的金相砂纸打磨，在抛光机上抛光至表面粗糙度Ra≤0.05，随后放置于盛有乙醇的超声波清洗机内清洗15-20min，放入温度为105-110℃的干燥箱中干燥20min；
第三步，在抛光轴承衬的强化区域贴附一层铝箔作为能量吸收层，在铝箔上设有水作为约束层；
第四步，通过定位夹紧机构固定轴承衬，调整移动手柄和旋转手柄使强化区域正对激光束；
第五步，开启激光器，设置激光喷丸工艺参数，并通过第一电机或移动手柄控制轴承衬的横向运动，以及第二电机或旋转手柄控制轴承衬的旋转运动，进而对轴承衬的强化区域进行加工；
第六步，加工完成，取下轴承衬，去除表面贴附的能量吸收层铝箔，并用装有乙醇的超声波清洗机进行清洗15-20min，在温度为105-110℃的干燥箱中干燥20min。
进一步，所述第一步中的强化区域的中心为裂纹，强化区域的长为裂纹长L的3-5倍，宽度为裂纹纵向最大间距W的2-4倍。
进一步，所述第三步中能量吸收层铝箔的厚度为0.05-0.1mm，约束层水的厚度为1-2mm。
进一步，所述第五步中激光器为脉冲激光器，激光波长为1064nm，脉宽＜15ns，重复频率为5-10Hz，光束发射角≤0.5mrad。
进一步，所述第五步中激光喷丸工艺参数中的激光功率密度为2-15GW/cm2，光斑直径为2-3mm，搭接率为0-50％，冲击次数为1-4次。
本发明具有以下优点和有益效果：
(1)本发明的一种轴承衬抑制裂纹扩展的加工装置加工零部件可以自动或手动调节旋转运动和横向运动，增强装置的灵活性，操作简单安全，大大提高加工效率。
(2)本发明是利用短脉冲(ns量级)、高功率密度(GW/cm2量级)的激光，在轴承衬表面诱导高幅残余压应力，增强轴承衬对表面破坏的抵抗能力，有效降低轴承衬承受交变载荷作用的拉应力水平，减小微裂纹扩展的驱动力，进而抑制裂纹的扩展。
(3)本发明利用激光喷丸强化技术处理的强化区域的晶粒细化，使得裂纹扩展路径变得曲折，扩展阻力增大，降低轴承衬裂纹的扩展速率。
附图说明
图1为本发明的激光喷丸强化加工装置轴测视图。
图2为本发明的激光喷丸强化加工装置主视图。
图2(a)为图2的A-A方向剖视图。
图2(b)为图2的B-B方向剖视图。
图3为本发明的激光喷丸强化加工装置轴承衬内安装图。
图4为本发明的激光喷丸轴承衬裂纹的强化区域示意图。
其中：1为底座、2为横向移动机构、3为旋转机构、4为定位夹紧机构、5为激光喷丸机构、2-1为第一轴承、2-2为丝杠、2-3为第一电机、2-4为第一联轴器、2-5为第一轴承透盖、2-6为滑块、2-7为移动手柄、2-8为第一垫片、2-9为第一盖形螺母、2-10为盖板、2-11为移动台、2-10为螺栓、2-11为螺母座、3-1为第二电机、3-2为第二联轴器、3-3为第三轴承透盖、3-4为旋转手柄、3-5为第二盖形螺母、3-6为第二垫片、3-7为第二轴承透盖、3-8为过渡盘、3-9为键、3-10为蜗轮轴、3-11为蜗轮、3-12为蜗杆轴、3-13为第二轴承、3-14为轴承闷盖、3-15为第三轴承、5-1为导管、5-2为激光器、5-3为激光器支架、5-4为反射镜支架、5-5为反射镜、5-6为激光束、5-7为聚焦透镜支架、5-8为聚焦透镜、5-9为水、5-10为铝箔、5-11为轴承衬。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和方向术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。
实施例1：
一种轴承衬抑制裂纹扩展的加工装置，其技术方案是：
如图1所示，一种轴承衬抑制裂纹扩展的加工装置，由底座1、横向移动机构2、旋转机构3、定位夹紧机构4和激光喷丸机构5组成；其中：所述底座1为内设肋板的凹腔体，前、后两侧的上平面设有V型滑动导轨；所述横向移动机构2设置在底座1上；所述旋转机构3设置在横向移动机构2上；所述定位夹紧机构4为三爪卡盘，设置在旋转机构3上；激光喷丸机构5对应所述移动机构2和旋转机构3固定安装在所述底座1上。
如图2、图2(a)、图2(b)所示，所述横向移动机构2由第一轴承2-1、丝杠2-2、第一电机2-3、第一联轴器2-4、第一轴承透盖2-5、滑块2-6、移动手柄2-7、第一垫片2-8、第一盖形螺母2-9、盖板2-10、移动台2-11、螺栓2-12和螺母座2-13组成；所述丝杠2-2两端通过第一轴承2-1和第一轴承透盖2-5固定于底座1内，丝杠2-2右端通过第一联轴器2-4连接第一电机2-3，丝杠2-2左端连接移动手柄2-7，并通过第一垫片2-8和第一盖形螺母2-9紧固；所述移动台2-11为安装有旋转机构3的凹腔体，并通过盖板2-10封闭，下平面的四周安装有与底座1上导轨相连接的滑块2-6，下平面的中部通过螺栓2-12安装螺母座2-13，螺母座2-13与丝杠2-2相连接；所述移动台2-11的横向移动可以通过第一电机2-3控制，也可以通过移动手柄2-7控制。
如图2、图2(a)、图2(b)所示，所述旋转机构3由第二电机3-1、第二联轴器3-2、第三轴承透盖3-3、旋转手柄3-4、第二盖形螺母3-5、第二垫片3-6、第二轴承透盖3-7、过渡盘3-8、键3-9、蜗轮轴3-10、蜗轮3-11、蜗杆轴3-12、第二轴承3-13、轴承闷盖3-14和第三轴承3-15组成；所述蜗杆轴3-12通过第二轴承3-13安装于所述移动台2-11内，一端用轴承闷盖3-14密封，另一端穿过第二轴承透盖3-7连接有通过第二垫片3-6和第二盖形螺母3-5紧固的旋转手柄3-4；蜗轮3-11与蜗杆轴3-12相啮合，并通过键3-9固定在蜗轮轴3-10上，蜗轮轴3-10穿过移动台2-11的左、右两侧平面，并通过第三轴承3-15和第三轴承透盖3-3固定在移动台2-11上，蜗轮轴3-10的一端通过第二联轴器3-2连接有第二电机3-1，另一端设有螺纹与安装有定位夹紧机构4的过渡盘3-8相连接；所述定位夹紧机构4的旋转运动可通过第二电机3-1控制，也可通过旋转手柄3-4控制。
如图2、图2(b)、图3所示，所述激光喷丸机构5包含激光器5-2，所述激光器5-2通过激光器支架5-3固定安装于底座1右侧，底座1上安装有导管5-1，导管5-1自上而下套装有反射镜支架5-4和聚焦透镜支架5-7，所述反射镜支架5-4安装有反射镜5-5，所述聚焦透镜支架5-7安装有聚焦透镜5-8；所述激光器5-2发射激光束5-6，通过反射镜5-5将横向光路转换为纵向光路，并通过聚焦透镜5-8，透过约束层水5-9，聚焦于能量吸收层铝箔5-10上，产生等离子体冲击波向轴承衬5-11内部传播，在轴承衬5-11表面喷丸强化。
如图4所示，所述强化区域的长为裂纹长L的3-5倍，宽度为裂纹纵向最大间距W的2-4倍。
实施例2：
一种轴承衬抑制裂纹扩展的加工装置加工轴承衬裂纹区域的方法，包括以下步骤：
第一步，根据轴承衬5-10裂纹的大小划分强化区域；
第二步，将轴承衬5-11的强化区域依次用600#-1500#的金相砂纸打磨，在抛光机上抛光至表面粗糙度Ra≤0.05，随后放置于盛有乙醇的超声波清洗机内清洗15-20min，放入温度为105-110℃的干燥箱中干燥20min；
第三步，在抛光轴承衬5-11的强化区域贴附一层铝箔5-10作为能量吸收层，在铝箔5-10上设有水5-9作为约束层；
第四步，通过定位夹紧机构4固定轴承衬5-10，调整移动手柄2-7和旋转手柄3-4使强化区域正对激光束5-6；
第五步，开启激光器，设置激光喷丸工艺参数，并通过第一电机2-3或移动手柄2-7控制轴承衬5-11的横向运动，以及第二电机3-1或旋转手柄3-4控制轴承衬5-11的旋转运动，进而对轴承衬5-11的强化区域进行加工；
第六步，加工完成，取下轴承衬5-11，去除表面贴附的能量吸收层铝箔5-10，并用装有乙醇的超声波清洗机进行清洗15-20min，在温度为105-110℃的干燥箱中干燥20min。
进一步，所述第一步中的强化区域的中心为裂纹，强化区域的长为裂纹长L的3-5倍，宽度为裂纹纵向最大间距W的2-4倍。
进一步，所述第三步中能量吸收层铝箔的厚度为0.05-0.1mm，约束层水的厚度为1-2mm。
进一步，所述第五步中激光器为脉冲激光器，激光波长为1064nm，脉宽＜15ns，重复频率为5-10Hz，光束发射角≤0.5mrad。
进一步，所述第五步中激光喷丸工艺参数中的激光功率密度为2-15GW/cm2，光斑直径为2-3mm，搭接率为0-50％，冲击次数为1-4次。
以上所述仅为本发明的优选实施例，但并不限制本发明。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (1)

1.一种轴承衬抑制裂纹扩展的加工装置，其特征在于：该加工装置由底座(1)、横向移动机构(2)、旋转机构(3)、定位夹紧机构(4)和激光喷丸机构(5)组成；其中：所述底座(1)为内设肋板的凹腔体，前、后两侧的上平面设有V型滑动导轨；所述横向移动机构(2)设置在底座(1)上；所述旋转机构(3)设置在横向移动机构(2)上；所述定位夹紧机构(4)为三爪卡盘，设置在旋转机构(3)上；激光喷丸机构(5)对应所述横向移动机构(2)和旋转机构(3)固定安装在所述底座(1)上；
所述横向移动机构(2)由第一轴承(2-1)、丝杠(2-2)、第一电机(2-3)、第一联轴器(2-4)、第一轴承透盖(2-5)、滑块(2-6)、移动手柄(2-7)、第一垫片(2-8)、第一盖形螺母(2-9)、盖板(2-10)、移动台(2-11)、螺栓(2-12)和螺母座(2-13)组成；所述丝杠(2-2)两端均通过第一轴承(2-1)和第一轴承透盖(2-5)固定于底座(1)内，丝杠(2-2)右端通过第一联轴器(2-4)连接第一电机(2-3)，丝杠(2-2)左端连接移动手柄(2-7)，并通过第一垫片(2-8)和第一盖形螺母(2-9)紧固；所述移动台(2-11)为安装有旋转机构(3)的凹腔体，并通过盖板(2-10)封闭，下平面的四周安装有与底座(1)导轨相连接的滑块(2-6)，下平面的中部通过螺栓(2-12)安装螺母座(2-13)，螺母座(2-13)与丝杠(2-2)相连接；所述移动台(2-11)的横向移动通过第一电机(2-3)控制，或通过移动手柄(2-7)控制；
所述旋转机构(3)由第二电机(3-1)、第二联轴器(3-2)、第三轴承透盖(3-3)、旋转手柄(3-4)、第二盖形螺母(3-5)、第二垫片(3-6)、第二轴承透盖(3-7)、过渡盘(3-8)、键(3-9)、蜗轮轴(3-10)、蜗轮(3-11)、蜗杆轴(3-12)、第二轴承(3-13)、轴承闷盖(3-14)和第三轴承(3-15)组成；所述蜗杆轴(3-12)通过第二轴承(3-13)安装于所述移动台(2-11)内，一端用轴承闷盖(3-14)密封，另一端穿过第二轴承透盖(3-7)连接有通过第二垫片(3-6)和第二盖形螺母(3-5)紧固的旋转手柄(3-4)；蜗轮(3-11)与蜗杆轴(3-12)相啮合，并通过键(3-9)固定在蜗轮轴(3-10)上，蜗轮轴(3-10)穿过移动台(2-11)的左、右两侧平面，并通过第三轴承(3-15)和第三轴承透盖(3-3)固定在移动台(2-11)上，蜗轮轴(3-10)的一端通过第二联轴器(3-2)连接有第二电机(3-1)，另一端设有螺纹与安装有定位夹紧机构(4)的过渡盘(3-8)相连接；所述定位夹紧机构(4)的旋转运动可通过第二电机(3-1)控制，也可通过旋转手柄(3-4)控制；
所述激光喷丸机构(5)包含激光器(5-2)，所述激光器(5-2)通过激光器支架(5-3)固定安装于底座(1)右侧，底座(1)上安装有导管(5-1)，导管(5-1)自上而下套装有反射镜支架(5-4)和聚焦透镜支架(5-7)，所述反射镜支架(5-4)安装有反射镜(5-5)，所述聚焦透镜支架(5-7)安装有聚焦透镜(5-8)；所述激光器(5-2)发射激光束(5-6)，通过反射镜(5-5)将横向光路转换为纵向光路，并通过聚焦透镜(5-8)，透过约束层水(5-9)，聚焦于能量吸收层铝箔(5-10)上，产生等离子体冲击波向轴承衬(5-11)内部传播，在轴承衬(5-11)表面喷丸强化；
所述加工装置加工轴承衬裂纹区域的方法步骤是：
第一步，根据轴承衬(5-11)裂纹的大小划分强化区域；
第二步，将轴承衬(5-11)的强化区域依次用600#-1500#的金相砂纸打磨，在抛光机上抛光至表面粗糙度Ra≤0.05，随后放置于盛有乙醇的超声波清洗机内清洗15-20min，放入温度为105-110℃的干燥箱中干燥20min；
第三步，在抛光轴承衬(5-11)的强化区域贴附一层铝箔(5-10)作为能量吸收层，在铝箔(5-10)上设有水(5-9)作为约束层；
第四步，通过定位夹紧机构(4)固定轴承衬(5-11)，调整移动手柄(2-7)和旋转手柄(3-4)使强化区域正对激光束(5-6)；
第五步，开启激光器，设置激光喷丸工艺参数，并通过第一电机(2-3)或移动手柄(2-7)控制轴承衬(5-11)的横向运动，以及通过第二电机(3-1)或旋转手柄(3-4)控制轴承衬(5-11)的旋转运动，进而对轴承衬(5-11)的强化区域进行加工；
第六步，加工完成，取下轴承衬(5-11)，去除表面贴附的能量吸收层铝箔(5-10)，并用装有乙醇的超声波清洗机进行清洗15-20min，在温度为105-110℃的干燥箱中干燥20min；
其中，第一步中所述裂纹为强化区域的中心，强化区域的长为裂纹长L的3-5倍，宽度为裂纹纵向最大间距W的2-4倍；
第三步中所述能量吸收层铝箔(5-10)的厚度为0.05-0.1mm，所述约束层水(5-9)的厚度为1-2mm；
第五步中所述激光器(5-2)为脉冲激光器，激光波长为1064nm，脉宽＜15ns，重复频率为5-10Hz，光束发射角≤0.5mrad；所述激光喷丸工艺参数中的激光功率密度为2-15GW/cm2，光斑直径为2-3mm，搭接率为0-50％，冲击次数为1-4次。
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