CN111843810B - 一种轴承钢球表面强化加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种轴承钢球表面强化加工方法，包括以下步骤：(1)在滚筒内放入待强化加工的轴承钢球，接着再放入研磨粉和富氮强化研磨改性液；(2)将滚筒内部空气抽出，然后将氮气输入滚筒内部；(3)启动转动驱动电机，带动滚筒同时做公转和自转的运动；(4)通过往复摇摆机构驱动滚筒进行往复摇摆运动，轴承钢球在离心力、重力和摆动力的作用下对轴承钢球加工表面随机概率撞击；(5)加工至2‑3小时后，关闭转动驱动电机以及停止往复摇摆机构的驱动，将滚筒内的氮气抽出并存放，将轴承钢珠与研磨粉及富氮强化研磨改性液的混合料排出。该方法可以提高轴承钢球的强化加工速率、表面强化层机械物理性能以及强化加工的一致性。

Description

一种轴承钢球表面强化加工方法
技术领域
本发明涉及轴承钢球强化加工的技术领域，具体涉及一种轴承钢球表面强化加工方法。
背景技术
轴承钢球是一种用于工业生产的零件，属于轴承中最关键的零件，其几何参数和物理性能直接影响轴承的性能、水平、质量及可靠性。轴承钢球在材料特性方面除了应具备轴承钢的“高的接触疲劳强度、高的耐磨性、高的弹性极限、较高的硬度”等基本要求以外，最重要的要求是钢球表面各点材质的一致性以及钢球与钢球之间材质的一致性。轴承钢球在力学特征上由于是点接触，因而接触应力载荷高；另外由于其转速比套圈要高得多，因而应力循环次数也多。轴承钢球在数量特征上由于单套轴承中，内、外轴承套圈各只有一件，而钢球则数量较多；生产批量也远比内、外轴承套圈的数量要大，要求加工效率特别高、加工一致性非常好。
基于上述轴承钢球的特征，目前的加工方法是“毛坯——粗加工——热处理——粗硬磨——强化加工——精磨——研磨”，其中的强化加工，是提高钢球强化的重要手段。在现有技术中，采用一个离心滚桶，在离心滚桶内设置提升板和旋转击球转板，使钢球在离心滚桶随机撞击，进行机械强化加工，但是，上述钢球在强化加工过程中存在以下不足：
1、强化加工效率不高。由于要求钢球加工需要对其球面各点等概率均匀加工，且生产批量大，因此加工麻烦。如果滚桶转速过高，就算是滚桶中间增设一个旋转击球转板，钢球在离心力作用下将紧贴滚桶内壁，在达到滚桶的最高点时，钢球也落不下来，从而影响强化加工效率。目前，大点的钢球在滚桶中只能靠自重回落所产生的撞击来产生强化，而小一点的钢球则靠中间旋转的若干个击球转板对钢球的冲击实现强化，但是这种冲击并非是所有的冲击球转板同时全部参与，而是逐个单块板对钢球进行冲击而影响强化效率。此外，这种单滚桶强化，由于容量有限也会影响加工效率，因此往往强化时间要在4个小时以上。
2、强化加工的一致性不高。逐个单块板对钢球的冲击，不仅影响强化加工效率，而且会影响钢球强化加工的一致性，需要更多对钢球表面冲击循环的次数才能保证钢球的一致性；此外，由于采用单滚桶强化，一次强化的钢球量有限，多次强化后每桶钢球的强化层的硬度与杨氏模量、残余压应力、表面粗糙度以及钢球压碎负荷等就容易产生差异，使钢球强化的一致性不好。
3、强化层机械物理性能不高。由于强化的手段单一，仅仅是机械冲击强化，可控性差，容易产生过强化和欠强化；也形成不了有利于储油和润滑功能并增加钢球的纯滚动的表面类织构(不那么规则却基本均匀类似的表面织构)，使钢球表面机械物理性能达不到理想要求，尤其是高速运动的球轴承，过于光滑的钢球与轴承沟道接触表面容易因陀螺力矩产生打滑而引起烧伤；无法形成摩擦化学强化、化学元素渗透强化；此外，粗糙度也较高，为后道工序加工带来复映误差的麻烦，从而又影响钢球的一致性。
发明内容
本发明的目的在于克服上述存在的问题，提供一种轴承钢球表面强化加工方法，该方法不仅可以提高轴承钢球的强化加工速率，而且还能提高轴承钢球表面强化层机械物理性能，同时也保证轴承钢球强化加工的一致性。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种轴承钢球表面强化加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)打开机箱，然后打开设置在机箱内的滚筒的入料口，在滚筒内放入待强化加工的轴承钢球，接着再放入研磨粉和富氮强化研磨改性液，关闭入料口；
(2)通过抽气机将滚筒内部空气从滚筒上的入气孔抽出，然后利用制氮机从空气中分离出的常温氮气，再通过入气孔将常温氮气输入滚筒内部，关闭入气孔，使得整个滚筒处于密封状态，关闭机箱；
(3)启动转动驱动电机，带动行星传动机构运动，使得滚筒同时做公转和自转的运动，使得轴承钢球在滚筒内受到离心力和重力的作用下，做复杂的运动；
(4)通过往复摇摆机构驱动滚筒进行往复摇摆运动，使得滚筒内的轴承钢球受到摆动力的作用，做进一步运动，轴承钢球在离心力、重力和摆动力的作用下以及在富氮强化研磨改性液、轴承钢球以及研磨粉形成复杂流场的条件下，对轴承钢球加工表面随机概率撞击，使得轴承钢球表面加工出具有“表面类织构层、氮-金属络合物表面强化层”的双层复合结构以及残余压应力；
(5)加工至2-3小时后，关闭转动驱动电机以及停止往复摇摆机构的驱动，通过抽气机从入气孔将滚筒内的氮气抽出并存放，将轴承钢珠与研磨粉及富氮强化研磨改性液的混合料从入料口处排出至存放箱内。
上述一种轴承钢球表面强化加工方法的工作原理是：
在滚筒内放入适量的轴承钢球、研磨粉和富氮强化研磨改性液，然后将滚筒内的空气抽出，通入氮气；接着启动转动驱动电机，带动行星传动机构运动通过行星传动机构的运动带动滚筒同时做公转和自转的运动，同时，行星传动机构还带动设置在滚筒内部的提升机构运动，随后复摆动机构驱动滚筒进行往复摇摆运动，轴承钢球在离心力、重力和摆动力的作用下以及在富氮强化研磨改性液、轴承钢球以及研磨粉形成复杂流场的条件下，对轴承钢球加工表面随机概率撞击；具体地，通过研磨粉在轴承钢球碰撞冲击时的压印使钢球表面形成表面类织构层(油囊、纹理)；通过轴承钢球带动附着的研磨粉对钢球冲击；使钢球表面形成机械强化及残余压应力；并通过富氮强化研磨改性液促进轴承钢球和研磨粉界面之间摩擦引起的物理化学效应，使钢球表面层获得氮原子(渗透或摩擦化学反应)；通过富氮强化研磨改性液的冷却、清洗、润滑以及研磨粉和钢球相互作用产生研磨-微切削和微碰撞形成去除变质层的研磨加工，改善精度，降低粗糙度，从而使钢球表面达到获得双层复合层(减磨增摩类织构层和强化层)、残余压应力以及降低粗糙度等效果，因此，使得轴承钢球表面加工出具有“表面类织构层、氮-金属络合物表面强化层”的双层复合结构以及残余压应力，以达到轴承钢球表面强化加工的作用。
本发明的一个优选方案，其中，在步骤(1)中，所述轴承钢球、研磨粉和富氮强化研磨改性液混合投放的重量比例为2-5∶1-2∶1；所述研磨粉是粒径为80-180目的棕刚玉粉；所述富氮强化研磨改性液的成份由下述重量配比的原料制成：极压添加剂10-15％、渗透剂15-20％、非离子表面活性剂20-25％、pH调节剂4～6％、硼砂2-5％、pH缓冲剂2-5％、软化剂0.3-0.8％、碱1％、消泡剂0.1-0.2％、防锈剂0.1-0.2％、其余为水。
优选地，在步骤(3)中，所述行星传动机构包括转动设置在所述机箱上水平转轴、分别固定设置在所述水平转轴两端的主动转盘、从动转盘、设置在所述主动转盘上的行星齿轮组件；其中，
所述滚筒为两个，两个滚筒的轴线均与水平转轴的轴线平行；每个滚筒与主动转盘之间均设有主动滚筒轴，该主动滚筒轴的一端与所述主动转盘转动连接，另一端与所述滚筒的端面固定连接；每个所述滚筒与从动转盘之间均设有从动滚筒轴，该从动滚筒轴的一端与所述从动转盘转动连接，另一端与所述滚筒的端面固定连接；
所述行星齿轮组件包括设置在所述水平转轴上的第一主动齿轮、均设置在所述主动滚筒轴上的第二从动齿轮以及设置在所述第一主动齿轮与第二从动齿轮之间的传动齿轮组件，所述传动齿轮组件包括与所述水平转轴相互平行且转动设置在所述主动转盘上的传动转轴、设置在所述传动转轴上且与所述第一主动齿轮啮合的第一从动齿轮以及设置在所述传动转轴上且与所述第二从动齿轮啮合的第二主动齿轮；所述转动驱动电机与所述水平转轴连接。
优选地，所述机箱的底部设有底板、所述转动驱动电机设置在所述底板上，所述转动驱动电机与所述水平转轴之间设有用于将转动驱动电机的动力传递给水平转轴的转动传动机构，其中，所述转动传动机构包括与所述转动驱动电机主轴连接的第一锥齿轮、与所述第一锥齿轮啮合的第二锥齿轮、与所述第二锥齿轮同轴设置的主动带轮、设置在所述水平转轴上的从动带轮以及设置在主动带轮与从动带轮之间的皮带，所述皮带的一端与所述主动带轮连接，另一端与所述从动带轮连接。
优选地，行星传动机构还带动设置在滚筒内部的提升机构运动，进而带动滚筒内的轴承钢球进一步进行撞击运动；所述提升机构包括设置在所述滚筒内的提升板、以及对称设置在所述提升板两端的“Z”型摇杆，所述主动滚筒轴的一端伸入所述滚筒内与其中一个“Z”型摇杆的首端连接，该“Z”型摇杆的末端与所述提升板的首端固定连接；另一个“Z”型摇杆的首端与所述滚筒内部端面转动连接，该“Z”型摇杆的末端与所述提升板的末端固定连接；所述提升板的宽度小于滚筒的直径。
优选地，所述主动滚筒轴与所述“Z”型摇杆之间设有用于将主动滚筒轴的动力传递给“Z”型摇杆的动力传动机构，所述滚筒内设有隔板，所述隔板将所述滚筒内部分成传动腔与强化腔，所述提升机构位于所述强化腔内，所述动力传动机构位于所述传动腔内，该动力传动机构包括第三主动齿轮、动力传动转轴、第三从动齿轮、第四主动齿轮以及第四从动齿轮，其中，所述“Z”型摇杆的首端穿过隔板与所述第四从动齿轮连接，该“Z”型摇杆转动连接在隔板上，所述第三主动齿轮设置在所述主动滚筒轴上，所述动力传动转轴与主动滚筒轴平行且转动设置在所述滚筒内部端面上，所述第三从动齿轮设置在动力传动转轴上且与第三主动齿轮啮合，所述第四主动齿轮设置在动力传动转轴上且与第四从动齿轮啮合。
优选地，在步骤(2)之后，将滚筒内部的超声波发生器与电源接通，启动超声振动机构，超声振动机构发生高频振动，对轴承钢球再次赋予强大动能冲击；所述超声振动机构包括设置在所述滚筒内的振动板以及设置在所述振动板下端的多个超声波振子，其中，所述滚筒内设有挡板，所述挡板将所述滚筒内部分成安装腔与强化加工腔，所述超声波发生器设置在所述安装腔内，所述振动板和超声波振子设置在所述强化加工腔内，多个超声波振子通过高频线与所述超声波发生器连接。
优选地，所述滚筒的筒壁在与所述振动板两侧对应的位置处设有安装槽，所述振动板两侧均延伸至所述安装槽内，所述振动板的上下两端均设多个弹簧，多个弹簧将所述振动板抵紧在安装槽的上下表面之间。
进一步地，所述振动板的上表面与所述安装槽的上表面之间设有弹性密封垫，所述弹性密封垫的上端作用于安装槽的上表面，下端作用于振动板的上表面。
进一步地，所述超声波振子包括超声波换能器以及与所述超声波换能器连接的变幅杆，所述变幅杆的杆头连接在所述振动板的下表面，所述高频线连接在所述超声波换能器上。
进一步地，所述振动板上表面设有有强化层以及微织构层。
优选地，所述往复摇摆机构包括设置在所述底板下方的底座、设置在所述底座与底板之间的第一摆动板、第二摆动板以及用于驱动所述第一摆动板进行摆动的摆动驱动机构；其中，所述第一摆动板与第二摆动板分布在所述底座两端，所述第一摆动板的上端与所述底板铰接，下端与所述底座铰接；所述第二摆动板的上端与所述底板铰接，下端与所述底座铰接；所述第一摆动板的长度小于第二摆动板的长度。
优选地，所述摆动驱动机构包括设置在底座上的摆动驱动电机、第三锥齿轮、第四锥齿轮、圆盘、销轴以及摇杆，其中，所述第三锥齿轮设置在所述摆动驱动电机主轴上，所述第四锥齿轮与圆盘通过支撑块同轴设置在底座上，该第四锥齿轮与所述第三锥齿轮啮合，所述销轴设置在所述圆盘的偏心位置上，所述第一摆动板的上端通过与第一摆动板固定连接的支撑轴铰接在底板的下端，所述摇杆的其中一端与所述支撑轴垂直固定连接，该摇杆上设有与所述销轴相互滑动配合的滑动槽，所述滑动槽沿着摇杆的轴线方向延伸。
优选地，所述行星传动机构为增速机构，所述动力传动机构为减速机构。
优选地，所述滚筒的内壁、提升板以及“Z”型摇杆表面均设有强化层。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1、本发明中，通过设置行星传动机构以及往复摇摆机构，使得两个滚筒在自转的同时，还能进行公转，加上往复摇摆机构驱动滚筒往复摆动，轴承钢球在离心力、重力和摆动力的作用下以及在富氮强化研磨改性液、轴承钢球以及研磨粉形成复杂流场的条件下，对轴承钢球加工表面随机概率撞击，使得轴承钢球表面加工出具有“表面类织构层、氮-金属络合物表面强化层”的双层复合结构以及残余压应力，以达到轴承钢球表面强化加工的作用，提高了钢球轴承的强化加工效率以及提高轴承钢球表面强化层机械物理性能。
2、本发明中，随着轴承钢球碰撞概率的提高，使得轴承钢球表面冲击循环次数不断增加，轴承钢球表面各个地方可以实现均匀的碰撞，从而提高强化加工的一致性。
附图说明
图1-图2为本发明中的一种轴承钢球表面强化加工方法的第一种具体实施方式的结构示意图，其中，图1为立体图，图2为主视图。
图3为本发明中省去往复摇摆机构以及门板的主视图。
图4为本发明中省去往复摇摆机构以及机箱的立体图。
图5为图4中A处的局部放大图。
图6为本发明中滚筒与行星传动机构的立体结构示意图。
图7为本发明中滚筒内部提升机构的立体结构示意图，其中，滚筒省去第一密封盖和第二密封盖。
图8为本发明中提升机构的立体结构示意图。
图9为-图11为本发明中往复摇摆机构的结构示意图，其中，图9为主视图，图10为立体图，图11为省去底板另一视角方向的立体图。
图12-图17为本发明中的一种轴承钢球表面强化加工方法的另一种具体实施方式的结构示意图，其中，图12为滚筒内部超声振动机构的立体图，其中，滚筒省去第一密封盖和第二密封盖，图13为图12的主视图，图14为图13中B-B处的剖视图，图15为图14中C处的局部放大图，图16为超声振动机构的立体图，图17为超声振动机构另一视角方向的立体图。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员很好地理解本发明的技术方案，下面结合实施例和附图对本发明作进一步描述，但本发明的实施方式不仅限于此。
参见图1-图7，本实施例公开一种轴承钢球表面强化加工方法，包括以下步骤：
(1)打开机箱1，然后打开设置在机箱1内的滚筒2的入料口2-1，在滚筒2内放入待强化加工的轴承钢球，接着再放入研磨粉和富氮强化研磨改性液，关闭入料口2-1；
(2)通过抽气机将滚筒2内部空气从滚筒2上的入气孔2-2抽出，然后利用制氮机从空气中分离出的常温氮气，再通过入气孔2-2将常温氮气输入滚筒2内部，关闭入气孔2-2，使得整个滚筒2处于密封状态，关闭机箱1；
(3)启动转动驱动电机3，带动行星传动机构4运动，使得滚筒2同时做公转和自转的运动，使得轴承钢球在滚筒2内受到离心力和重力的作用下，做复杂的运动；
(4)通过往复摇摆机构驱动滚筒2进行往复摇摆运动，使得滚筒2内的轴承钢球受到摆动力的作用，做进一步运动，轴承钢球在离心力、重力和摆动力的作用下以及在富氮强化研磨改性液、轴承钢球以及研磨粉形成复杂流场的条件下，对轴承钢球加工表面随机概率撞击，使得轴承钢球表面加工出具有“表面类织构层、氮-金属络合物表面强化层”的双层复合结构以及残余压应力；
(5)加工至2-3小时后，关闭转动驱动电机3以及停止往复摇摆机构的驱动，通过抽气机从入气孔2-2将滚筒2内的氮气抽出并存放，将轴承钢珠与研磨粉及富氮强化研磨改性液的混合料从入料口2-1处排出至存放箱内。
具体地，在步骤(1)中，所述轴承钢球、研磨粉和富氮强化研磨改性液混合投放的重量比例为2-5∶1-2∶1；所述研磨粉是粒径为80-180目的棕刚玉粉；所述富氮强化研磨改性液的成份由下述重量配比的原料制成：极压添加剂10-15％、渗透剂15-20％、非离子表面活性剂20-25％、pH调节剂4～6％、硼砂2-5％、pH缓冲剂2-5％、软化剂0.3-0.8％、碱1％、消泡剂0.1-0.2％、防锈剂0.1-0.2％、其余为水。极压添加剂在摩擦中可与金属材料发生摩擦化学反应，渗透剂可以对轴承表面进行渗透、洗涤、润湿、去污和乳化；pH调节剂可以调整富氮强化研磨改性液的pH值，同时具有防锈作用；非离子表面活性剂可显著降低水的表面张力，有助于强化研磨改性液渗透于被加工工件表面；硼砂不仅易溶于水，能够缓冲溶液的酸碱变化，而且所含的硼元素具有良好的杀菌、防腐、抗磨能力；pH缓冲剂可将硬水软化，避免水中钙镁离子反应生成的沉淀对加工质量的影响；软化剂可促进水基极压添加剂的水解反应，有助于摩擦化学反应的产生；消泡剂可消除加工过程中所产生泡沫；防锈剂可防止工件加工过程发生氧化反应。
上述的轴承钢球、研磨粉、富氮强化研磨改性液按一定的质量比混合可以防止研磨粉或者富氮强化研磨改性液过多而使得轴承钢球之间的碰撞力不足，从而引起的强化层机械物理性能不高。因此，合理配比的富氮强化研磨改性液可以促进在钢球和研磨粉界面间研磨粉、化学强化研磨液、钢球之间摩擦引起的物理化学效应，使钢球表面层获得氮原子(渗透或摩擦化学反应)，从而提高强化层的机械物理性能。
进一步地，在步骤(2)中，所述制氮机为中空制氮机。利用中空制氮机可以从空气中直接抽取分离氮气，既方便快捷又绿色环保。
参见图1-图3和图6，在步骤(3)中，所述行星传动机构4包括通过轴承转动设置在所述机箱1上水平转轴5、分别固定设置在所述水平转轴5两端的主动转盘6、从动转盘21、设置在所述主动转盘6上的行星齿轮组件7；其中，所述滚筒2为两个，两个滚筒2的轴线均与水平转轴5的轴线平行；每个滚筒2与主动转盘6之间均设有主动滚筒轴8，该主动滚筒轴8的一端与所述主动转盘6通过轴承转动连接，另一端与所述滚筒2的端面固定连接；每个所述滚筒2与从动转盘21之间均设有从动滚筒轴9，该从动滚筒轴9的一端与所述从动转盘21通过轴承转动连接，另一端与所述滚筒2的端面固定连接；所述行星齿轮组件7包括设置在所述水平转轴5上的第一主动齿轮7-1、均设置在所述主动滚筒轴8上的第二从动齿轮7-2以及设置在所述第一主动齿轮7-1与第二从动齿轮7-2之间的传动齿轮组件，所述传动齿轮组件包括与所述水平转轴5相互平行且通过轴承转动设置在所述主动转盘6上的传动转轴7-3、设置在所述传动转轴7-3上且与所述第一主动齿轮7-1啮合的第一从动齿轮7-4以及设置在所述传动转轴7-3上且与所述第二从动齿轮7-2啮合的第二主动齿轮7-5；所述转动驱动电机3与所述水平转轴5连接。上述行星传动机构4的具体工作过程为：转动驱动电机3驱动水平转轴5运动，同时带动主动转盘6与从动转盘21转动，从而带动两个滚筒2绕着水平转轴5转动，与此同时，水平转轴5转动还带动第一主动齿轮7-1转动，经过第一从动齿轮7-4与第二主动齿轮7-5的传动，带动第二从动齿轮7-2转动，从而带动主动滚筒轴8转动，进而带动滚筒2自身转动；两个滚筒2绕着水平转轴5转动作为公转，滚筒2自身转动作为自转，在行星传动机构4的作用下使得两个滚筒2在自转的同时，还能沿着水平转轴5进行公转，通过滚筒2的自转和公转，轴承钢球受到重力和离心力，可以提高滚筒2中轴承钢球的碰撞概率，提高强化加工的效率，另外，随着轴承钢球碰撞概率的提高，使得轴承钢球表面冲击循环次数不断增加，轴承钢球表面各个地方可以实现均匀的碰撞，从而提高强化加工的一致性。
参见图1-图5，所述机箱1的底部设有底板10、所述转动驱动电机3设置在所述底板10上，所述转动驱动电机3与所述水平转轴5之间设有用于将转动驱动电机3的动力传递给水平转轴5的转动传动机构11，其中，所述转动传动机构11包括与所述转动驱动电机3主轴连接的第一锥齿轮11-1、设置在所述底板10上的支撑座11-2、通过轴承转动设置在支撑座11-2与机箱1之间的第一传动轴11-3、设置在第一锥齿轮11-1上且与所述第一锥齿轮11-1啮合的第二锥齿轮11-4、设置在所述第一传动轴11-3上的主动带轮11-5、设置在所述水平转轴5上的从动带轮11-6以及设置在主动带轮11-5与从动带轮11-6之间的皮带11-7，所述皮带11-7的一端与所述主动带轮11-5连接，另一端与所述从动带轮11-6连接。采用上述结构，转动电机驱动第一锥齿轮11-1转动，带动第二锥齿轮11-4与主动带轮11-5一同转动，然后通过皮带11-7带动从动带轮11-6转动，最终实现水平转轴5的转动。
进一步地，所述转动驱动电机3为电磁调速电机，电磁调速电机调速范围大并且启动力矩大。
参见图7-图8，在步骤(3)中，行星传动机构4还带动设置在滚筒2内部的提升机构12运动，进而带动滚筒2内的轴承钢球进一步进行撞击运动；所述提升机构12包括设置在所述滚筒2内的提升板12-1、以及对称设置在所述提升板12-1两端的“Z”型摇杆12-2，所述主动滚筒轴8的一端伸入所述滚筒2内与其中一个“Z”型摇杆12-2的首端连接，该“Z”型摇杆12-2的末端与所述提升板12-1的首端固定连接；另一个“Z”型摇杆12-2的首端与所述滚筒2内部端面通过轴承转动连接，该“Z”型摇杆12-2的末端与所述提升板12-1的末端固定连接；所述提升板12-1的宽度小于滚筒2的直径。通过设置上述结构，当转动驱动电机驱动转动传动机构运动，带动水平转轴5运动，行星传动机构4的作用下，带动主动滚筒轴8运动，实现滚筒2的自转和公转，对滚筒2内钢珠进行强化的同时，主动滚筒轴8的转动带动“Z”型摇杆12-2转动，进而带动提升板12-1在滚筒2内进行上下移动且在滚筒2内绕着滚筒2轴线转动，在提升板12-1的往复上下移动且转动的过程中，能够对滚筒2内部的体积进行分割，使得滚筒2内部的体积不断发生变化，从而进一步增加轴承钢球碰撞冲击的概率，且提升板12-1与轴承钢球之间的碰撞冲击也能够对轴承钢球进行强化，从而提高强化加工的效率和强化加工的一致性。
参见图7-图8，所述主动滚筒轴8与所述“Z”型摇杆12-2之间设有用于将主动滚筒轴8的动力传递给“Z”型摇杆12-2的动力传动机构，所述滚筒2内设有隔板13，所述隔板13将所述滚筒2内部分成传动腔14与强化腔15，所述提升机构12位于所述强化腔15内，所述动力传动机构位于所述传动腔14内，该动力传动机构包括第三主动齿轮12-3、动力传动转轴12-4、第三从动齿轮12-5、第四主动齿轮12-6以及第四从动齿轮12-7，其中，所述“Z”型摇杆12-2的首端穿过隔板13与所述第四从动齿轮12-7连接，该“Z”型摇杆12-2通过轴承、密封圈以及毛毡密封垫转动连接在隔板13上，所述第三主动齿轮12-3设置在所述主动滚筒轴8上，所述动力传动转轴12-4与主动滚筒轴8平行且通过轴承转动设置在所述滚筒2内部端面上，所述第三从动齿轮12-5设置在动力传动转轴12-4上且与第三主动齿轮12-3啮合，所述第四主动齿轮12-6设置在动力传动转轴12-4上且与第四从动齿轮12-7啮合。采用上述结构，一方面，通过设置动力传动机构，可以改变提升板12-1的上下运动的速度，从而能够提高轴承钢球碰撞冲击的概率；另一方面，通过设置隔板13，能够保证轴承钢球在强化腔15中进行强化，有效防止轴承钢球在强化过程中进入传动腔14内，从而损坏轴承钢球以及齿轮。
进一步地，与所述“Z”型摇杆12-2固定连接的轴承为滑动轴承，滑动轴承具有更好的密封性。
所述滚筒2的内壁、提升板12-1以及“Z”型摇杆12-2表面均设有强化层。该强化层能够防止轴承钢球对滚筒2内壁、提升板12-1表面以及“Z”型摇杆12-2表面的碰撞冲击过大而造成的损伤、缺失或凹陷。
参见图1-图2和图9-图11，所述往复摇摆机构包括设置在所述底板10下方的底座16、设置在所述底座16与底板10之间的第一摆动板17、第二摆动板18以及用于驱动所述第一摆动板17进行摆动的摆动驱动机构19；其中，所述第一摆动板17与第二摆动板18分布在所述底座16两端，所述第一摆动板17的上端与所述底板10铰接，下端与所述底座16铰接；所述第二摆动板18的上端与所述底板10铰接，下端与所述底座16铰接；所述第一摆动板17的长度小于第二摆动板18的长度。通过设置上述结构，由于所述第一摆动板17的长度小于第二摆动板18的长度，当摆动驱动机构19驱动第一摆动板17进行摆动时，同时带动第二摆动板18摆动，然后带动底板10作摆动运动，最终实现强化加工装置的摆动运动；在钢珠强化加工过程中，在滚筒2的自转与公转的同时，加上往复摇摆机构促使滚筒2也作摆动运动，使得钢珠在滚筒2内进行复杂的运动，从而提高轴承钢球加工表面随机碰撞的概率，提高强化加工的效率和强化加工的一致性。
进一步地，所述底板10的下端以及底座16的上端均设有铰接座20，所述第一摆动板17和第二摆动板18均通过铰接座20与分别与所述底板10和底座16铰接。
参见图1-图2和图9-图11，所述摆动驱动机构19包括设置在底座16上的摆动驱动电机19-1、第三锥齿轮19-2、第四锥齿轮19-3、圆盘19-4、销轴19-5以及摇杆19-6，其中，所述第三锥齿轮19-2设置在所述摆动驱动电机19-1主轴上，所述底座16上设有两个支撑块19-7，所述两个支撑块19-7上通过轴承转动设有第二传动轴19-8，所述第四锥齿轮19-3与圆盘19-4均设置在所述第二传动轴19-8上，该第四锥齿轮19-3与所述第三锥齿轮19-2啮合，所述销轴19-5设置在所述圆盘19-4的偏心位置上，所述第一摆动板17的上端通过与第一摆动板17固定连接的支撑轴19-9铰接在底板10的铰接座20上，所述摇杆19-6的其中一端与所述支撑轴19-9垂直固定连接，该摇杆19-6上设有与所述销轴19-5相互滑动配合的滑动槽19-61，所述滑动槽19-61沿着摇杆19-6的轴线方向延伸。通过设置上述机构，摆动驱动电机19-1驱动第三锥齿轮19-2转动，带动第四锥齿轮19-3与圆盘19-4一同转动，销轴19-5沿着转盘中心转动，从而带动摇杆19-6沿着支撑轴19-9的转动，在滑动槽19-61的作用下，使得第一摆动板17绕着第一摆动板17下端的交接处进行往复摆动，最终实现强化加工装置的往复摆动。
进一步地，所述行星传动机构4为增速机构，所述动力传动机构为减速机构。采用上述结构设置，可以使得轴承钢球在滚筒2中能够获得最优的加工参数，更好地提升轴承钢球表面的机械物理性能。
参见图1-图2，所述机箱1上还设有用于关闭和打开机箱1的门板1-1。通过设置门板1-1，轴承钢球在强化过程中，可以起到安全的作用，另外，也便于对设备进行检修。
参见图3和图4，所述入料口2-1设置在所述强化腔15上，该入料口2-1上设有用于打开或者关闭入料口2-1的第一密封盖2-3，通过设置第一密封盖2-3，便于将轴承钢球放入滚筒2中以及从滚筒2中取出，另外，还有利于在轴承钢球强化过程中起到密封作用，防止轴承钢球从入料口2-1中掉落。
参见图3和图4，所述传动腔14上的筒壁上设有第二密封盖2-4，通过设置第二密封盖2-4，可以方便对传动腔14中的动力传动机构进行检修与维护。
参见图3，所述水平转轴5由第一水平转轴5-1以及第二水平转轴5-2构成。
参见图1-图7，上述一种轴承钢球表面强化加工方法的工作原理是：
在滚筒2内放入适量的轴承钢球、研磨粉和富氮强化研磨改性液，然后将滚筒2内的空气抽出，通入氮气；接着启动转动驱动电机3，带动行星传动机构4运动通过行星传动机构4的运动带动滚筒2同时做公转和自转的运动，同时，行星传动机构4还带动设置在滚筒2内部的提升机构12运动，随后复摆动机构驱动滚筒2进行往复摇摆运动，轴承钢球在离心力、重力和摆动力的作用下以及在富氮强化研磨改性液、轴承钢球以及研磨粉形成复杂流场的条件下，对轴承钢球加工表面随机概率撞击；具体地，通过研磨粉在轴承钢球碰撞冲击时的压印使钢球表面形成表面类织构层(油囊、纹理)；通过轴承钢球带动附着的研磨粉对钢球冲击；使钢球表面形成机械强化及残余压应力；并通过富氮强化研磨改性液促进轴承钢球和研磨粉界面之间摩擦引起的物理化学效应，使钢球表面层获得氮原子(渗透或摩擦化学反应)；通过富氮强化研磨改性液的冷却、清洗、润滑以及研磨粉和钢球相互作用产生研磨-微切削和微碰撞形成去除变质层的研磨加工，改善精度，降低粗糙度，从而使钢球表面达到获得双层复合层(减磨增摩类织构层和强化层)、残余压应力以及降低粗糙度等效果，因此，使得轴承钢球表面加工出具有“表面类织构层、氮-金属络合物表面强化层”的双层复合结构以及残余压应力，以达到轴承钢球表面强化加工的作用。
实施例2
参见图12-图17，本实施例中的其它结构与实施例1相同，不同之处在于，在步骤(2)之后，将滚筒2内部的超声波发生器22与电源接通，启动超声振动机构23，超声振动机构23发生高频振动，对轴承钢球再次赋予强大动能冲击；所述超声振动机构23包括设置在所述滚筒2内的振动板23-1以及设置在所述振动板23-1下端的多个超声波振子23-2，其中，所述滚筒2内设有挡板24，所述挡板24将所述滚筒2内部分成安装腔25与强化加工腔26，所述超声波发生器22设置在所述安装腔25内，所述振动板23-1和超声波振子23-2设置在所述强化加工腔26内，多个超声波振子23-2通过高频线23-3与所述超声波发生器22连接。采用上述结构，一方面，设置超声振动机构23，当超声波振子23-2作用在振动板23-1上，使得振动板23-1不断发生高频振动，滚筒2内的研磨粉与轴承钢球以及轴承钢球与轴承钢球之间表面发生连续剧烈的碰撞，使轴承钢球表面碰撞区的金属原子晶格松弛、结构裂解，从而激发出高能电子形成等离子区，诱导强化研磨改性液与金属材料发生摩擦化学反应，该反应使强化研磨改性液中的氮(N)原子在工件表面生成氮含量较高的具有减摩、抗磨和抗氧化作用的富氮化学物理膜层，从而提高工件的疲劳寿命，同时，滚筒2在不断的自转与公转，进一步提高了轴承钢球碰撞冲击的概率，提高强化加工的效率和强化加工的一致性；另一方面，通过设置挡板24，能够保证轴承钢球在强化加工腔26中进行强化，有效防止轴承钢球在强化过程中进入安装腔25，从而损坏超声波发生器22。
参见图12-图17，所述滚筒2的筒壁在与所述振动板23-1两侧对应的位置处设有安装槽2-5，所述振动板23-1两侧均延伸至所述安装槽2-5内，所述振动板23-1的上下两端均设多个弹簧23-4，多个弹簧23-4将所述振动板23-1抵紧在安装槽2-5的上下表面之间。振动板23-1两侧均延伸至所述安装槽2-5内，可以提高振动板23-1在滚筒2内的面积，提高轴承钢球在振动板23-1上的碰撞效率，并保证所有的轴承钢球都能够得到振动板23-1的强化；通过设置弹簧23-4，一方面可以降低振动板23-1在振动过程中产生的噪音，另一方面使得振动板23-1在振动过程中起到缓冲的作用。
参见图12-图17，所述振动板23-1的上表面与所述安装槽2-5的上表面之间设有弹性密封垫23-5，所述弹性密封垫23-5的上端作用于安装槽2-5的上表面，下端作用于振动板23-1的上表面。其好处在于，通过设置弹性密封垫23-5，对振动板23-1起到一定缓冲作用的同时，可以有效防止在强化过程中，轴承钢球掉入安装槽2-5内，从而损坏轴承钢球与设备。
进一步地，所述超声波振子23-2包括超声波换能器23-21以及与所述超声波换能器23-21连接的变幅杆23-22，所述变幅杆23-22的杆头连接在所述振动板23-1的下表面，所述高频线23-3连接在所述超声波换能器23-21上。
进一步地，所述振动板23-1上表面设有有强化层以及微织构层，其好处在于，可以提高轴承钢球的强化效果以及提高振动板23-1的使用寿命；微织构层上的油囊可以用来储存富氮强化研磨改性液，然后振动板高频震动就会使储存在微织构油囊内的富氮强化研磨改性液发生空化效应。
上述的超声振动机构23的工作原理为：
将超声波发生器22与滚筒2内部固定的电源接通，然后通过超声波换能器23-21将超声波振荡信号转换为机械振动信号，再通过变幅杆23-22将纵波机械振动的微小振幅放大至20～80um，带动安装在变幅杆23-22杆头上的振动板23-1高频振动，振动板23-1的高频振动传播到储存在振动板23-1表面的微织构油囊内的富氮强化研磨改性液中，使富氮强化研磨改性液发生空化效应；在超声波空化效应的过程中，空化气泡在十分迅速的爆炸过程中瞬间会产生局部高温、高压环境，从而产生出非同寻常的能量效应，然后空化气泡内会产生高温分解、化学键断裂、自由基的产生及相关反应，这些会大大促进钢球和研磨粉界面间研磨粉、化学强化研磨液、钢球之间摩擦引起的物理化学效应，使轴承钢球表面层获得氮原子(渗透或摩擦化学反应)，从而提高轴承钢球表面的强化层的机械物理性能；同时，由于气泡爆炸时的高温、高压而产生速度约为110m/s的微射流，微射流可以对轴承钢球表面造成巨大的局部冲击，从而可以大大提高轴承钢球表面的残余压应力，且微射流可以对研磨粉及研磨液进行强化搅拌作用，使研磨粉及研磨液分布均匀，更好的保证轴承钢球与轴承钢球之间碰撞强化以及轴承钢球本身强化加工的一致性；利用上述所描述的超声波空化产生的化学效应和机械效应，可以提高轴承钢球的强化加工速率，保证轴承钢球与轴承钢球之间碰撞强化以及轴承钢球本身强化加工的一致性，并且提高轴承钢球表面强化层的机械物理性能。此外，在振动板23-1高频振动时，滚筒2在做自转及公转运动使轴承钢球做离心运动，轴承钢球会与高频振动的振动板23-1发生碰撞冲击，这时高频振动的振动板23-1会再次为做受离心力的轴承钢球提供强大的动能，使轴承钢球与轴承钢球之间及轴承钢球与振动板23-1之间会发生剧烈的碰撞及冲击，轴承钢球会受到巨大的碰撞力及冲击力，大大提高轴承钢球表面的残余压应力及提高钢球的强化速率；且滚筒2内部安装振动板23-1能够防止钢球一直做离心运动，提高了轴承钢球之间的碰撞概率，从而提轴承高钢球的强化效率及效果。
上述为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述内容的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种轴承钢球表面强化加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)打开机箱，然后打开设置在机箱内的滚筒的入料口，在滚筒内放入待强化加工的轴承钢球，接着再放入研磨粉和富氮强化研磨改性液，关闭入料口；
(2)通过抽气机将滚筒内部空气从滚筒上的入气孔抽出，然后利用制氮机从空气中分离出的常温氮气，再通过入气孔将常温氮气输入滚筒内部，关闭入气孔，使得整个滚筒处于密封状态，关闭机箱；
(3)启动转动驱动电机，带动行星传动机构运动，使得滚筒同时做公转和自转的运动，使得轴承钢球在滚筒内受到离心力和重力的作用下，做复杂的运动；
(4)通过往复摇摆机构驱动滚筒进行往复摇摆运动，使得滚筒内的轴承钢球受到摆动力的作用，做进一步运动，轴承钢球在离心力、重力和摆动力的作用下以及在富氮强化研磨改性液、轴承钢球以及研磨粉形成复杂流场的条件下，对轴承钢球加工表面随机概率撞击，使得轴承钢球表面加工出具有“表面类织构层、氮-金属络合物表面强化层”的双层复合结构以及残余压应力；
(5)加工至2-3小时后，关闭转动驱动电机以及停止往复摇摆机构的驱动，通过抽气机从入气孔将滚筒内的氮气抽出并存放，将轴承钢珠与研磨粉及富氮强化研磨改性液的混合料从入料口处排出至存放箱内；
在步骤(3)中，所述行星传动机构包括转动设置在所述机箱上水平转轴、分别固定设置在所述水平转轴两端的主动转盘、从动转盘、设置在所述主动转盘上的行星齿轮组件；其中，
所述滚筒为两个，两个滚筒的轴线均与水平转轴的轴线平行；每个滚筒与主动转盘之间均设有主动滚筒轴，该主动滚筒轴的一端与所述主动转盘转动连接，另一端与所述滚筒的端面固定连接；每个所述滚筒与从动转盘之间均设有从动滚筒轴，该从动滚筒轴的一端与所述从动转盘转动连接，另一端与所述滚筒的端面固定连接；
所述行星齿轮组件包括设置在所述水平转轴上的第一主动齿轮、均设置在所述主动滚筒轴上的第二从动齿轮以及设置在所述第一主动齿轮与第二从动齿轮之间的传动齿轮组件，所述传动齿轮组件包括与所述水平转轴相互平行且转动设置在所述主动转盘上的传动转轴、设置在所述传动转轴上且与所述第一主动齿轮啮合的第一从动齿轮以及设置在所述传动转轴上且与所述第二从动齿轮啮合的第二主动齿轮；所述转动驱动电机与所述水平转轴连接；
行星传动机构还带动设置在滚筒内部的提升机构运动，进而带动滚筒内的轴承钢球进一步进行撞击运动；所述提升机构包括设置在所述滚筒内的提升板、以及对称设置在所述提升板两端的“Z”型摇杆，所述主动滚筒轴的一端伸入所述滚筒内与其中一个“Z”型摇杆的首端连接，该“Z”型摇杆的末端与所述提升板的首端固定连接；另一个“Z”型摇杆的首端与所述滚筒内部端面转动连接，该“Z”型摇杆的末端与所述提升板的末端固定连接；所述提升板的宽度小于滚筒的直径。
2.根据权利要求1所述的一种轴承钢球表面强化加工方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述轴承钢球、研磨粉和富氮强化研磨改性液混合投放的重量比例为2-5∶1-2∶1；所述研磨粉是粒径为80-180目的棕刚玉粉；所述富氮强化研磨改性液的成份由下述重量配比的原料制成：极压添加剂10-15％、渗透剂15-20％、非离子表面活性剂20-25％、pH调节剂4～6％、硼砂2-5％、pH缓冲剂2-5％、软化剂0.3-0.8％、碱1％、消泡剂0.1-0.2％、防锈剂0.1-0.2％、其余为水。
3.根据权利要求1所述的一种轴承钢球表面强化加工方法，其特征在于，所述机箱的底部设有底板、所述转动驱动电机设置在所述底板上，所述转动驱动电机与所述水平转轴之间设有用于将转动驱动电机的动力传递给水平转轴的转动传动机构，其中，所述转动传动机构包括与所述转动驱动电机主轴连接的第一锥齿轮、与所述第一锥齿轮啮合的第二锥齿轮、与所述第二锥齿轮同轴设置的主动带轮、设置在所述水平转轴上的从动带轮以及设置在主动带轮与从动带轮之间的皮带，所述皮带的一端与所述主动带轮连接，另一端与所述从动带轮连接。
4.根据权利要求1所述的一种轴承钢球表面强化加工方法，其特征在于，所述主动滚筒轴与所述“Z”型摇杆之间设有用于将主动滚筒轴的动力传递给“Z”型摇杆的动力传动机构，所述滚筒内设有隔板，所述隔板将所述滚筒内部分成传动腔与强化腔，所述提升机构位于所述强化腔内，所述动力传动机构位于所述传动腔内，该动力传动机构包括第三主动齿轮、动力传动转轴、第三从动齿轮、第四主动齿轮以及第四从动齿轮，其中，所述“Z”型摇杆的首端穿过隔板与所述第四从动齿轮连接，该“Z”型摇杆转动连接在隔板上，所述第三主动齿轮设置在所述主动滚筒轴上，所述动力传动转轴与主动滚筒轴平行且转动设置在所述滚筒内部端面上，所述第三从动齿轮设置在动力传动转轴上且与第三主动齿轮啮合，所述第四主动齿轮设置在动力传动转轴上且与第四从动齿轮啮合。
5.根据权利要求1所述的一种轴承钢球表面强化加工方法，其特征在于，在步骤(2)之后，将滚筒内部的超声波发生器与电源接通，启动超声振动机构，超声振动机构发生高频振动，对轴承钢球再次赋予强大动能冲击；所述超声振动机构包括设置在所述滚筒内的振动板以及设置在所述振动板下端的多个超声波振子，其中，所述滚筒内设有挡板，所述挡板将所述滚筒内部分成安装腔与强化加工腔，所述超声波发生器设置在所述安装腔内，所述振动板和超声波振子设置在所述强化加工腔内，多个超声波振子通过高频线与所述超声波发生器连接。
6.根据权利要求5所述的一种轴承钢球表面强化加工方法，其特征在于，所述滚筒的筒壁在与所述振动板两侧对应的位置处设有安装槽，所述振动板两侧均延伸至所述安装槽内，所述振动板的上下两端均设多个弹簧，多个弹簧将所述振动板抵紧在安装槽的上下表面之间。
7.根据权利要求3所述的一种轴承钢球表面强化加工方法，其特征在于，所述往复摇摆机构包括设置在所述底板下方的底座、设置在所述底座与底板之间的第一摆动板、第二摆动板以及用于驱动所述第一摆动板进行摆动的摆动驱动机构；其中，所述第一摆动板与第二摆动板分布在所述底座两端，所述第一摆动板的上端与所述底板铰接，下端与所述底座铰接；所述第二摆动板的上端与所述底板铰接，下端与所述底座铰接；所述第一摆动板的长度小于第二摆动板的长度。
8.根据权利要求7所述的一种轴承钢球表面强化加工方法，其特征在于，所述摆动驱动机构包括设置在底座上的摆动驱动电机、第三锥齿轮、第四锥齿轮、圆盘、销轴以及摇杆，其中，所述第三锥齿轮设置在所述摆动驱动电机主轴上，所述第四锥齿轮与圆盘通过支撑块同轴设置在底座上，该第四锥齿轮与所述第三锥齿轮啮合，所述销轴设置在所述圆盘的偏心位置上，所述第一摆动板的上端通过与第一摆动板固定连接的支撑轴铰接在底板的下端，所述摇杆的其中一端与所述支撑轴垂直固定连接，该摇杆上设有与所述销轴相互滑动配合的滑动槽，所述滑动槽沿着摇杆的轴线方向延伸。
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