CN112112889B - 微织构辅助接触区润滑的深沟球轴承及其内外圈加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了微织构辅助接触区润滑的深沟球轴承及其内外圈加工方法。润滑脂如何向接触区持续提供润滑保障，一直是关注点。本发明根据深沟球轴承所处工况来确定滚珠与外圈或内圈滚道的接触区位置，在内、外圈滚道表面上从非接触区向接触区方向由疏到密开设微织构，通过微织构开设的疏密改变材料的润湿性，实现将两侧堆积的润滑脂泄出的基础油自发回流至接触区，以改善轴承接触区油膜厚度薄的状态，提高润滑效果，提升轴承的工作寿命。

Description

微织构辅助接触区润滑的深沟球轴承及其内外圈加工方法

技术领域

本发明属于滚动轴承技术领域，具体涉及一种通过微织构辅助接触区润滑的深沟球轴承及其内外圈加工方法。

背景技术

滚动轴承是机械设备上最为常用的零部件之一，它具有摩擦阻力小、机械效率高、具有互换性、结构紧凑和易启动等优点，其广泛用于国民经济和国防事业各个领域，是保证设备稳定、安全、长寿面运转的关键部件之一。

滚动轴承在使用中需要加入润滑剂进行润滑。滚动轴承润滑的主要目的是通过在相对运动表面间产生润滑膜，减少轴承元件在运转时产生的摩擦和磨损，从而延长轴承的使用寿命。90％以上的轴承通常选用脂润滑，脂润滑结构简单，不易流失，便于密封，维护方便。大多数的轴承损坏与润滑不良紧密相关，轴承中的润滑脂在经过一段时间运转后，大量润滑脂积聚在轴承保持架、滚道两侧以及密封圈上，而接触区内仅有少量润滑脂析出的基础油形成油膜，此时轴承往往处于乏油润滑状态。在这种情况下，如何加速润滑脂析出的基础油向接触区回流，改变乏油润滑状况，一直是轴承工业界的关注点；当接触区的润滑油膜破裂时，即润滑失效，轴承滚动体与滚道的摩擦磨损急剧增大，造成轴承故障。因而，改善轴承接触区润滑效果，对提高轴承使用寿命具有重要意义。

发明内容

本发明针对深沟球轴承滚道表面两侧润滑脂堆积，而接触区润滑脂膜厚薄，轴承大部分工况下处于缺油状态，导致轴承工作寿命变短的问题，提出了一种微织构辅助接触区润滑的深沟球轴承及其内外圈加工方法，在内、外圈滚道表面上从非接触区向接触区方向由疏到密开设微织构，通过微织构开设的疏密改变材料的润湿性，实现将两侧堆积的润滑脂泄出的基础油自发回流至接触区，以改善轴承接触区油膜厚度薄的状态，提高润滑效果，提升轴承的工作寿命。

本发明微织构辅助接触区润滑的深沟球轴承，包括外圈、内圈、保持架和滚珠；内圈和外圈滚道表面非接触区开设微织构，微织构开设位置根据深沟球轴承所处工况分为以下两种情况来确定：

1)当深沟球轴承只承受径向力时，滚珠与外圈或内圈滚道的接触区处于滚道中心位置，在滚道接触区两侧为非接触区；在非接触区表面开设有沿滚道轴向等距排布的若干微织构组；微织构组由沿滚道周向分布的若干微织构组成，且沿滚道中心位置向滚道边缘方向，各微织构组中微织构的个数逐渐减少，形成非接触区表面沿滚道中心位置向滚道边缘方向由密到疏的微织构排列形式；微织构的面积在0.01-0.1mm²中取值，微织构的深度小于0.03mm。

2)当深沟球轴承同时承受轴向力和径向力时，内圈受轴向力作用，使得滚珠与外圈及内圈的滚道接触区偏离滚道中心位置，产生一个不等于0°的接触角α。根据接触角α确定滚珠与外圈及内圈的滚道接触区中心位置，得出接触区的位置，从而确定接触区两侧非接触区的位置。在非接触区表面开设有沿滚道轴向等距排布的若干微织构组；微织构组由沿滚道周向分布的若干微织构组成，且沿滚道中心位置向滚道边缘方向，各微织构组中微织构的个数逐渐减少，形成非接触区表面沿滚道中心位置向滚道边缘方向由密到疏的微织构排列形式；微织构的面积在0.01-0.1mm²中取值，微织构的深度小于0.03mm。

其中，接触角α的计算过程如下：

首先，根据深沟球轴承参数求出滚珠与外圈及内圈的初始接触角α°，初始接触角α°的计算公式如下：

式中，A为外圈的滚道面所处球面的球心与内圈的滚道面所处球面的球心之间的距离，P_d为轴承设计时的径向游隙。

然后，列出接触角α计算公式如下：

式中，F_a为轴向力，K为载荷-位移系数，Z为滚珠个数，D为滚珠的直径；

最后，查出K值，用Newton-Raphson法进行数值求解，迭代方程为：

当α′-α小于δ时，停止迭代，将此时的α′作为最终的接触角α；其中，δ为阈值。

所述微织构的形状为椭圆形、圆形、正方形、长方形、扇形或胶囊形中的一种。

所述椭圆形的长轴沿滚道宽度方向布置。

所述长方形的长度沿滚道宽度方向布置。

所述扇形的对称中心线沿滚道宽度方向布置，且扇形的顶点朝向滚道边缘。

所述的胶囊形由两段圆弧段和长度相等的两条直线段组成，两段圆弧段的两端分别通过一条直线段连接，直线段沿滚道宽度方向布置。

该微织构辅助接触区润滑的深沟球轴承的内外圈加工方法，具体如下：

步骤一、检查原材料是否有裂纹或穿孔的缺陷，将有缺陷的材料剔除，然后检测合格的原材料尺寸，确定加工余量；

步骤二、将步骤一检测合格的原材料加工出内圈、外圈、内圈滚道和外圈滚道；

步骤三、通过外圆磨床加工外圈的外表面，通过无心磨床加工内圈的内表面；

步骤四、通过平面磨床加工内圈端面以及外圈端面；

步骤五、通过内圆磨床加工外圈滚道、内圈滚道、外圈滚道边缘以及内圈滚道边缘；

步骤六、确定内圈以及外圈的滚道接触区和非接触区位置；

步骤七、使用激光打标机在内圈以及外圈的非接触区开设微织构，微织构的分布为由内、外圈滚道外侧向接触区逐渐变密，且沿着内、外圈周向分布；

步骤八、对内、外圈微织构所在处的表面进行表面处理。

本发明与现有技术相比，具有以下有益结果：

1.本发明在深沟球轴承内、外圈滚道表面非接触区开设特殊织构，通过织构将堆积在滚道上的润滑油泄露出的基础油由织构稀疏的滚道边缘自发的向织构密集的非接触区运输，改善了在实际工作中深沟球轴承接触区乏油的状态，改善润滑效果，使润滑脂的添加周期变长，也能提高轴承工作寿命。

2.本发明在深沟球轴承内、外圈滚道表面非接触区开设特殊织构，并没有在内、外圈打孔，微织构结构简单且能保证轴承内外圈的强度、刚度以及使用寿命。

3.本发明可调节织构的疏密度、深度，以适应不同工况轴承运转状态下所需的润滑油回流速度，通过调节织构疏密度使基础油回流的速度变快或变慢，以满足不同工况下的需求。

4.本发明加工简单、可靠，可直接操作激光打标机进行织构加工。

5.本发明的表面织构还具有降低摩擦、减少磨损和提高表面织构所在位置润滑性能的特性。

附图说明

图1为本发明的外圈、内圈和滚珠装配立体图；

图2为本发明的外圈与滚珠接触立体图；

图3为本发明的内圈立体图；

图4为本发明深沟球轴承仅受径向力的剖面图；

图5为本发明深沟球轴承同时受轴向力和径向力的剖面图；

图6为本发明的微织构呈椭圆形的示意图；

图7为本发明的微织构呈圆形的示意图；

图8为本发明的微织构呈正方形的示意图；

图9为本发明的微织构呈长方形的示意图；

图10为本发明的微织构呈扇形的示意图；

图11为本发明的微织构呈胶囊形的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，微织构辅助接触区润滑的深沟球轴承，包括外圈1、内圈2、保持架和滚珠3；保持架的内部活动连接有滚珠，滚珠在保持架作用下在内、外圈之间滚动；滚珠3与外圈1和内圈2均构成滚动磨擦副，与现有技术一致；而与现有技术不同的是，在内圈和外圈滚道表面非接触区开设微织构，微织构开设位置根据深沟球轴承所处工况分为以下两种情况来确定：

1)深沟球轴承所处工况中各个时刻的轴向力与径向力之比E均小于0.2时(即认为仅受径向力，此时为大部分深沟球轴承的工作状态)，由于滚珠与外圈或内圈滚道的接触区处于滚道中心(滚道中心为位于滚道沿轴向的对称横截面上的圆弧)位置，如图4所示，此区域不开设织构；在滚道接触区两侧为非接触区(即如图4中的非接触区一12和非接触区二13)，在非接触区表面开设有沿滚道轴向等距排布的若干微织构组；微织构组由沿滚道周向分布的若干微织构组成，且沿滚道中心位置向滚道边缘方向，各微织构组中微织构的个数逐渐减少，形成非接触区表面沿滚道中心位置向滚道边缘方向由密到疏的微织构排列形式；微织构的面积在0.01-0.1mm²中取值，微织构的深度小于0.03mm。

2)由于深沟球轴承一般设计成在无载荷下具有径向游隙，所以轴承也会存在轴向游隙。当深沟球轴承同时承受轴向力和径向力时，内圈受轴向力作用，使得滚珠与外圈及内圈的滚道接触区偏离滚道中心位置，此时滚珠与外圈及内圈的滚道接触区中心线与滚道沿轴向的对称横截面形成夹角，从而产生一个不等于0°的接触角α。根据接触角α确定滚珠与外圈及内圈的滚道接触区中心位置，得出接触区的位置(接触区是以滚珠与外圈或内圈的滚道接触区中心位置向两侧延伸，达到接触区宽度而形成的区域，接触区宽度可以根据经验设定，或通过试验预先测量出来)，从而确定接触区两侧非接触区的位置。在接触区不开设织构，在非接触区(即图5中的非接触区一12和非接触区二13)表面开设有沿滚道轴向等距排布的若干微织构组；微织构组由沿滚道周向分布的若干微织构组成，且沿滚道中心位置向滚道边缘方向，各微织构组中微织构的个数逐渐减少，形成非接触区表面沿滚道中心位置向滚道边缘方向由密到疏的微织构排列形式；微织构的面积在0.01-0.1mm²中取值，微织构的深度小于0.03mm。

其中，接触角α的计算过程如下：

首先，根据深沟球轴承参数求出滚珠与外圈及内圈的初始接触角α°，初始接触角α°的计算公式如下：

式中，A为外圈的滚道面所处球面的球心与内圈的滚道面所处球面的球心之间的距离(由于内圈受轴向力作用偏移，因此，A的值不为0)，P_d为轴承设计时的径向游隙。

然后，列出接触角α计算公式如下：

式中，F_a为轴向力，K为载荷-位移系数(轴向力与位移的相关系数)，Z为滚珠个数，D为滚珠的直径；

最后，查出K值，用Newton-Raphson法(牛顿-拉夫森迭代法)进行数值求解，迭代方程为：

当α′-α小于δ时，停止迭代，将此时的α′作为最终的接触角α，δ为阈值，决定了最终接触角α的精度。

微织构的形状采取椭圆形(如图6所示)、圆形(如图7所示)、正方形(如图8所示)、长方形(如图9所示)、扇形(如图10所示)或胶囊形(如图11所示)中的一种：如图6所示，椭圆形的长轴沿滚道宽度方向布置；如图9所示，长方形的长度沿滚道宽度方向布置；如图10所示，扇形的对称中心线沿滚道宽度方向布置，且扇形的顶点朝向滚道边缘；如图11所示，胶囊形由两段圆弧段和长度相等的两条直线段组成，两段圆弧段的两端分别通过一条直线段连接，直线段沿滚道宽度方向布置。

本发明在内、外圈滚道表面上从非接触区向接触区方向由疏到密开设微织构，通过微织构开设的疏密改变材料的润湿性，实现将两侧堆积的润滑脂泄出的基础油自发回流至接触区，以改善轴承接触区油膜厚度薄的状态，提高润滑效果，提升轴承的工作寿命。其中，微织构由疏到密，材料的润湿性几乎呈线性下降，润湿性对油滴的驱动起主导作用。

该微织构辅助接触区润滑的深沟球轴承的内外圈加工方法，具体如下：

步骤一、检查原材料是否有裂纹或穿孔的缺陷，将有缺陷的材料剔除，然后检测合格的原材料尺寸，确定加工余量；

步骤二、将步骤一检测合格的原材料加工出内圈、外圈、内圈滚道和外圈滚道；

步骤三、如图2和3所示，通过外圆磨床加工外圈的外表面4，通过无心磨床加工内圈的内表面10；

步骤四、通过平面磨床加工内圈端面11以及外圈端面6；

步骤五、通过内圆磨床加工外圈滚道7、内圈滚道9、外圈滚道边缘5以及内圈滚道边缘8；

步骤六、确定内圈以及外圈的滚道接触区和非接触区位置；

步骤七、使用激光打标机在内圈以及外圈的非接触区开设微织构，微织构的分布为由内、外圈滚道外侧向接触区逐渐变密，沿着内、外圈周向分布；

步骤八、对内、外圈微织构所在处的表面进行表面处理，去除毛刺。

Claims (7)

1.微织构辅助接触区润滑的深沟球轴承，包括外圈、内圈、保持架和滚珠，其特征在于：内圈和外圈滚道表面非接触区开设微织构，微织构开设位置根据深沟球轴承所处工况分为以下两种情况来确定：

1)当深沟球轴承只承受径向力时，滚珠与外圈或内圈滚道的接触区处于滚道中心位置，在滚道接触区两侧为非接触区；在非接触区表面开设有沿滚道轴向等距排布的若干微织构组；微织构组由沿滚道周向分布的若干微织构组成，且沿滚道中心位置向滚道边缘方向，各微织构组中微织构的个数逐渐减少，形成非接触区表面沿滚道中心位置向滚道边缘方向由密到疏的微织构排列形式；微织构的面积在0.01-0.1mm²中取值，微织构的深度小于0.03mm；

2)当深沟球轴承同时承受轴向力和径向力时，内圈受轴向力作用，使得滚珠与外圈及内圈的滚道接触区偏离滚道中心位置，产生一个不等于0°的接触角α；根据接触角α确定滚珠与外圈及内圈的滚道接触区中心位置，得出接触区的位置，从而确定接触区两侧非接触区的位置；在非接触区表面开设有沿滚道轴向等距排布的若干微织构组；微织构组由沿滚道周向分布的若干微织构组成，且沿滚道中心位置向滚道边缘方向，各微织构组中微织构的个数逐渐减少，形成非接触区表面沿滚道中心位置向滚道边缘方向由密到疏的微织构排列形式；微织构的面积在0.01-0.1mm²中取值，微织构的深度小于0.03mm；

其中，接触角α的计算过程如下：

首先，根据深沟球轴承参数求出滚珠与外圈及内圈的初始接触角α⁰，初始接触角α⁰的计算公式如下：

式中，A为外圈的滚道面所处球面的球心与内圈的滚道面所处球面的球心之间的距离，P_d为轴承设计时的径向游隙；

然后，列出接触角α计算公式如下：

式中，F_a为轴向力，K为载荷-位移系数，Z为滚珠个数，D为滚珠的直径；

最后，查出K值，用Newton-Raphson法进行数值求解，迭代方程为：

当α'-α小于δ时，停止迭代，将此时的α'作为最终的接触角α；其中，δ为阈值。

2.根据权利要求1所述微织构辅助接触区润滑的深沟球轴承，其特征在于：所述微织构的形状为椭圆形、圆形、正方形、长方形或扇形中的一种。

3.根据权利要求2所述微织构辅助接触区润滑的深沟球轴承，其特征在于：所述椭圆形的长轴沿滚道宽度方向布置。

4.根据权利要求2所述微织构辅助接触区润滑的深沟球轴承，其特征在于：所述长方形的长度沿滚道宽度方向布置。

5.根据权利要求2所述微织构辅助接触区润滑的深沟球轴承，其特征在于：所述扇形的对称中心线沿滚道宽度方向布置，且扇形的顶点朝向滚道边缘。

6.根据权利要求1所述微织构辅助接触区润滑的深沟球轴承，其特征在于：所述微织构的形状为胶囊形；所述的胶囊形由两段圆弧段和长度相等的两条直线段组成，两段圆弧段的两端分别通过一条直线段连接，直线段沿滚道宽度方向布置。

7.根据权利要求1至6中任一项所述微织构辅助接触区润滑的深沟球轴承的内外圈加工方法，其特征在于：该方法具体如下：

步骤一、检查原材料是否有裂纹或穿孔的缺陷，将有缺陷的材料剔除，然后检测合格的原材料尺寸，确定加工余量；

步骤二、将步骤一检测合格的原材料加工出内圈、外圈、内圈滚道和外圈滚道；

步骤三、通过外圆磨床加工外圈的外表面，通过无心磨床加工内圈的内表面；

步骤四、通过平面磨床加工内圈端面以及外圈端面；

步骤五、通过内圆磨床加工外圈滚道、内圈滚道、外圈滚道边缘以及内圈滚道边缘；

步骤六、确定内圈以及外圈的滚道接触区和非接触区位置；

步骤七、使用激光打标机在内圈以及外圈的非接触区开设微织构，微织构的分布为由内、外圈滚道外侧向接触区逐渐变密，且沿着内、外圈周向分布；

步骤八、对内、外圈微织构所在处的表面进行表面处理。

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