CN113293271A - 一种航发轴承内圈超声冲击表面纳米强化装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种航发轴承内圈超声冲击表面纳米强化装置，其驱动装置包括电机和旋转轴，旋转轴安装待加工轴承内圈，电机驱动旋转轴带动轴承内圈同步转动；超声喷丸装置包括超声喷丸腔、超声波探头和钢球，超声波探头从下端开口伸入超声喷丸腔内部，钢球覆盖超声波探头上表面；超声喷丸腔的上端开口置于待加工轴承内圈下端实现间隙配合。本发明采用上下可调，分体安装的工装，解决超声喷丸由于其发生、振动装置及喷丸方向的限制而不太适用轴承制造的问题，采用弧面腔体与轴承内圈滚道实现精密间隙配合，可调速电机实现变速旋转，上下可调喷丸距离，实现工艺参数可调，成功给航发轴承内圈施加超声冲击，使其滚道表面产生一层一定厚度的表面纳米层。
Description
技术领域
本发明涉及工件表面纳米强化工装技术领域，具体涉及一种航发轴承内圈超声冲击表面纳米强化装置及方法。
背景技术
航发轴承是航空发动机的核心构件，由于其承受极端工况、制造工艺复杂，其极高服役性能与寿命保障是制造领域前沿挑战。研究表明，航空发动机轴承的主要失效形式为表面损伤和断裂，现有的成形、热处理工艺难以实现航发轴承滚道表面及基体性能变革性提升。航发轴承性能与寿命达到极限并难以突破，成为制约高性能航发轴承制造的国际难题。
本发明提出航发轴承超极限性能超声冲击表面纳米强化新方法，利用高频超声冲击对航发轴承滚道表面进行表面纳米强化；发明航发轴承的“滚道表面纳米强化”创新技术，突破现有航发轴承服役性能与寿命极限。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对目前加工的航发轴承轴承套圈工作表面硬度低、耐磨性差、疲劳寿命短的不足，提供一种航发轴承内圈超声冲击表面纳米强化装置及方法，通过高频超声喷丸冲击强化的方法使轴承内圈滚道在高速的丸粒撞击下，产生一层一定厚度的表面纳米层，从而提高轴承内圈工作表面硬度、耐磨性、疲劳寿命，突破现有航发轴承服役性能与寿命极限。
本发明为解决上述提出的技术问题所采用的技术方案为：
一种航发轴承内圈超声冲击表面纳米强化装置，包括驱动装置和超声喷丸装置；所述驱动装置包括电机和旋转轴，所述旋转轴用于固定安装待加工轴承内圈，所述电机的输出轴与旋转轴连接，驱动旋转轴带动轴承内圈同步转动；所述超声喷丸装置包括超声喷丸腔、超声波探头和钢球，所述超声喷丸腔的上下两端均开口，所述超声波探头从下端开口伸入超声喷丸腔内部，所述钢球置于超声波探头上，覆盖超声波探头上表面；所述超声喷丸腔的上端开口置于待加工轴承内圈下端，并实现间隙配合；分别启动超声波探头和电机即可开始对轴承内圈进行超声冲击表面纳米强化。
上述方案中，所述驱动装置整体安装于第一升降架上，通过第一升降架调节所述轴承内圈与超声喷丸腔上端开口的间隙。
上述方案中，所述超声喷丸腔安装于固定支架上，所述超声波探头安装于第二升降架上，通过第二升降架调节所述超声波探头上表面与轴承内圈滚道的距离。
上述方案中，所述超声喷丸腔的上端开口设计为与轴承内圈滚道弧度配合的弧面造型，以实现轴承内圈滚道与超声喷丸腔的严密配合，防止钢球在冲击过程中溅射出来。
上述方案中，所述驱动装置还包括固定盖板和可拆卸盖板，固定盖板固定安装于所述旋转轴上，待加工轴承内圈安装于两个盖板之间，可拆卸盖板通过螺栓与固定盖板紧固连接以实现轴承内圈的固定。
上述方案中，所述超声喷丸装置还包括超声换能器、变幅杆和超声波发生器，所述超声换能器位于超声喷头下方，通过变幅杆与超声喷头相连，超声波发生器通过线缆与超声换能器连接。
上述方案中，所述超声喷丸装置采用高频超声波，频率为20KHz～10000KHz。
上述方案中，所述钢球直径为0.1mm～10mm，钢球数量为10～1000个；超声处理时间为10s～1200s。
相应的，本发明还提出一种航发轴承内圈超声冲击表面纳米强化方法，该方法采用上述航发轴承内圈超声冲击表面纳米强化装置进行，包括以下步骤：
S1、根据选定的航发轴承型号制备与之适配的驱动装置与超声喷丸装置；
S2、设备安装与调节：先将超声喷丸腔安装在固定支架上，然后将驱动装置整体安装在第一升降架上，且使得超声喷丸腔上端开口位于轴承内圈的正下方；最后将超声波探头安装在第二升降架上，将超声波探头表面铺满钢球，并送入超声喷丸腔；通过第一升降架调节所述轴承内圈与超声喷丸腔上端开口的间隙至设定值，并通过第二升降架调节所述超声波探头上表面与轴承内圈滚道的距离至设定值；
S3、分别启动超声波探头和电机，采用高频超声波驱动钢球冲击航发轴承内圈滚道表面，使航发轴承内圈滚道表面产生剧烈塑性变形，实现航发轴承滚道表面纳米强化。
上述方法还包括S4、超声冲击后轴承内圈滚道表面采用电解抛光、精整技术满足实际工况下对轴承滚道表面粗糙度的要求。
本发明的有益效果在于：
1、本发明采用高频超声波信号激发钢球冲击航发轴承内圈滚道表面，喷丸使得轴承内圈滚道产生剧烈的塑性变形，导致位错密度增大，晶粒细化，形成纳米强化层，从而提高轴承套圈工作表面表面硬度、耐磨性、疲劳寿命，突破现有航发轴承服役性能与寿命极限。
2、本发明采用了一种上下可调，分体安装的工装，解决超声喷丸由于其发生、振动装置及喷丸方向的限制而不太适用轴承制造的问题，采用弧面腔体与轴承内圈滚道实现精密间隙配合，可调速电机实现变速旋转，上下可调喷丸距离，实现工艺参数可调，成功给航发轴承内圈施加超声冲击，使其滚道表面产生一层一定厚度的表面纳米层。
3、本发明将驱动装置整体安装于第一升降架上，通过第一升降架调节轴承内圈与超声喷丸腔上端开口的间隙，既能使轴承内圈与超声喷丸腔即保证紧密的间隙配合，又能使轴承内圈无干涉地高速旋转；同时，本发明将超声波探头安装于第二升降架上，通过第二升降架调节超声波探头上表面与轴承内圈滚道的距离，实现喷丸距离可控，针对不同材料轴承达到最佳表面纳米强化效果。
4、本发明在超声波探头表面铺满钢球，超声波探头产生高频振动，赋予其上的钢球高频高速冲击能量，进行超声喷丸，可以直接处理一部分区域，相比超声滚压或超声点阵的方法，在同时处理一样的区域时，本发明处理时间更短，效率更高。
5、该超声冲击表面纳米强化新技术适用于各种金属材料，例如铝合金、钛合金、不锈钢、镍基合金、碳钢等。该超声冲击表面纳米强化新技术适用于滚动轴承、滑动轴承等各类型轴承的内圈滚道及基体强化。该超声冲击表面纳米强化新技术可推广至其他机械零部件例如电机轴、齿轮、叶片、涡轮盘等的表面纳米强化和服役寿命提升。
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1是本发明航发轴承内圈超声冲击表面纳米强化装置的侧视图；
图2是本发明航发轴承内圈超声冲击表面纳米强化装置的正视图；
图3是超声喷丸腔的结构示意图。
图中：10、驱动装置；11、电机；12、旋转轴；13、联轴器；14、左支撑轴承座；15、右支撑轴承座；16、固定盖板；17、可拆卸盖板；
20、超声喷丸装置；21、超声喷丸腔；211、弧面；22、超声波探头；23、钢球；
30、轴承内圈。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
如图1-2所示，为本发明实施例提供的一种航发轴承内圈超声冲击表面纳米强化装置，包括驱动装置10和超声喷丸装置20。驱动装置10包括电机11和旋转轴12，旋转轴12用于固定安装待加工轴承内圈30，电机11的输出轴通过联轴器13与旋转轴12连接，驱动旋转轴12带动轴承内圈30同步转动。超声喷丸装置20包括超声喷丸腔21、超声波探头22和钢球23，超声喷丸腔21的上下两端均开口，超声波探头22从下端开口伸入超声喷丸腔21内部，钢球23置于超声波探头22上，覆盖超声波探头22上表面。超声喷丸腔21的上端开口置于待加工轴承内圈30下端，并实现良好间隙配合。分别启动超声波探头22和电机11，带动轴承内圈30产生旋转高频冲击相对运动，即可开始对轴承内圈30进行超声冲击表面纳米强化。
进一步优化，驱动装置10整体安装于第一升降架上，通过第一升降架调节轴承内圈30与超声喷丸腔21上端开口的间隙，既能使轴承内圈30与超声喷丸腔21即保证紧密的间隙配合，又能使轴承内圈30无干涉地高速旋转。
进一步优化，针对不同材料轴承，超声喷丸的参数不一样，特别是喷丸距离，即超声波探头22上顶面和轴承内圈30滚道弧面最低点的距离，其表面纳米强化效果不同。因此，将超声喷丸腔21安装于固定支架上，超声波探头22安装于第二升降架上，通过第二升降架调节超声波探头22上表面与轴承内圈30滚道的距离，实现喷丸距离可控，达到最佳表面纳米强化效果。
进一步优化，超声喷丸腔21的上端开口设计为与轴承内圈30滚道弧度配合的弧面211造型，如图3所示，以实现轴承内圈30滚道与超声喷丸腔21的严密配合，防止钢球23在冲击过程中溅射出来。
进一步优化，驱动装置10还包括固定盖板16和可拆卸盖板17，固定盖板16固定安装于旋转轴12上，待加工轴承内圈30安装于两个盖板之间，可拆卸盖板17通过螺栓与固定盖板16紧固连接以实现轴承内圈30的固定，防止轴承内圈30沿旋转轴12轴向移动。
进一步优化，超声喷丸装置20还包括超声换能器、变幅杆和超声波发生器，超声换能器位于超声喷头下方，通过变幅杆与超声喷头相连，超声波发生器通过线缆与超声换能器连接。
进一步优化，超声喷丸装置20采用高频超声波，频率为20KHz～10000KHz。
进一步优化，钢球23直径为0.1mm～10mm，钢球23数量为10～1000个。
进一步优化，超声处理时间为10s～1200s。
进一步优化，电机11的转速为100rpm～100,000rmp。
进一步优化，为实现高速旋转，在轴承内圈30两侧分别设置左支撑轴承座14和右支撑轴承座15，两个支撑轴承座内安装高速轴承，旋转轴12从其中穿过，可实现无干涉高速旋转。
本实施例以深沟球轴承内圈为例，轴承内圈30与超声喷丸腔21的弧面间距保持0.5mm，实现良好间隙配合，轴承内圈30能平稳转动，无干涉。超声波探头22表面铺满直径为3mm钢球23，并送入超声喷丸腔21，并控制超声波探头22表面与轴承内圈30滚道的距离在10mm左右。轴承内圈30在电机11的带动下匀速旋转，轴承内圈30平面和超声波探头22平面垂直，超声波探头22产生高频振动，赋予其上的3mm钢球23高频高速冲击能量，进行超声喷丸，平均单个弹丸顺势撞击材料表面的能量为10-4～103J。喷丸使得轴承滚道产生剧烈的塑性变形，导致位错密度增大，晶粒细化，形成纳米强化层。
相应的，本发明还提出一种航发轴承内圈30超声冲击表面纳米强化方法，采用上述航发轴承内圈30超声冲击表面纳米强化装置进行，包括以下步骤：
S1、根据选定的航发轴承型号制备与之适配的驱动装置10与超声喷丸装置20。
S2、设备安装与调节：将超声喷丸腔21安装在固定支架上，将驱动装置10整体安装在第一升降架上，且使得超声喷丸腔21上端开口位于轴承内圈30的正下方，将超声波探头22安装在第二升降架上，将超声波探头22表面铺满钢球23，并送入超声喷丸腔21。通过第一升降架调节轴承内圈30与超声喷丸腔21上端开口的间隙至合适值，并通过第二升降架调节超声波探头22上表面与轴承内圈30滚道的距离至合适值。
S3、分别启动超声波探头22和电机11，采用高频超声波驱动钢球23冲击航发轴承内圈30滚道表面，使航发轴承内圈30滚道表面产生剧烈塑性变形，实现航发轴承滚道表面纳米强化。
S4、超声冲击后轴承内圈30滚道表面采用电解抛光、精整等技术满足实际工况下对轴承滚道表面粗糙度的要求。
本发明采用高频超声波信号激发钢球23冲击航发轴承内圈30滚道表面，喷丸使得轴承内圈30滚道产生剧烈的塑性变形，导致位错密度增大，晶粒细化，形成纳米强化层。
该超声冲击表面纳米强化新技术适用于各种金属材料，例如铝合金、钛合金、不锈钢、镍基合金、碳钢等。
该超声冲击表面纳米强化新技术适用于滚动轴承、滑动轴承等各类型轴承的内圈滚道及基体强化。
该超声冲击表面纳米强化新技术可推广至其他机械零部件例如电机轴、齿轮、叶片、涡轮盘等的表面纳米强化和服役寿命提升。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (10)
1.一种航发轴承内圈超声冲击表面纳米强化装置，其特征在于，包括驱动装置和超声喷丸装置；所述驱动装置包括电机和旋转轴，所述旋转轴用于固定安装待加工轴承内圈，所述电机的输出轴与旋转轴连接，驱动旋转轴带动轴承内圈同步转动；所述超声喷丸装置包括超声喷丸腔、超声波探头和钢球，所述超声喷丸腔的上下两端均开口，所述超声波探头从下端开口伸入超声喷丸腔内部，所述钢球置于超声波探头上，覆盖超声波探头上表面；所述超声喷丸腔的上端开口置于待加工轴承内圈下端，并实现间隙配合；分别启动超声波探头和电机即可开始对轴承内圈进行超声冲击表面纳米强化。
2.根据权利要求1所述的航发轴承内圈超声冲击表面纳米强化装置，其特征在于，所述驱动装置整体安装于第一升降架上，通过第一升降架调节所述轴承内圈与超声喷丸腔上端开口的间隙。
3.根据权利要求1所述的航发轴承内圈超声冲击表面纳米强化装置，其特征在于，所述超声喷丸腔安装于固定支架上，所述超声波探头安装于第二升降架上，通过第二升降架调节所述超声波探头上表面与轴承内圈滚道的距离。
4.根据权利要求1所述的航发轴承内圈超声冲击表面纳米强化装置，其特征在于，所述超声喷丸腔的上端开口设计为与轴承内圈滚道弧度配合的弧面造型，以实现轴承内圈滚道与超声喷丸腔的严密配合，防止钢球在冲击过程中溅射出来。
5.根据权利要求1所述的航发轴承内圈超声冲击表面纳米强化装置，其特征在于，所述驱动装置还包括固定盖板和可拆卸盖板，固定盖板固定安装于所述旋转轴上，待加工轴承内圈安装于两个盖板之间，可拆卸盖板通过螺栓与固定盖板紧固连接以实现轴承内圈的固定。
6.根据权利要求1所述的航发轴承内圈超声冲击表面纳米强化装置，其特征在于，所述超声喷丸装置还包括超声换能器、变幅杆和超声波发生器，所述超声换能器位于超声喷头下方，通过变幅杆与超声喷头相连，超声波发生器通过线缆与超声换能器连接。
7.根据权利要求1所述的航发轴承内圈超声冲击表面纳米强化装置，其特征在于，所述超声喷丸装置采用高频超声波，频率为20KHz～10000KHz。
8.根据权利要求7所述的航发轴承内圈超声冲击表面纳米强化装置，其特征在于，所述钢球直径为0.1mm～10mm，钢球数量为10～1000个；超声处理时间为10s～1200s。
9.一种航发轴承内圈超声冲击表面纳米强化方法，其特征在于，该方法采用权利要求1-8任一项所述的航发轴承内圈超声冲击表面纳米强化装置进行，包括以下步骤：
S1、根据选定的航发轴承型号制备与之适配的驱动装置与超声喷丸装置；
S2、设备安装与调节：先将超声喷丸腔安装在固定支架上，然后将驱动装置整体安装在第一升降架上，且使得超声喷丸腔上端开口位于轴承内圈的正下方；最后将超声波探头安装在第二升降架上，将超声波探头表面铺满钢球，并送入超声喷丸腔；通过第一升降架调节所述轴承内圈与超声喷丸腔上端开口的间隙至设定值，并通过第二升降架调节所述超声波探头上表面与轴承内圈滚道的距离至设定值；
S3、分别启动超声波探头和电机，采用高频超声波驱动钢球冲击航发轴承内圈滚道表面，使航发轴承内圈滚道表面产生剧烈塑性变形，实现航发轴承滚道表面纳米强化。
10.根据权利要求9所述的航发轴承内圈超声冲击表面纳米强化方法，其特征在于，还包括S4、超声冲击后轴承内圈滚道表面采用电解抛光、精整技术满足实际工况下对轴承滚道表面粗糙度的要求。
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