CN113357269A - 一种滚动轴承外圈的制造方法 - Google Patents

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CN113357269A CN202110755578.8A CN202110755578A CN113357269A CN 113357269 A CN113357269 A CN 113357269A CN 202110755578 A CN202110755578 A CN 202110755578A CN 113357269 A CN113357269 A CN 113357269A
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Abstract

本发明提供了一种滚动轴承外圈的制造方法，先根据轴承的工作情况和尺寸参数确定轴承外圈内表面的接触变形分布，然后对轴承外圈进行加工，留出需要进行激光熔覆的待熔覆区域，再选取合适的激光器和熔覆材料组分，并根据轴承所承受的载荷的情况选择不同的加工路线对待熔覆区域进行激光熔覆加工，最后对激光熔覆后的轴承外圈内表面进行打磨抛光等加工，加工至尺寸要求。本发明通过对滚动轴承外圈内表面接触变形区域，即承载区域进行激光熔覆加工，使轴承外圈的承载能力和耐磨损能力大大提高，从而提高了轴承外圈的抗疲劳性能和使用寿命。

Description

一种滚动轴承外圈的制造方法
技术领域
本发明属于轴承加工领域，具体涉及一种基于接触变形的滚动轴承外圈的激光熔覆制造方法。
背景技术
滚动轴承作为旋转机械设备的重要部件之一，应用极其广泛。对于主要承受径向载荷的轴承，其工作过程中，内圈随轴旋转，而外圈固定于轴承座内，因此，轴承外圈的承载区域基本固定，这导致了外圈极易出现早期疲劳失效，从而影响轴承的使用寿命。因此应针对轴承外圈的内表面进行处理，使其具有良好的承载能力、耐磨和抗疲劳性能，以提高其使用寿命。激光熔覆技术是一种重要的材料表面加工、金属增材制造与表面改性技术，其利用高能量激光束，在加工工件的基体表面上融化熔覆材料，使部分基体材料和熔覆材料在基体表面上形成组织均匀细密并具有优秀力学性能的致密熔覆层。激光熔覆技术具有熔覆层与基体材料结合牢固、工件热变形小、熔覆层组织致密且均匀、熔覆材料选取范围广、节约材料、工艺便捷可实现自动化生产等优点。因此，激光熔覆技术比传统的堆焊、喷涂、电镀等方法更适用于对轴承外圈内表面的处理，且熔覆层可根据轴承实际工作环境要求和所需性能设计成分，例如需要具有耐磨、耐腐蚀或耐高温的熔覆层，根据要求进行不同熔覆材料的配比。
但是激光熔覆需要对哪些区域进行加工，需要加工多少厚度的熔覆层往往是根据经验进行确定，没有实质上明确如何对轴承外圈内表面进行激光熔覆加工，才能最大程度的增强轴承外圈的性能，又节约了材料。
发明内容
针对现有技术的缺点和不足，本发明所要解决的技术问题在于提出一种基于接触变形的滚动轴承外圈制造方法，使轴承外圈的内表面具有良好的承载能力、耐磨和抗疲劳性能，进而提高轴承寿命。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于接触变形的滚动轴承外圈制造方法，该轴承外圈由基体和熔覆内表面组成，基体为轴承外圈的主要组成部分，材料为轴承钢，熔覆内表面则由熔覆材料通过激光熔覆而成；
其中，所述的轴承外圈外层的形状由轴承将要工作的载荷条件和相应的尺寸参数决定，同时也决定了激光熔覆时所需的熔覆金属的厚度分布
一种基于接触变形的滚动轴承外圈制造方法，它包括以下步骤：
S1、将轴承的尺寸参数和工作的受载情况等带入载荷与接触变形的相关计算公式，得到轴承外圈接触变形的分布趋势；
S2、根据步骤S1得到的接触变形分布趋势对轴承外圈基体进行加工；
S3、根据轴承实际工作环境要求和所需性能设计熔覆材料的组成成分；
S4、对步骤S2加工完成的轴承外圈基体进行激光熔覆；
S5、对步骤S4加工完成的熔覆内表面加工至装配要求。
所述步骤S1包括以下分步骤：
S1.1、根据轴承工作时的受载的情况进行计算，得到参数值a；
S1.2、根据步骤S1.1得到的参数值a，计算得到轴承的载荷分布系数、载荷积分和法向载荷比值；
S1.3、根据轴承不同的受载情况计算出滚子与滚道间最大法向载荷；
S1.4、根据步骤S1.2、步骤S1.3得到轴承的载荷分布角度；
S1.5、根据步骤S1.3、步骤S1.4得到轴承接触变形的分布。
所述步骤S1.1中的参数值a为：
Figure BDA0003147186970000031
其中，Fr为轴承承受的径向载荷；α为轴承接触角；Fa为轴承承受的轴向载荷。当轴承仅受径向载荷作用时，a＝∞。
优选的，所述步骤S1.2中轴承的载荷分布系数为：
Figure BDA0003147186970000032
ε2＝1-ε1(3)
其中，ε1为两列轴承中主要承载列的载荷分布系数；ε2为两列轴承中次要承载列的载荷分布系数。当轴承仅受径向载荷作用时，ε1＝ε2＝0.5。
优选的，所述步骤S1.2中的载荷积分为：
Figure BDA0003147186970000033
Figure BDA0003147186970000034
其中，Jr为径向载荷积分；Ja为轴向载荷积分。当轴承仅受径向载荷作用时，Jr＝0.4577，Ja＝0。
优选的，所述步骤S1.2中的法向载荷比值为：
Figure BDA0003147186970000035
其中，Qmax1为两列轴承中主要承载列的滚子与滚道间最大法向载荷；Qmax2为两列轴承中次要承载列的滚子与滚道间最大法向载荷。当轴承仅受径向载荷作用时，
Figure BDA0003147186970000041
所述步骤S1.3中滚子与滚道间最大法向载荷为：
Figure BDA0003147186970000042
Figure BDA0003147186970000043
其中，Z为轴承单列的滚子个数。
所述步骤S1.4中轴承的载荷分布角度为：
φ1＝cos-1(1-2ε1)(9)
φ2＝cos-1(1-2ε2)(10)
其中，φ1为两列轴承中主要承载列的载荷分布角度；φ2为两列轴承中次要承载列的载荷分布角度。
优选的，所述步骤S1.5中轴承接触变形的分布为：
Figure BDA0003147186970000044
Figure BDA0003147186970000045
其中，δ1，i为两列轴承中主要承载列的第i个滚子的径向接触变形，i＝0时，δ1，0＝δ1max，δ1max为两列轴承中主要承载列的最大径向接触变形；δ2，j为两列轴承中次要承载列的第j个滚子的径向接触变形，j＝0时，δ2，0＝δ2max，δ2max为两列轴承中次要承载列的最大径向接触变形；l为滚子的有效长度；ψi为两列轴承中主要承载列的第i个滚子的位置角；ψj为两列轴承中次要承载列的第j个滚子的位置角。当计算得到的δ1，i或δ2，j小于0时，取δ1，i＝0，δ2，j＝0。
优选的，所述步骤S2加工时，轴承周向的加工范围由步骤S1.4计算得到的载荷分布角度φ1、φ2确定；轴承径向的加工深度由步骤S1.5计算得到的接触变形δ1，i和δ2，j确定；轴承轴向的加工宽度L为：
Lb＝0.1(B-2×Lg-b)(13)
L＝Lg+Lb(14)
其中，Lb为边缘加工宽度；B为轴承宽度；Lg为滚子长度；b为内圈挡边宽度。
所述步骤S3确定熔覆材料的组成时，为了使轴承外圈的内表面具有良好的承载能力、耐磨和抗疲劳性能，选择相应的金属粉末或氧化物粉末，组成熔覆材料。
优选的，所述步骤S4包括以下分步骤：
S4.1、对待熔覆区域表面进行加工，去除杂质；
S4.2、根据熔覆材料选取适合的激光器；
S4.3、对轴承外圈基体进行激光熔覆。
所述步骤S4.1、对待熔覆区域表面进行加工，用砂纸打磨光滑，在用无水乙醇和丙酮溶液洗去油污、铁锈等杂质，避免在熔覆过程中由于表面杂质产生熔覆层缺陷。
所述步骤S4.2选取激光器时应尽可能选择激光功率、光斑直径、扫描速度和送分速度可以在较大范围调节的激光器，使熔覆层获得更好的性能。
优选的，所述步骤S4.3的激光熔覆加工路线为：
轴承承受径向载荷和轴向载荷的联合载荷时，主承载列的最大接触变形δ1max大于次承载列的最大接触变形δ2max，先从主承载列最大接触变形处向两侧接触变形逐渐减小区域进行加工。经过一段时间的加工后，主承载列的深度和次承载列的深度相等时，此时主次承载列同时进行加工，依旧按照从最大接触变形处向两侧接触变形逐渐减小区域进行加工。
轴承承受轴向载荷时，主承载列的最大接触变形δ1max等于次承载列的最大接触变形δ2max，从最大接触变形处向两侧接触变形逐渐减小区域进行加工。
采用上述激光熔覆加工路线，可以很大程度上避免使用激光熔覆技术加工非平面时，熔化的液态金属在重力的作用下沿轴承外圈内表面向下流动，导致的熔覆层厚度不均匀。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明提供了一种滚动轴承外圈制造方法及制造得到的滚动轴承，先根据轴承的工作情况和尺寸参数确定轴承外圈内表面的接触变形分布，然后对轴承外圈进行加工，留出需要进行激光熔覆的待熔覆区域，再选取合适的激光器对待熔覆区域进行激光熔覆加工，最后对激光熔覆后的轴承外圈内表面进行打磨抛光等加工，加工至尺寸要求。通过对轴承外圈内表面接触变形区域，即承载区域进行激光熔覆加工，使轴承外圈的承载能力和耐磨损能力大大提高，从而提高了轴承外圈的使用寿命。
附图说明
图1是本发明提出的一种滚动轴承外圈制造方法的流程图。
图2是本发明计算轴承外圈接触变形的流程图。
图3(a)是本发明提出的轴承承受径向载荷与轴向载荷时待熔覆的轴承外圈基体结构示意图。
图3(b)是本发明提出的轴承只承受径向载荷时待熔覆的轴承外圈基体结构示意图。
图4是本发明计算接触变形时滚子分布及其位置角示意图。
其中，1-主要承载列，2-次要承载列。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
下面结合附图详细说明本发明的两个具体实施案例。
实施例一
如图1所示，在本发明的一个实施例中，一种滚动轴承外圈制造方法，包括以下步骤：
S1、将轴承的尺寸参数和工作的受载情况等带入载荷与接触变形的相关计算公式，得到轴承外圈接触变形的分布趋势；
S2、根据步骤S1得到的接触变形分布趋势对轴承外圈基体进行加工；
S3、根据轴承实际工作环境要求和所需性能设计熔覆材料的组成成分；
S4、对步骤S2加工完成的轴承外圈基体进行激光熔覆；
S5、对步骤S4加工完成的熔覆内表面加工至装配要求。
所述步骤S1包括以下分步骤：
S1.1、根据轴承工作时的受载的情况进行计算，得到参数值a；
S1.2、根据步骤S1.1得到的参数值a，计算得到轴承的载荷分布系数、载荷积分和法向载荷比值；
S1.3、根据轴承不同的受载情况计算出滚子与滚道间最大法向载荷；
S1.4、根据步骤S1.2、步骤S1.3得到轴承的载荷分布角度；
S1.5、根据步骤S1.3、步骤S1.4得到轴承接触变形的分布。
所述步骤S1.1中的参数值a为：
Figure BDA0003147186970000081
其中，Fr为轴承承受的径向载荷；a为轴承接触角；Fa为轴承承受的轴向载荷。当轴承仅受径向载荷作用时，a＝∞。
本发明的实施例一中，轴承的尺寸参数和受载情况如表1所示。
表1
Figure BDA0003147186970000091
本发明的实施案例一中，由式(1)计算可得参数值a为0.8502。
优选的，所述步骤S1.2中轴承的载荷分布系数为：
Figure BDA0003147186970000092
ε2＝1-ε1(3)
其中，ε1为两列轴承中主要承载列的载荷分布系数；ε2为两列轴承中次要承载列的载荷分布系数。当轴承仅受径向载荷作用时，ε1＝ε2＝0.5。
本发明的实施案例一中，由式(2)和(3)计算可得两列轴承中主要承载列的载荷分布系数ε1为0.7897，两列轴承中次要承载列的载荷分布系数ε2为0.2103。
优选的，所述步骤S1.2中的载荷积分为：
Figure BDA0003147186970000093
Figure BDA0003147186970000094
其中，Jr为径向载荷积分；Ja为轴向载荷积分。当轴承仅受径向载荷作用时，Jr＝0.4577，Ja＝0。
本发明的实施案例一中，由式(4)和(5)计算可得轴承的径向载荷积分Jr为0.3071，轴向载荷积分Ja为0.3613。
优选的，所述步骤S1.2中的法向载荷比值为：
Figure BDA0003147186970000101
其中，Qmax1为两列轴承中主要承载列的滚子与滚道间最大法向载荷；Qmax2为两列轴承中次要承载列的滚子与滚道间最大法向载荷。当轴承仅受径向载荷作用时，
Figure BDA0003147186970000102
本发明的实施案例一中，由式(6)计算可得轴承的法向载荷比值
Figure BDA0003147186970000103
为0.2324。
所述步骤S1.3中滚子与滚道间最大法向载荷为：
Figure BDA0003147186970000104
Figure BDA0003147186970000105
其中，Z为轴承单列的滚子个数。
本发明的实施案例一中，由式(7)和(8)计算可得两列轴承中主要承载列的滚子与滚道间最大法向载荷Qmax1为21162N，两列轴承中次要承载列的滚子与滚道间最大法向载荷Qmax2为4917N。
所述步骤S1.4中轴承的载荷分布角度为：
φ1＝cos-1(1-2ε1)(9)
φ2＝cos-1(1-2ε2)(10)
其中，φ1为两列轴承中主要承载列的载荷分布角度；φ2为两列轴承中次要承载列的载荷分布角度。
本发明的实施案例一中，由式(9)和(10)计算可得两列轴承中主要承载列的载荷分布角度φ1为±125.41°，两列轴承中次要承载列的载荷分布角度φ2为±54.60°。
优选的，所述步骤S1.5中轴承接触变形的分布为：
Figure BDA0003147186970000111
Figure BDA0003147186970000112
其中，δ1，i为两列轴承中主要承载列的第i个滚子的径向接触变形，i＝0时，δ1，0＝δ1max，δ1max为两列轴承中主要承载列的最大径向接触变形；δ2，j为两列轴承中次要承载列的第j个滚子的径向接触变形，j＝0时，δ2，0＝δ2max，δ2max为两列轴承中次要承载列的最大径向接触变形；l为滚子的有效长度；ψi为两列轴承中主要承载列的第i个滚子的位置角；ψj为两列轴承中次要承载列的第j个滚子的位置角。当计算得到的δ1，i或δ2，j小于0时，取δ1，i＝0，δ2，j＝0。
本发明的实施案例一中，由式(11)计算可得两列轴承中主要承载列的第i个滚子的径向接触变形δ1，i，其具体数值见表2。由式(12)计算可得两列轴承中次要承载列的第j个滚子的径向接触变形δ2，j，其的具体数值见表3。滚子分布及其位置角示意图可见图4，δ1，i和δ2，j在φ1和φ2上的分布曲线示意图见图3(a)。
表2
滚子编号i 位置角ψ<sub>i</sub>(°) δ<sub>1，i</sub>计算值(mm) δ<sub>1，i</sub>最终值(mm)
0 0 0.026517 0.0266
1/-1 ±25.71 0.024854 0.0249
2/-2 ±51.43 0.020195 0.0202
3/-3 ±77.14 0.013464 0.0135
4/-4 ±102.86 0.005991 0.0060
5/-5 ±128.57 -0.000740 0
6/-6 ±154.29 -0.005399 0
7 180 -0.007061 0
表3
滚子编号j 位置角ψ<sub>i</sub>(°) δ<sub>2，j</sub>计算值(mm) δ<sub>2，j</sub>最终值(mm)
0 0.00 0.007129 0.0072
1/-1 ±25.71 0.005451 0.0055
2/-2 ±51.43 0.000747 0.0008
3/-3 ±77.14 -0.006048 0
4/-4 ±102.86 -0.013594 0
5/-5 ±128.57 -0.020389 0
6/-6 ±154.29 -0.025093 0
7 180 -0.026771 0
由表2和表3可知δ1max为0.0266mm，δ2max为0.0072mm。
优选的，所述步骤S2加工时，轴承周向的加工范围由步骤S1.4计算得到的载荷分布角度φ1、φ2确定；轴承径向的加工深度由步骤S1.5计算得到的接触变形δ1，i和δ2，j确定；轴承轴向的加工宽度L为：
Lb＝0.1(B-2×Lg-b) (13)
L＝Lg+Lb (14)
其中，Lb为边缘加工宽度；B为轴承宽度；Lg为滚子长度；b为内圈挡边宽度。
本发明的实施案例一中，轴承的主要承载列的周向加工范围为±125.41°，次要承载列的周向加工范围为±54.60°；轴承的主要承载列的径向加工深度由表2中的δ1，i最终值确定，轴承的次要承载列的径向加工深度由表3中的δ2，j最终值确定；由式(13)和(14)可知轴承轴向的加工宽度为24.5mm。
优选的，所述步骤S3确定熔覆材料的组成时，在钴(Co)基自溶性合金粉末中加入氮化物合金粉末Si3N4，制成熔覆材料粉末。
优选的，所述步骤S4包括以下分步骤：
S4.1、对待熔覆区域表面进行加工，去除杂质；
S4.2、根据熔覆材料选取适合的激光器；
S4.3、对轴承外圈基体进行激光熔覆。
所述步骤S4.1、对待熔覆区域表面进行加工，用砂纸打磨光滑，在用无水乙醇和丙酮溶液洗去油污、铁锈等杂质，避免在熔覆过程中由于表面杂质产生熔覆层缺陷。
所述步骤S4.2选取激光器时应尽可能选择激光功率、光斑直径、扫描速度和送分速度可以在较大范围调节的激光器，使熔覆层获得更好的性能
本发明的实施案例一中，选取的激光器为IPG公司的YLS-4000光纤激光器，以同轴送粉形式进行送粉，用氩气对熔覆层进行保护，相关参数如下所示：
激光功率：2000W，可在400W-4000W间调整；
光斑直径：2mm，可在0mm-8mm调整；
扫描速度：480mm/min，可调整；
送粉速度：13g/min，可调整。
优选的，所述步骤S4.3的激光熔覆加工路线为：
轴承承受径向载荷和轴向载荷的联合载荷时，主承载列的最大接触变形δ1max大于次承载列的最大接触变形δ2max，先从主承载列最大接触变形处向两侧接触变形逐渐减小区域进行加工。经过一段时间的加工后，主承载列的深度和次承载列的深度相等时，此时主次承载列同时进行加工，依旧按照从最大接触变形处向两侧接触变形逐渐减小区域进行加工。
轴承承受轴向载荷时，主承载列的最大接触变形δ1max等于次承载列的最大接触变形δ2max，从最大接触变形处向两侧接触变形逐渐减小区域进行加工。
采用上述激光熔覆加工路线，可以很大程度上避免使用激光熔覆技术加工非平面时，熔化的液态金属在重力的作用下沿轴承外圈内表面向下流动，导致的熔覆层厚度不均匀。
本发明的实施案例一中，从主承载列最大接触变形处，即主承载列的0号滚子处δ1max＝0.0266mm，向两侧接触变形逐渐减小区域进行加工。经过一段时间的加工后，主承载列的深度和次承载列的深度相等时，即δ1max＝δ2max＝0.0072mm，此时主/次承载列同时进行加工，依旧按照从最大接触变形处，即主/次承载列的0号滚子处，向两侧接触变形逐渐减小区域进行加工。
实施例二
如图1所示，在本发明的一个实施例中，一种滚动轴承外圈制造方法，包括以下步骤：
S1、将轴承的尺寸参数和工作的受载情况等带入载荷与接触变形的相关计算公式，得到轴承外圈接触变形的分布趋势；
S2、根据步骤S1得到的接触变形分布趋势对轴承外圈基体进行加工；
S3、根据轴承实际工作环境要求和所需性能设计熔覆材料的组成成分；
S4、对步骤S2加工完成的轴承外圈基体进行激光熔覆；
S5、对步骤S4加工完成的熔覆内表面加工至装配要求。
所述步骤S1包括以下分步骤：
S1.1、根据轴承工作时的受载的情况进行计算，得到参数值a；
S1.2、根据步骤S1.1得到的参数值a，计算得到轴承的载荷分布系数、载荷积分和法向载荷比值；
S1.3、根据轴承不同的受载情况计算出滚子与滚道间最大法向载荷；
S1.4、根据步骤S1.2、步骤S1.3得到轴承的载荷分布角度；
S1.5、根据步骤S1.3、步骤S1.4得到轴承接触变形的分布。
所述步骤S1.1中的参数值a为：
Figure BDA0003147186970000161
其中，Fr，为轴承承受的径向载荷；α为轴承接触角；Fa为轴承承受的轴向载荷。当轴承仅受径向载荷作用时，a＝∞。
本发明的实施例二中，轴承的尺寸参数和受载情况如表4所示。
表4
Figure BDA0003147186970000171
本发明的实施案例二中，由式(1)计算可得参数值a为∞。
优选的，所述步骤S1.2中轴承的载荷分布系数为：
Figure BDA0003147186970000172
ε2＝1-ε1(3)
其中，ε1为两列轴承中主要承载列的载荷分布系数；ε2为两列轴承中次要承载列的载荷分布系数。当轴承仅受径向载荷作用时，ε1＝ε2＝0.5。
本发明的实施案例二中，由式(2)和(3)计算可得两列轴承中主要承载列的载荷分布系数ε1为0.5，两列轴承中次要承载列的载荷分布系数ε2为0.5。
优选的，所述步骤S1.2中的载荷积分为：
Figure BDA0003147186970000173
Figure BDA0003147186970000174
其中，Jr为径向载荷积分；Ja为轴向载荷积分。当轴承仅受径向载荷作用时，Jr＝0.4577，Ja＝0。
本发明的实施案例二中，由式(4)和(5)计算可得轴承的径向载荷积分Jr为0.4577，轴向载荷积分Ja为0。
优选的，所述步骤S1.2中的法向载荷比值为：
Figure BDA0003147186970000181
其中，Qmax1为两列轴承中主要承载列的滚子与滚道间最大法向载荷；Qmax2为两列轴承中次要承载列的滚子与滚道间最大法向载荷。当轴承仅受径向载荷作用时，
Figure BDA0003147186970000182
本发明的实施案例二中，由式(6)计算可得轴承的法向载荷比值
Figure BDA0003147186970000183
为1。
所述步骤S1.3中滚子与滚道间最大法向载荷为：
Figure BDA0003147186970000184
Figure BDA0003147186970000185
其中，Z为轴承单列的滚子个数。
本发明的实施案例二中，由式(7)和(8)计算可得两列轴承中主要承载列的滚子与滚道间最大法向载荷Qmax1为14200N，两列轴承中次要承载列的滚子与滚道间最大法向载荷Qmax2为14200N。
所述步骤S1.4中轴承的载荷分布角度为：
φ1＝cos-1(1-2ε1)(9)
φ2＝cos-1(1-2ε2)(10)
其中，φ1为两列轴承中主要承载列的载荷分布角度；φ2为两列轴承中次要承载列的载荷分布角度。
本发明的实施案例二中，由式(9)和(10)计算可得两列轴承中主要承载列的载荷分布角度φ1为±90°，两列轴承中次要承载列的载荷分布角度φ2为±90°。
优选的，所述步骤S1.5中轴承接触变形的分布为：
Figure BDA0003147186970000191
Figure BDA0003147186970000192
其中，δ1，i为两列轴承中主要承载列的第i个滚子的径向接触变形，i＝0时，δ1，0＝δ1max，δ1max为两列轴承中主要承载列的最大径向接触变形；δ2，j为两列轴承中次要承载列的第j个滚子的径向接触变形，j＝0时，δ2，0＝δ2max，δ2max为两列轴承中次要承载列的最大径向接触变形；l为滚子的有效长度；ψi为两列轴承中主要承载列的第i个滚子的位置角；ψj为两列轴承中次要承载列的第j个滚子的位置角。当计算得到的δ1，i或δ2，j小于0时，取δ1，i＝0，δ2，j＝0。
本发明的实施案例二中，由式(11)计算可得两列轴承中主要承载列的第i个滚子的径向接触变形δ1，i，其具体数值见表5。由式(12)计算可得两列轴承中次要承载列的第j个滚子的径向接触变形δ2，j，其的具体数值见表6。滚子分布及其位置角示意图可见图4，δ1，i和δ2，j在φ1和φ2上的分布曲线示意图见图3(b)。
表5
Figure BDA0003147186970000201
Figure BDA0003147186970000211
表6
滚子编号j 位置角ψ<sub>i</sub>(°) δ<sub>2，j</sub>计算值(mm) δ<sub>2，j</sub>最终值(mm)
0 0.00 0.018517 0.0186
1/-1 ±25.71 0.016684 0.0167
2/-2 ±51.43 0.011545 0.0116
3/-3 ±77.14 0.004121 0.0042
4/-4 ±102.86 -0.004121 0
5/-5 ±128.57 -0.011545 0
6/-6 ±154.29 -0.016684 0
7 180 -0.018517 0
由表5和表6可知δ1max为0.0186mm，δ2max为0.0186mm。
优选的，所述步骤S2加工时，轴承周向的加工范围由步骤S1.4计算得到的载荷分布角度φ1、φ2确定；轴承径向的加工深度由步骤S1.5计算得到的接触变形δ1，i和δ2，j确定；轴承轴向的加工宽度L为：
Lb＝0.1(B-2×Lg-b)
L＝Lg+Lb
其中，Lb为边缘加工宽度；B为轴承宽度；Lg为滚子长度；b为内圈挡边宽度。
本发明的实施案例二中，轴承的主要承载列的周向加工范围为±90°，次要承载列的周向加工范围为±90°；轴承的主要承载列的径向加工深度由表5中的δ1，i最终值确定，轴承的次要承载列的径向加工深度由表6中的δ2，j最终值确定；由式(13)和(14)可知轴承轴向的加工宽度为24.5mm。
优选的，所述步骤S3确定熔覆材料的组成时，在钴(Co)基自溶性合金粉末中加入氮化物合金粉末Si3N4，制成熔覆材料粉末。
优选的，所述步骤S4包括以下分步骤：
S4.1、对待熔覆区域表面进行加工，去除杂质；
S4.2、根据熔覆材料选取适合的激光器；
S4.3、对轴承外圈基体进行激光熔覆。
所述步骤S4.1、对待熔覆区域表面进行加工，用砂纸打磨光滑，在用无水乙醇和丙酮溶液洗去油污、铁锈等杂质，避免在熔覆过程中由于表面杂质产生熔覆层缺陷。
所述步骤S4.2选取激光器时应尽可能选择激光功率、光斑直径、扫描速度和送分速度可以在较大范围调节的激光器，使熔覆层获得更好的性能
本发明的实施案例二中，选取的激光器为IPG公司的YLS-4000光纤激光器，以同轴送粉形式进行送粉，用氩气对熔覆层进行保护，相关参数如下所示：
激光功率：2000W，可在400W-4000W间调整；
光斑直径：2mm，可在0mm-8mm调整；
扫描速度：480mm/min，可调整；
送粉速度：13g/min，可调整。
优选的，所述步骤S4.3的激光熔覆加工路线为：
轴承承受径向载荷和轴向载荷的联合载荷时，主承载列的最大接触变形δ1max大于次承载列的最大接触变形δ2max，先从主承载列最大接触变形处向两侧接触变形逐渐减小区域进行加工。经过一段时间的加工后，主承载列的深度和次承载列的深度相等时，此时主次承载列同时进行加工，依旧按照从最大接触变形处向两侧接触变形逐渐减小区域进行加工。
轴承承受轴向载荷时，主承载列的最大接触变形δ1max等于次承载列的最大接触变形δ2max，从最大接触变形处向两侧接触变形逐渐减小区域进行加工。
采用上述激光熔覆加工路线，可以很大程度上避免使用激光熔覆技术加工非平面时，熔化的液态金属在重力的作用下沿轴承外圈内表面向下流动，导致的熔覆层厚度不均匀。
本发明的实施案例二中，主/次承载列同时进行加工，从最大接触变形处，δ1max＝δ2max＝0.0186mm，即主/次承载列的0号滚子处，向两侧接触变形逐渐减小区域进行加工。
为了确定滚动轴承经过本发明处理后，轴承的承载能力、耐磨和抗疲劳性能，对其进行了疲劳寿命对比实验。
轴承型号：22317，为具体实施案例一和具体实施案例二的计算轴承；
轴承疲劳寿命实验机：ABLT-2；
轴承受载：径向载荷为89KN，轴向载荷为22.25KN，即具体实施案例一的受载情况；
转速：4500r/min
进行实验时，工况加载至额定工况之后，读取当前的振动有效值。然后，以3倍初始有效值为最大值，设置当振动有效值达到3倍初始有效值时，实验自动停止。
1号轴承：轴承外圈没有进行任何处理，133h后实验停止。
2号轴承：轴承外圈进行电镀处理后，150h后实验停止。
电镀工艺流程：轴承外圈化学除油，并进行超声波脱脂干净后，进行常规酸洗。酸洗完成后阳极浸蚀，再转入阴极进行电镀铬，镀层厚度为0.0266mm。电镀完成后对轴承外圈内表面进行打磨抛光等加工，加工至尺寸要求。
3号轴承：轴承外圈内表面进行喷涂处理后，148h后实验停止。
喷涂工艺流程：按照实施案例一加工得到轴承外圈基体，对其进行爆炸喷涂，涂层材料为WC，喷涂完成后对轴承外圈内表面进行打磨抛光等加工，加工至尺寸要求。
4号轴承：轴承外圈内表面进行激光熔覆处理后，165h后实验停止。
对轴承外圈整个外表面和内表面均进行激光熔覆，熔覆层厚度为0.0266mm。
5号轴承：轴承外圈内表面进行激光熔覆处理后，165h后实验停止。
对轴承外圈整个内表面进行激光熔覆，熔覆层厚度为0.0266mm。
6号轴承：轴承外圈内表面进行激光熔覆处理后，160h后实验停止。
激光熔覆的具体流程按照实施案例一进行加工和处理。
实验的对比分析：
2号轴承的电镀技术，受限于加工方法的限制，只能对轴承外圈整体进行电镀处理，镀层均匀分布在整个轴承外圈上(内表面、外表面及外圈端面)，且镀层厚度相同无法改变。而轴承钢电镀时基体金属和金属镀层之间常因存在非金属的夹层(硅、磷、硫的偏析，表面不能完全活化)，难以形成连续的晶核结构，极易造成镀层起泡或脱落等结合不良的缺陷。
3号轴承的爆炸喷涂技术，当应力幅较低，疲劳寿命较高时，可以提高轴承外圈内表面的疲劳强度，但是会使轴承钢的疲劳寿命缩短、抗疲劳性能降低。
使用4、5、6号轴承的激光熔覆技术，可以避免电镀技术的镀层与基体材料结合不牢固、浪费材料、工艺相对复杂等缺陷；也可以避免爆炸喷涂技术的工件热变形相对较大、熔覆材料选取范围相对单一，且涂层不好根据轴承实际工作环境要求和所需性能设计成分等缺陷。
对比2号轴承和4号轴承可以发现，镀层厚度与熔覆层厚度相同且加工位置相同时，激光熔覆处理的轴承比电镀处理的轴承的疲劳寿命更长。
对比3号轴承和6号轴承可以发现，涂层厚度与熔覆层厚度相同且加工位置相同时，激光熔覆处理的轴承比喷涂处理的轴承的疲劳寿命更长。
对比4号轴承和5号轴承可以发现，轴承外圈整个外表面和内表面均进行激光熔覆和只对整个内表面进行激光熔覆，二者的疲劳寿命相同，但4号轴承消耗的材料是5号轴承的两倍。
对比5号轴承和6号轴承可以发现，5号轴承的疲劳寿命比6号轴承的疲劳寿命长3.03％，但相应使用了更多的材料。5号轴承的主要承载列使用的材料是6号轴承的主要承载列的2.34倍，5号轴承的次要承载列使用的材料是6号轴承的次要承载列的15.97倍。
综上所述，4、5、6号轴承使用的激光熔覆技术比2号轴承使用的电镀技术和3号轴承使用的爆炸喷涂技术更加适用于轴承外圈内表面的处理，且采用本文技术得到的轴承综合性能更好。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种滚动轴承外圈的制造方法，包括如下步骤：
S1、将轴承的尺寸参数和工作的受载情况计算得到轴承外圈接触变形的分布趋势；
S2、根据步骤S1得到的接触变形分布趋势对轴承外圈基体进行加工；
S3、根据轴承实际工作环境要求和所需性能设计熔覆材料的组成成分；
S4、对步骤S2加工完成的轴承外圈基体进行激光熔覆；
S5、对步骤S4加工完成的熔覆内表面加工至装配要求。
2.根据权利要求1所述的一种滚动轴承外圈的制造方法，其特征在于对所述外圈基体进行激光熔覆前对待熔覆区域表面进行加工，去除杂质；优选地，所述加工是用砂纸打磨光滑，再用无水乙醇和丙酮溶液洗去油污、铁锈杂质。
3.根据权利要求1所述的一种滚动轴承外圈的制造方法，其特征在于，所述熔覆材料的组成成分优选在钴(Co)基自溶性合金粉末中加入氮化物合金粉末Si3N4。
4.根据权利要求1所述的一种滚动轴承外圈的制造方法，其特征在于所述步骤S4中选取激光器的激光功率为400W-4000W，光斑直径为0mm-8mm调整，扫描速度为200-600mm/min，送粉速度为5-20g/min。
5.根据权利要求1所述的一种滚动轴承外圈的制造方法，其特征在于所述步骤S4的激光熔覆过程中以同轴送粉形式进行送粉，用氩气对熔覆层进行保护。
6.根据权利要求1所述的一种滚动轴承外圈的制造方法，其特征在于轴承承受径向载荷和轴向载荷的联合载荷时，主承载列的最大接触变形大于次承载列的最大接触变形，所述步骤S4中激光熔覆加工路线为先从主承载列最大接触变形处向两侧接触变形逐渐减小区域进行加工；经过一段时间的加工后，主承载列的深度和次承载列的深度相等时，此时主次承载列同时进行加工，依旧按照从最大接触变形处向两侧接触变形逐渐减小区域进行加工。
7.根据权利要求1所述的一种滚动轴承外圈的制造方法，其特征在于轴承承受轴向载荷时，主承载列的最大接触变形等于次承载列的最大接触变形，所述步骤S4中激光熔覆加工路线为从最大接触变形处向两侧接触变形逐渐减小区域进行加工。
8.根据权利要求1所述的一种滚动轴承外圈的制造方法，其特征在于所述步骤S1包括以下分步骤：
S1.1、根据轴承工作时的受载的情况进行计算，得到参数值a；
S1.2、根据步骤S1.1得到的参数值a，计算得到轴承的载荷分布系数、载荷积分和法向载荷比值；
S1.3、根据轴承不同的受载情况计算出滚子与滚道间最大法向载荷；
S1.4、根据步骤S1.2、步骤S1.3得到轴承的载荷分布角度；
S1.5、根据步骤S1.3、步骤S1.4得到轴承接触变形的分布。
9.根据权利要求8所述的一种滚动轴承外圈的制造方法，其特征在于所述步骤S2加工时，轴承周向的加工范围由步骤S1.4计算得到的载荷分布角度确定，轴承径向的加工深度由步骤S1.5计算得到的接触变形确定，轴承轴向的加工宽度L为：L＝Lg+Lb，Lb＝0.1(B-2×Lg-b)。
10.一种滚动轴承，其特征在于轴承外圈由权利要求1-9任一项所述的方法制造得到。
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