CN115383520B - 一种滚动轴承滚道内壁微织构加工装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种滚动轴承滚道内壁微织构加工装置及方法，涉及微织构加工领域，针对目前难以对狭小空间的弧形内壁进行微织构加工的问题，使用超声辅助下的磁力研磨技术对工件表面进行加工，随着套筒的旋转以及电磁铁的往复运动，磁性磨粒能透过薄膜上的通孔对滚动轴承外圈的内滚道做摩擦、挤压、翻滚运动，达到进行狭小空间内壁微织构加工的效果。

Description

一种滚动轴承滚道内壁微织构加工装置及方法

技术领域

本发明涉及微织构加工领域，具体涉及一种轴承内壁微织构加工装置及方法。

背景技术

滚动轴承是机械设备中的关键支撑件，当在大载荷、贫润滑等极端工况下运行时，极易引发滚动轴承接触表面磨损失效，甚至会影响机械装备整体的运行安全性与使用寿命。为了改变滚动轴承表面的摩擦学性能，现有研究学者提出将微织构技术引入滚动轴承结构设计中，即使用特种加工的方法在零件表面加工出凹坑和凸起等微细结构，通过设计合理的微织构布置在滚动轴承滚道主要承载区时，不仅可以有效提高滚动轴承自身的抗载荷能力和润滑性能，也可以有效延长滚动轴承的使用寿命。

但目前在摩擦副表面进行人工微造型的表面织构技术大多通过激光、电火花、电子束等加工方式实现，而对于轴承圈滚道内壁、筒内壁等处于狭小空间内的圆周面等弧形内表面，激光、电火花、电子束等加工设备难以探入此狭小空间内，设备本体与工件之间容易发生干涉，导致其活动范围受限，难以进行弧形内表面的微织构加工，尤其难以满足滚动轴承加工需求；目前还存在以滚压方式进行微织构加工的方式，但滚压头同样存在体积较大而难以探入滚动轴承内圈的问题，滚动轴承内圈与滚压头的有效接触区域有限，并且在加工过程中不便进行调节导致加工精度难以满足需求。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的缺陷，提供一种滚动轴承滚道内壁微织构加工装置及方法，使用超声辅助下的磁力研磨对工件内表面进行加工，随着套筒的旋转以及电磁铁的往复运动，磁性磨粒能透过薄膜上的通孔对滚动轴承外圈的内滚道做摩擦、挤压、翻滚运动，达到进行狭小空间内壁微织构加工的效果。

本发明的第一目的是提供一种滚动轴承滚道内壁微织构加工装置，采用以下方案：

包括套筒、回转机构、电磁铁和振动组件，套筒内同轴布置有筒状开孔膜，套筒内填充有磁性磨料；回转机构驱动套筒绕轴线回转，套筒下方设有电磁铁，以使磁作用穿过套筒吸附磁性磨料，使磁性磨料穿过开孔膜预设孔刷动套筒与开孔膜之间的工件；振动组件连接电磁铁，驱动电磁铁振动改变磁性磨料对工件的作用力和/或作用方向。

进一步地，所述套筒两端均分别通过夹具连接回转机构，开孔膜轴向两端分别连接夹具，套筒与开孔膜等角速度转动。

进一步地，所述开孔膜与套筒之间形成用于容纳待加工工件的环形腔，开孔膜上设有贯穿开孔膜侧壁的预设孔，预设孔尺寸与待加工微织构尺寸匹配。

进一步地，所述振动组件包括超声波换能器和变幅杆，超声波换能器输出端通过变幅杆连接电磁铁。

进一步地，所述回转机构、超声波换能器和电磁铁均接入控制器，控制器用于调节超声波换能器输出参数和电磁铁输入电流。

进一步地，所述变幅杆沿套筒径向布置，变幅杆驱动电磁铁相对于套筒沿套筒径向和/或垂直于径向运动。

进一步地，所述振动组件和回转机构均连接底座，振动组件通过往复移动机构安装于底座，回转机构通过支撑组件安装于底座。

进一步地，所述振动组件和回转机构均连接底座，振动组件通过往复移动机构安装于底座，回转机构通过支撑组件安装于底座。

本发明的第二目的是提供一种利用如第一目的所述滚动轴承滚道内壁微织构加工装置的加工方法，包括：

在套筒与开孔膜之间填装工件，多个工件沿套筒轴向依次布置，开孔膜内填充磁性磨料，套筒、开孔膜和工件能够同步转动；

回转机构驱动套筒转动，振动组件驱动电磁铁振动，电磁铁穿过套筒和工件对磁性磨料施加磁力作用；

磁性磨料在电磁铁作用下形成柔性的磁粒刷，穿过开孔膜预设孔贴附于工件；

在振动作用、回转运动、重力作用和磁力作用下，磁性磨料打磨预设孔位置的工件内壁，在工件内壁上形成微织构。

进一步地，调节回转速度、电磁铁参数、振动组件参数，改变磁性磨料对工件的加工参数。

与现有技术相比，本发明具有的优点和积极效果是：

(1)针对目前难以对狭小空间的弧形内壁进行微织构加工的问题，使用超声辅助下的磁力研磨技术对工件表面进行加工，随着套筒的旋转以及电磁铁的往复运动，磁性磨粒能透过薄膜上的通孔对滚动轴承外圈的内滚道做摩擦、挤压、翻滚运动，达到进行狭小空间内壁微织构加工的效果。

(2)填充于套筒内的磁性磨料能够在电磁铁作用下按需分布，磁性磨料能够沿电磁铁的磁场分布形成柔性的磁力刷，磁粒刷能够贴附在待加工的滚动轴承外圈内滚道及开孔膜表面，随着套筒的旋转和电磁铁的运动，磁性磨料对滚动轴承外圈的内滚道做摩擦、挤压、翻滚运动，达到切削开孔膜预设孔位置对应的内滚道形成微织构凹槽的目的，降低弧形内壁加工微织构的难度，提高加工效率。

(3)开孔膜与套筒之间形成环形腔，环形腔内能够同时容纳多个待加工工件，同时实现多个工件的微织构加工，一次装夹加工后能够输出多个已加工工件，提高加工效率。

(4)采用电磁铁对磁性磨料施加作用力，通过改变输入电磁铁电流的大小来改变磁场强弱，从而引入磁场强度变化率按需调整磁性磨料作用力，促进磁性磨料切削刃的自我更新，改善研磨表面质量，磁场强度的改变可以使磁性磨粒对工件表面的压力也发生改变，以满足不同情况的加工需要。

(5)采用超声波换能器对电磁铁叠加一个竖直方向的高频振动，结合往复移动机构带动电磁铁的往复运动以及变幅杆，从而改变磁性磨粒对工件表面的瞬时压力，通过电磁铁以及超声波发生装置的综合作用可以提高磁力研磨加工效率和滚动轴承外圈内滚道表面的研磨质量。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例1或2中滚动轴承滚道内壁微织构加工装置整体结构示意图。

图2为本发明实施例1或2中套筒的展开示意图。

图3为本发明实施例1或2中夹具的结构示意图。

图4为本发明实施例1或2中振动组件的示意图。

图5为本发明实施例1或2中带有多种形状预设孔的开孔膜的展开示意图。

图6为本发明实施例1或2中加工微织构后的工件示意图。

图中，1-步进电机，2-夹具，3-套筒，4-电磁铁，5-变幅杆，6-换能器，7-支撑组件，8-丝杠，9-滑台，10-固定组件，11-控制器，12-导线，13-滑轨，14-联轴器，15-伺服电机，16-滚动轴承外圈，17-矩形凸起，18-环形凹槽，19-挡板，20-弹簧，21-键槽，22-开孔膜，23-通孔，24-微织构凹槽。

具体实施方式

实施例1

本发明的一个典型实施例中，如图1-图6所示，给出一种滚动轴承滚道内壁微织构加工装置。

如图1所示的滚动轴承滚道内壁微织构加工装置，能够对滚动轴承外圈内滚道等内壁呈弧形曲面的筒状工件进行微织构加工，使用超声辅助下的磁力研磨对工件内表面进行加工，随着套筒3的旋转以及电磁铁4的往复运动，磁性磨粒能透过开孔膜22上的通孔23对滚动轴承外圈16的内滚道做摩擦、挤压、翻滚运动，达到进行狭小空间内壁微织构加工的效果。

结合图1，滚动轴承滚道内壁微织构加工装置主要包括主轴旋转驱动组件、往复移动机构、支撑组件7、电磁铁4、超声波发生装置、固定组件10和控制系统。

其中，如图1，主轴旋转组件包括两台同型号步进电机1以及夹具2、套筒3，两台步进电机1作为转矩输出元件，通过夹具2驱动套筒3及内部工件转动，两台步进电机1安装在支撑组件7上且步进电机1的主轴相对；支撑组件7采用框架式结构，对步进电机1进行承载并保持步进电机1的位置。

套筒3通过夹具2与步进电机1的主轴相连，套筒3内沿轴向放置有多个整齐并排排列的工件，本实施例中，以滚动轴承外圈16为例，多个滚动轴承的外圈沿轴向依次排布，相邻滚动轴承外圈16的端面抵接贴合，排布后的滚动轴承外圈16共同形成适配套筒3的筒状结构，对滚动轴承外圈16的内滚道进行掩膜处理，掩膜采用如图5所示的带有预设孔的开孔膜22，开孔膜22上的预设孔为阵列分布的通孔23，通孔23的分布位置、尺寸与待加工的微织构位置、尺寸相匹配，开孔膜22弯曲呈筒状，布置在套筒3内后，在开孔膜22内放置磁性磨料。本实施例中，磁性磨料采磁性磨粒。

往复移动机构由伺服电机15、联轴器14、丝杠8、滑台9、滑轨13组成，放置于主轴旋转组件正下方；固定组件10通过螺栓与滑台9相连，用于固定超声发生装置的换能器6和变幅杆5，其中换能器6与控制器11通过导线12相连接，通过控制器11向换能器6供电及控制换能器6工作参数，变幅杆5与磁极向上的矩形电磁铁4连接。

可以理解的是，本实施例中，控制器11集成有超声波发生器，从而将接入的市电转化成与超声波换能器6适配的高频交流电信号，满足换能器的输出需求。

在本实施例中，套筒3具有一定刚度，内壁被一层橡胶薄膜完全覆盖，橡胶薄膜整体厚度较小，本实施例中橡胶薄膜的厚度为0.1mm，橡胶薄膜与套筒3内壁粘合。

套筒3内能够容纳并排排列的多个同型号同尺寸的滚动轴承外圈16，套筒3内径与滚动轴承外圈16外径相等。套筒3外表面两端各有两个轴对称的矩形凸起17，可嵌入夹具2的两个矩形凹槽，从而实现周向固定。

如图3所示，夹具2一端通过键槽21配合键实现键连接，从而将夹具2与步进电机1主轴连接和固定，夹具2与套筒3连接的一端设有环形凹槽18，同时设有与套筒3两端凸起相适配的矩形凹槽，矩形凹槽配合套筒3端部的矩形凸起17，使得套筒3能嵌入夹具2环形凹槽18中。

另外，夹具2与套筒3连接的一端中心部位设置有弹簧20和挡板19，挡板19直径与滚动轴承外圈16外径相等，使得并排排列的滚动轴承外圈16在加工过程中受到弹簧20的挤压作用，利用弹簧20挤压弹力限制滚筒轴承外圈16的轴向位移，避免滚动轴承相对于套筒3的位移和转动，保证加工过程中滚动轴承外圈16与套筒3的相对静止。

如图5所示，本实施例中的开孔膜22与待加工滚动轴承外圈16的内滚道紧密贴合，用于对滚动轴承内滚道进行掩膜处理。圆筒形的开孔膜22展开后为矩形，长度为滚动轴承外圈16轴向长度的倍数，在卷曲后形成薄壁筒状结构，根据需求配置开孔膜22的厚度，使通孔23位置能够供磁性磨料接触滚动轴承外圈16。

该开孔膜22的制作材料为石墨烯，具有较高的耐磨性和良好的弹性，开孔膜22上有阵列分布的通孔23，通孔23形状可为圆形、矩形、三角形，在加工时磁性磨粒可以穿过这些通孔23与滚动轴承外圈16内滚道接触进行研磨。在使用一定次数后，若开孔膜22表面被磨损的较为严重需更换新的开孔膜22。

本实施例中，如图1所示，往复移动机构由伺服电机15、联轴器14、丝杠8、滑台9、滑轨13组成，其中伺服电机15输出轴与联轴器14相连，联轴器14另一端与丝杠8相连接，滑台9安装在往复运动装置上，控制器11控制伺服电机15动作，伺服电机15带动滑台9沿滑轨13做往复水平运动，固定组件10通过螺栓固定在滑台9上。

超声波发生装置的变幅杆5、换能器6通过固定组件10固定在滑台9上，超声波发射器通过导线12连接换能器6，实现市电-高频交流电信号-高频振动信号的转化，选用直径25mm的变幅杆5，并将电磁铁4与变幅杆5粘合在一起使二者能够同步振动，振动信号通过变幅杆5放大后传递给电磁铁4，让电磁铁4在往复运动的同时有竖直方向的超声振动，从而改变磁性磨粒对工件表面瞬时挤压力。

可以理解的是，换能器6还可以对变幅杆5施加水平方向的振动，从而带动电磁铁4水平左右振动或前后振动。

固定组件10用于固定换能器6和变幅杆5，其底层分布有四个螺纹孔，通过螺栓与滑台9相连接，中间层板的中心位置有一个圆形通孔23，使换能器6恰好能穿过通孔23并通过自身的螺母和垫片进行固定。

电磁铁4与变幅杆5连接，处于套筒3正下方并且宽度与套筒3直径相等，磁极向上，电磁铁4与套筒3并非直接接触，二者间有一定间隙。电磁铁4所使用的铁磁体材料为软铁，在线圈圈数及铁磁体材料不变的情况下，可以通过改变电流大小来控制电磁铁4磁性的强弱，改变输入电磁铁4的电流大小可以引入磁场强度变化率,磁场强度的改变可以使磁性磨粒对工件表面的压力也发生改变，促进磨粒切削刃的自我更新,改善表面质量，可以满足不同情况的加工需要。

通过电磁铁4以及超声振动装置的综合作用可以提高磁力研磨加工效率和滚动轴承外圈16内滚道表面的研磨质量。通过改变特制开孔膜22上阵列分布通孔23的形状、尺寸、间距等，便可实现以上加工目的，如可使用矩形、三角形等形状的通孔23在加工件表面制造出条形凹槽以及三角形凹槽的微织构凹槽24。

实施例2

本发明的另一典型实施方式中，如图1-图6所示，给出一种滚动轴承滚道内壁微织构加工装置的加工方法。

利用如实施例1中的滚动轴承滚道内壁微织构加工装置，该加工方法包括：

在套筒3与开孔膜22之间填装工件，多个工件沿套筒3轴向依次布置，开孔膜22内填充磁性磨料，套筒3、开孔膜22和工件能够同步转动；

回转机构驱动套筒3转动，振动组件驱动电磁铁4振动，电磁铁4穿过套筒3和工件对磁性磨料施加磁力作用；

磁性磨料在电磁铁4作用下形成柔性的磁粒刷，穿过开孔膜22预设孔贴附于工件；

在振动作用、回转运动、重力作用和磁力作用下，磁性磨料打磨预设孔位置的工件内壁，在工件内壁上形成微织构凹槽24。

另外，通过调节回转速度、电磁铁4参数、振动组件参数，改变磁性磨料对工件的加工参数。

具体的，结合图1-图6及实施例1，该加工方法具体包括：

S1.将多个圆柱滚子滚动轴承外圈16并排放置于套筒3内，并对内滚道进行掩膜处理，即在内滚道放置具有阵列通孔23的圆柱形开孔膜22，使之完全贴合于滚动轴承外圈16内滚道表面，再将磁性磨粒放置于开孔膜22上，通过夹具2将开孔膜22和套筒3进行固定，使其同步转动，以上操作完成后使用夹具2将套筒3固定在步进电机1的主轴上。使用固定组件10将换能器6、变幅杆5与滑台9固定，将电磁铁4与变幅杆5连接。

S2.启动主轴旋转组件的两台步进电机1，使它们沿顺(逆)时针同步运转，并带动夹具2与套筒3旋转；启动超声波发生装置，通过超声波发射器和换能器6实现市电-高频交流电信号-高频振动信号的转化，并经变幅杆5将振动幅度放大后传递给电磁铁4；启动往复移动机构的伺服电机15，通过数控装置控制滑台9做水平往复运动，导程为套筒3内所有滚动轴承外圈16的宽度之和。

加工过程中，套筒3下方的电磁铁4散发出磁力线，在最内部的磁性磨粒能够沿着磁力线的方向形成柔性的磁粒刷，磁粒刷能够贴附在待加工的滚动轴承外圈16内滚道及特制开孔膜22表面，随着套筒3的旋转以及电磁铁4的往复运动，磁性磨粒能透过开孔膜22上的通孔23对滚动轴承外圈16的内滚道做摩擦、挤压、翻滚运动。

S3.通过改变输入电磁铁4电流的大小来改变磁场强弱，借此引入磁场强度变化率,磁场强度的改变可以使磁性磨粒对工件表面的压力也发生改变，促进磁性磨料切削刃的自我更新,改善研磨表面质量，以满足不同情况的加工需要。

同时，超声波发生装置使电磁铁4在往复运动的同时有一个竖直方向的高频振动，从而改变磁性磨粒对工件表面的瞬时压力，通过电磁铁4以及超声波发生装置的综合作用可以提高磁力研磨加工效率和工件表面的研磨质量。

S4.研磨一段时间后，将滚动轴承外圈16取出，对内滚道表面进行超声清洗。更换下一组滚动轴承内圈进行加工。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种滚动轴承滚道内壁微织构加工装置，其特征在于，包括套筒、回转机构、电磁铁和振动组件，套筒内同轴布置有筒状开孔膜，套筒内填充有磁性磨料；所述开孔膜与套筒之间形成用于容纳待加工工件的环形腔，开孔膜上设有贯穿开孔膜侧壁的预设孔；回转机构驱动套筒绕轴线回转，套筒下方设有电磁铁，以使电磁铁的磁力穿过套筒吸附磁性磨料，使磁性磨料穿过开孔膜预设孔刷动套筒与开孔膜之间的工件；振动组件连接电磁铁，驱动电磁铁振动改变磁性磨料对工件的作用力和/或作用方向；

所述套筒两端分别通过夹具连接回转机构，开孔膜轴向两端分别连接夹具，套筒与开孔膜等角速度转动；

开孔膜与待加工滚动轴承外圈的内滚道紧密贴合，用于对滚动轴承内滚道进行掩膜处理；

夹具与套筒连接的一端中心部位设置有弹簧和挡板，挡板直径与滚动轴承外圈外径相等，使得并排排列的滚动轴承外圈在加工过程中受到弹簧的挤压作用，利用弹簧挤压弹力限制滚筒轴承外圈的轴向位移，避免滚动轴承相对于套筒的位移和转动。

2.如权利要求1所述的滚动轴承滚道内壁微织构加工装置，其特征在于，预设孔尺寸与待加工微织构尺寸匹配。

3.如权利要求1所述的滚动轴承滚道内壁微织构加工装置，其特征在于，所述振动组件包括超声波换能器和变幅杆，超声波换能器输出端通过变幅杆连接电磁铁。

4.如权利要求3所述的滚动轴承滚道内壁微织构加工装置，其特征在于，所述回转机构、超声波换能器和电磁铁均接入控制器，控制器用于调节超声波换能器输出参数和电磁铁输入电流。

5.如权利要求3所述的滚动轴承滚道内壁微织构加工装置，其特征在于，所述变幅杆沿套筒径向布置，变幅杆驱动电磁铁相对于套筒沿套筒径向和/或垂直于径向运动。

6.如权利要求1所述的滚动轴承滚道内壁微织构加工装置，其特征在于，振动组件通过往复移动机构安装于底座，回转机构通过支撑组件安装于底座。

7.如权利要求6所述的滚动轴承滚道内壁微织构加工装置，其特征在于，所述往复移动机构包括滑台、导轨、丝杠和驱动机构，导轨沿圆筒轴向布置于底座，振动组件安装于滑台，滑台滑动连接导轨，丝杠配合滑台形成丝杠滑块机构，驱动机构连接丝杠。

8.一种如权利要求1-7任一项所述的滚动轴承滚道内壁微织构加工装置的加工方法，其特征在于，包括：

在套筒与开孔膜之间填装工件，多个工件沿套筒轴向依次布置，开孔膜内填充磁性磨料，套筒、开孔膜和工件能够同步转动；

回转机构驱动套筒转动，振动组件驱动电磁铁振动，电磁铁穿过套筒和工件对磁性磨料施加磁力作用；

磁性磨料在电磁铁作用下形成柔性的磁粒刷，穿过开孔膜预设孔贴附于工件；

在振动作用、回转运动、重力作用和磁力作用下，磁性磨料打磨预设孔位置的工件内壁，在工件内壁上形成微织构。

9.如权利要求8所述的加工方法，其特征在于，调节回转速度、电磁铁参数、振动组件参数，改变磁性磨料对工件的加工参数。