CN1812866A - 机械元件表面的处理方法 - Google Patents

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Abstract

一种处理诸如滚动元件轴承的滚道和/滚动元件等机械元件的表面的方法，包括如下步骤：使表面接受硬切削操作，以获得具有一系列交替的脊和沟槽的特定粗糙轮廓，在硬切削操作之后使表面接受球砑光操作，以压平粗糙轮廓的脊，由此获得小于5°的Δq值。

Description

机械元件表面的处理方法
技术领域
本发明涉及抛光机械元件高负载表面的领域。作为这种机械元件的一个例子，可以参考滚动元件轴承、凸轮轴和齿轮。这些元件通常得到润滑以至于提供例如轴承的滚珠和滚道之间所需要的分离。
背景技术
但是，由于近来的发展，这种机械元件的润滑情况似乎变得越来越不理想。润滑情况变差的首要原因是，为减小摩擦损失而降低润滑剂粘度的趋势。此外，出于降低维修费用的目的，还存在用脂润滑代替油润滑的趋势。两种趋势都倾向于减小工作过程中润滑剂的膜厚度。
这些发展已经提高了表面工程的重要性。具体地说，如轴承套圈的滚道的表面或滚动元件的表面应该以某种方式处理以至于在膜很薄的情况下也有可能延长工作寿命。高负载表面应该对局部的金属与金属接触具有很好的抵抗力以至于避免摩擦和/或磨损和/或微蚀。此外，应该避免磨合现象并且疲劳特性应该良好。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种用于满足这些需要的高负载表面的抛光处理。该目的通过一种处理诸如滚动元件轴承的滚道等机械元件的表面的方法来达到，包括如下步骤：
使该表面接受硬切削(hard turning)处理以至于获得具有一系列交替的脊和沟槽的特定粗糙轮廓，
在硬切削操作之后使该表面接受球砑光(ball calendering)操作以至于压平粗糙轮廓的脊，由此获得小于5°的Δq值。优选的是，获得的Δq值小于2°并且大于1°。
通过公知的硬切削操作，在最初的机加工操作中在表面上获得锯齿状轮廓。通过随后也公知的球砑光操作，所述锯齿状轮廓被压平。于是，尖峰通常获得大致相等的高度，这提供了通常为正弦形状且成比例的表面。同时，由球砑光操作引起的表面材料的压缩导致强化效应。
因此，根据本发明的方法适合于获得类正弦(sinusoidal-like)表面。与此同时，所述方法可包括以相同进给速度进行硬切削操作和球砑光操作的步骤。
进给切削工具的速度和进给球砑光工具的速度选择为相对于于机械元件的旋转速度而言是相等的。结果，假使由硬切削操作产生的锐利尖峰和凹谷被修平并且形成类正弦形状，那么通过硬切削操作获得的表面结构就得到很大程度的保持。
具体地说，根据本发明的方法可以包括如下步骤：
绕其一个轴线旋转机械元件，
平行于该轴线沿旋转机械元件的表面移动硬切削工具以进行切削操作，
选择硬切削工具移动速度与机械元件旋转速度之间的特定比值，
随后平行于该轴线沿旋转硬切削后的机械元件的表面移动球砑光工具以进行球砑光操作，
选择球砑光工具移动速度与进行切削操作时的机械元件旋转速度之间的特定比值，该比值和硬切削工具移动速度与进行切削操作时的机械元件旋转速度之间的特定比值相等。
因此，根据本发明的方法为所讨论的元件提供了大大改进的表面抛光。球砑光操作可以在单个生产运作中在硬切削操作之后直接进行，由此就发现了高效节省费用的操作。明显的是，如此获得的机械元件具有改进的表面下(sub-surface)应力分布，导致更好的抹擦、磨损和疲劳抵抗性。此外，磨合和分离特性也得到改进。实际上，这些特性看起来似乎与数学上(理论上的)光滑的表面大致一样。
优选的是，球砑光操作通过例如由氮化硅Si3N4构成的陶瓷球进行。所述球可以具有2至13mm的直径。由所述球施加于表面上的压力可以达到50至400巴的值。
获得的残余表面下压应力最大可以达到800MPa。具有压应力的区域可延伸直至表面以下500微米的深度。这些特性导致改进的抗疲劳性。
优选的是，应用一种球砑光工具，在该工具中球经过压力介质而被支承，所述压力介质的静压在50巴至400巴范围内。
附图说明
下面将进一步参考附图说明本发明。
图1显示了包括通过球砑光操作获得的粗糙度的降低与球砑光操作过程中施加的压力的关系的图。
图2和图3显示了分别以150和400巴压力采用6mm球对硬切削表面处理后表面高度的变化。
图4显示了光滑表面的理想赫兹压力分布的俯视图。
图5显示了根据本发明获得的表面的类似应力分布。
图6显示了赫兹接触中光滑表面的Von Mises应力场。
图7显示了通过根据本发明的方法获得的表面的类似图。
图8显示了作为球砑光操作过程中所应用的进给速度与相对寿命的关系。
图9显示了作为随后制造的测试盘的深度与残余应力的关系。
图10显示了球砑光操作之前和之后的残余应力。
图11显示了根据本发明的方法获得的硬切削表面的残余应力分布。
图12显示了在400巴的球砑光压力情况下获得的残余应力。
图13显示了硬切削表面的分离或剥离计算的结果。
图14显示了根据本发明的方法获得的表面的剥离计算。
图15显示了在采用根据本发明的处理获得的表面上和一个研磨表面上进行的磨合试验。
图16显示了磨损测试的结果。
具体实施方式
如前所述，本发明涉及抛光例如滚动元件轴承等的高负载表面的领域。在滚动元件和套圈表面之间的接触中存在赫兹接触。表1显示了陶瓷球在平坦钢表面上的简单赫兹接触计算值，其中球尺寸和压力变化。
表1
  3mm球   6mm球
  压力(巴)  Pmax(GPa)  Z0(μm)  Pmax(GPa)  Z0(μm)
  50  5.7  25  5.7  51
  100  7.2  32  7.2  64
  150  8.2  37  8.2  73
  200  9.0  40  9  81
  300  10.3  46  10.3  92
当最大接触应力Pmax达到1.8Y时塑性变形产生，其中Y是纯拉伸中的标准应力(use stress)。该表说明在光滑表面上的塑性变形将已经在50巴的压力下发生。因此在如此高的压力下任何粗糙度特征也必定将塑性变形。因此，球砑光操作已经在50巴的很低压力下通过塑性变形改变表面。
图1显示了压力对Ra值的影响。一个硬化钢盘接受通过6mm球和每转0.05mm的进给速度而进行的球砑光操作。球砑光压力从100变化至300巴。在球砑光操作之前和之后在实际上相同的点进行表面粗糙度测量。从图1可以清楚看到，Ra值降低大约20％至70％。
此外，已经在应用球砑光操作之前和之后对表面形貌的变化进行了研究。通过光学轮廓测定仪绘制出表面。图2显示了横贯运行方向的平均轮廓。测量值已经进行匹配以至于两种测量值共面。
图3显示了对于在球砑光操作中施加了400巴的压力的表面结构的相同组测量的结果。两幅图都显示了球砑光对真实表面高度具有影响。塑性变形减少了尖锐的锯齿结构，于是使其更平坦。结果，获得差不多为正弦形表面结构。应该注意到，已变形表面的表面高度的基准线已经选择为使得已变形和未变形表面在图3粗糙度的凹谷中相对应。
因此，理想硬切削的并随后球砑光的表面(下面也称为表面成比例化(proportioned)的和强化的(SPS)表面)具有纵向正弦微结构。已经针对这种表面对寿命的影响进行了研究，因为已经对这种理想化表面结构进行了计算。已经通过多栅格技术对表面和表面下应力进行了计算。对于光滑的表面和采用球砑光操作获得的理想化的表面结构，压力和表面下应力的例子示于图4和5(俯视图)以及图6和图7(剖视图)中。
此外，已经对疲劳寿命进行了计算，其计算结果示于表2中。
表2
  负载   粗糙度(微米)   L10(归一化处理)
  2.5GPa   光滑   0.000525
  Ra＝0.32   0.000773
  Ra＝0.64   0.000135
  2.0GPa   光滑   0.0210
  Ra＝0.032   0.0391
  Ra＝0.64   0.000429
  1.6GPa   光滑   1.00
  Ra＝0.32   0.792
  Ra＝0.64   0.00160
表2显示了涉及这种接触的轴承类的球砑光表面的寿命计算值，即在接触处球以最大赫兹应力分别为2.5、2.0和1.6GPa的方式被加载。从表2中可以清楚看到，粗糙表面的寿命大于相应的数学上光滑表面的寿命。
根据计算，已经很清楚，对于疲劳寿命降低的主要原因是由位于其表面下一定深度的结构的部分所引起。在应用球砑光操作之后，由过度滚压产生失效的危险仅在位于表面下相对较小深度处更高。这一点从图7中可以清楚看到。所述图7显示了由球所施加的负载主要由波峰脊(asperity ridge)承载。这里，应力比图6中所示结构的光滑实施例高出很多。因此，在根据图7的球砑光的表面中，接近表面的表面下应力更高，这将引起疲劳寿命降低。凹谷中的压力经常为零。这并不奇怪，因为表面基准在表面处和就在表面下产生应力，这通常导致寿命降低。
在硬切削并随后球砑光的SPS表面的情况下，该影响受到如下事实的限制，即赫兹应力分布上的应力扰动非常成比例。因此，没有特别高的压力存在。粗糙峰都显示出相同高度并且负载很好地分布在所有波峰脊上。这导致SPS表面的减弱寿命降低。
在表面下更大深度，疲劳累积(fatigue integral)对SPS表面显示出与图6中表面相比更小的值，如图7中所示。因此，SPS表面的寿命将得到延长。所讨论的更小的值由SPS表面的表观接触面积的扩大所引起。该表观接触面积不得不为通过所述脊承载的负载的表面而增加，以实现负载和应力与接触面积乘积之间的平衡。因此，表面下应力得以降低，这示于表3和图8中。
表3
  负载c(GPa)   负载(N)   粗糙度μm   真实面积mm2   表观面积mm2
  2.5   664.7   Ra＝0   0.164   0.164
  664.7   Ra＝0.32   0.0995   0.174
  664.7   Ra＝0.64   0.0673   0.177
  2.0   340.3   Ra＝0   0.256   0.256
  340.3   Ra＝0.32   0.187   0.300
  340.3   Ra＝0.64   0.118   0.311
  1.6   174.2   Ra＝0   0.400   0.400
  174.2   Ra＝0.32   0.330   0.393
  174.2   Ra＝0.64   0.203   0.493
  表3，所有计算实例的接触面积在(513×513节点)栅格上进行计算。
图8显示了对于三个不同负载水平的表面的Δq值的函数绘制的真实和表观表面面积。可以看出，轴承寿命L10是波峰斜度的函数。各Δq值对应于25、50和100微米每秒的进给速度。表观接触面积通过增加粗糙度而增加。另一方面，真实接触面积通过增加粗糙度而降低(另外参见图4和图5)。通过增加粗糙度，从这些数值上可以看出波峰脊承受负载。结果，真实接触面积将降低。疲劳寿命计算值表明这两种影响差不多平衡。结果，高负载理想SPS表面的疲劳寿命等于或者稍高于数学上光滑的表面。对于更小的负载，寿命甚至显著增加。
另外很清楚，该影响不会对所有SPS表面产生。如果表面斜度(Δq值)太高，SPS表面也显示出轴承寿命L10上的降低。
现在关注如下现象，即微塑性变形改变表面下残余应力场并且影响疲劳寿命。在SPS表面的情况下，存在两种影响残余应力场的作用：硬切削操作和球砑光操作。硬切削可能产生拉或压应力，然而球砑光操作只产生压应力。最终的应力级别是两种处理组合的结果。对于单种处理和两种处理组合的测量值示于图9中。
图9显示了在十个盘上进行测试的结果，从而研究工具磨损对残余应力发展的影响。该图显示了从第一个、第五个和第十个盘获得的残余应力。该图清楚地显示了工具磨损对残余应力发展的影响。工具磨损引起表面附近的拉应力。因此，建议尽可能使用新工具刀头。
图10显示了仅仅通过球砑光操作引起的残余应力级别的影响。一个在热处理之后仅仅轻度抛光的新表面已经接受球砑光操作。结果表明残余应力在直到100微米的深度处已经变成压应力。
图11显示了随后已经接受球砑光操作的硬切削表面的残余应力分布。其中使用了贝氏体(Bainitec)硬化钢和新的硬切削工具。尽管SPS处理稍微影响表面，但是，主要作用是在表面以下很深的区域。该试验表明球砑光操作不仅改变表面附近的应力级别，而且对表面以下更深处的应力级别也有主要作用。应力级别可受到压力、进给速度和球尺寸的影响。图12中显示了一个例子，其中施加了非常高的压力。残余应力在整个深度上都非常高。
此外，已经对采用SPS处理制造的圆盘对剥离(lift-off)速度进行了计算。剥离速度是建立完全分离的润滑膜所需的最小速度。它被用于确定润滑接触中的表面性能。良好的表面抛光具有很低的剥离速度，这意味着该表面能够在已经很低的旋转速度下建立膜。
已经在大致相同的点在球砑光操作之前和刚刚处理之后使用轨迹中的基准测量值对剥离曲线进行了计算。结果示于图13和图14中，其中硬切削的表面结构标示为“HT”，而球砑光的表面标示为“SPS”。图中表明对于各硬切削的表面，剥离速度并非恒定。在所有的情况中，球砑光操作已经降低了剥离速度。
磨合是粗糙度在轴承操作期间改变至实现完全分离的状态的处理。通常，在两个阶段之间进行区别：一个波峰塑性变形的阶段和一个轻度磨损阶段。
图15显示了两个磨合试验的结果。很清楚，研磨的表面显示了传统的磨合特性。开始，摩擦系数信号在初始的50分钟内快速变化，之后跟随的是轻度磨损阶段，此时摩擦系数信号以低于先前的速度变化。
SPS表面避开了第一阶段的塑性变形。这并不奇怪，因为该塑性变形实际上在球砑光操作中发生。因此，球砑光操作可以认为是磨合处理。
研磨的和SPS表面的性能的结果示于图16中。耐磨性涉及粘着磨损、抹擦、磨损或磨伤。这些现象通常在滑动操作情况下发生。为了了解滑动中的寿命表现，加速测试策略已经开展。
图16显示了进行得很好的超光滑测试表面(研磨Ra＝0.05)。润滑膜引起的完全分离导致很高的耐磨性。研磨成Ra＝0.2和研磨成Ra＝0.1的传统粗糙表面对于全部润滑剂和全部负载都显示出很差的性能。与这些研磨表面相比，尽管其基准很高，但SPS表面很显然表现得好很多。

Claims (12)

1、一种处理诸如滚动元件轴承的滚道和/或滚动元件等机械元件的表面的方法，包括如下步骤：
使该表面接受硬切削操作，以获得具有一系列交替的脊和沟槽的特定粗糙轮廓，
在硬切削操作之后使表面接受球砑光操作，以压平所述粗糙轮廓的脊，由此获得小于5°的Δq值。
2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，获得小于2°的Δq值。
3、根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，获得大于1°的Δq值。
4、根据前面权利要求中任一所述的方法，其特征在于，球砑光操作通过例如由氮化硅Si3N4构成的陶瓷球进行。
5、根据前面权利要求中任一所述的方法，其特征在于，所述球具有2至13mm的直径。
6、根据前面权利要求中任一所述的方法，其特征在于，由所述球施加于所述表面上的压力达到50至400巴的值。
7、根据前面权利要求中任一所述的方法，其特征在于，残余压应力最大达到800MPa。
8、根据前面权利要求中任一所述的方法，其特征在于，具有压应力的区域延伸直至表面以下500微米的深度。
9、根据前面权利要求中任一所述的方法，其特征在于，应用了一种球砑光工具，在该工具中球经过压力介质而被支承，所述压力介质的静压在50巴至400巴范围内。
10、根据前面权利要求中任一所述的方法，其特征在于，获得类正弦表面。
11、根据前面权利要求中任一所述的方法，包括以相同进给速度进行硬切削操作和球砑光操作的步骤。
12、一种根据本发明的方法，包括如下步骤：
绕其一个轴线旋转机械元件，
平行于该轴线沿旋转着的机械元件的表面移动硬切削工具以进行切削操作，
选择硬切削工具移动速度与机械元件旋转速度之间的特定比值，
随后平行于该轴线沿旋转着的硬切削后的机械元件的表面移动球砑光工具以进行球砑光操作，
选择球砑光工具移动速度与进行切削操作时的机械元件旋转速度之间的特定比值，该比值和硬切削工具移动速度与进行切削操作时的机械元件旋转速度之间的特定比值相等。
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