PL240507B1 - Łożysko toczne walcowe dwurzędowe z elementami teksturowanymi laserowo - Google Patents

Description

PL 240 507 B1

Opis wynalazku

Przedmiotem zgłoszenia patentowego jest teksturowane łożysko toczne walcowe dwurzędowe z bieżnią pierścienia zewnętrznego, z dwoma bieżniami pierścienia wewnętrznego oraz elementami tocznymi.

Łożyska toczne należą do jednych z najważniejszych elementów maszyn. Dzięki prostocie swojej konstrukcji i zapewnieniu minimalnego tarcia między obracającymi się względem siebie elementami mechanizmów znalazły zastosowanie praktycznie we wszystkich gałęziach przemysłu. Różnorodność zastosowań łożysk tocznych wynikająca z konstrukcji węzłów i warunków pracy oraz stawianych przed łożyskami wymagań sprawiła, że istnieje szereg zróżnicowanych konstrukcji ww. łożysk.

Pierścienie i części toczne łożysk są wykonywane ze specjalnej niskostopowej stali chromowej charakteryzującej się wysoką czystością 1.3505 (100Cr6) lub 1.3520 (100CrMn6 -4) hartowanej (objętościowo). Konwencjonalna obróbka cieplna elementów łożyska walcowego ze stali łożyskowej polega na hartowaniu poszczególnych pierścieni wewnętrznych i pierścienia zewnętrznego oraz wałeczków łożyskowych poprzez wygrzewanie w specjalnyc h piecach z atmosferą ochronną lub próżniowych w zakresie temperatur od 800°C do 850°C, a następnie szybkim studzeniu z użyciem oleju i/lub powietrza, w następnej kolejności odpuszczaniu w zakresie temperatur od 200° C do 250°C, w celu uzyskania struktury martenzytycznej o wysokiej twardości wynoszącej ok. 59-64 HRc. Pierścienie i wałeczki po takiej obróbce cieplnej uzyskują wzrost własności wytrzymałościowych materiału (twardości, wytrzymałości, granicy plastyczności i sprężystości), co powoduje dużą odporność na zmęczenie materiałowe w czasie pracy łożyska w zamontowanym węźle konstrukcyjnym. Na łożyska poddawane silnym obciążeniom mechanicznym z przemiennym obciążeniem zginającym, stosuje się również stal do nawęglania. Pierścienie i elementy toczne są poddawane specjalnej obróbce cieplnej wcześniej opisanej, zapewniającej uzyskanie twardości w granicach 59-64 HRC oraz zapewniającej stabilizację wymiarów w temperaturach do 150°C. Na specjalne zamówienia łożyska mogą być przystosowane do pracy w wyższych temperaturach. W celu podniesienia własności trybologicznych węzła łożyskowego stosuje się teksturowanie laserowe, które ma zastosowanie dla łożysk tocznych walcowych. Łożyska toczne walcowe dwurzędowe posiadające teksturowane laserowo bieżnie współpracujące z elementami tocznymi wałeczkami, które charakteryzują się wysokimi właściwościami użytkowymi ze względu na występowanie tzw. „mikrozasobników smarowych” w których gromadzi się czynnik smarowy (np. olej, smar półpłynny), co w istotny sposób poprawia warunki pracy w węźle tribologicznym, głównie poprzez przeciwdziałanie zjawisku przerywania filmu smarnego, co korzystnie wpływa na zmniejszenie oporów ruchu (siły tarcia), zmniejszenie zużycia współpracujących powierzchni bieżni pierścieni i wałeczków, znacząc e ograniczenie procesów zacierania się powierzchni przy dużych zmiennych obciążeniach, co w efekcie końcowym minimalizuje zagrożenia związane z występowaniem procesów zużycia zmęczeniowego przez łuszczenie, tzw. „pitting”.

Tak wytworzone mikrozasobniki mają za zadanie gromadzić środek smarowy tak, aby skutecznie rozdzielić elementy skojarzenia bieżnia - wałeczek nie tylko czasie ustabilizowanej pracy, ale przede wszystkim podczas gwałtownych zmian obciążenia i prędkości obrotowej łożyska walcowego. Wytworzenie mikrozasobników ma na celu gromadzenie smaru stałego, co przy dynamicznych zmianach kinetyki ruchu elementów łożyska walcowego zapewnia dozowanie czynnika smarowego do strefy współpracy w strefie pierścień wewnętrzny - wałeczek pozwala na wytworzenie mikrofilmu smarowego, który zmniejsza współczynnik tarcia, a tym samym opory tarcia w łożysku.

Znany jest z chińskiego opisu patentowego CN 106925894 wynalazek, który ujawnia laserowy sposób mikroformowania do wytwarzania odpornej na korozję powierzchni łożyska. Najpierw na powierzchni ruchu względnego łożyska tocznego lub łożyska ślizgowego za pomocą maszyny do znakowania laserowego obrabia się mikropunkt lub mikrorowek. Obłożenie powierzchni w obudowie wynosi 10-30%; Stopień pokrycia powierzchni bieżni pierścieni oraz elementów tocznych obrobionego łożyska wynosi od 10-30%. W celu usunięcia mikrowypływki powstałej wokół mikrozasobników wytworzonych w procesie teksturowania laserowego stosuje się obróbkę powierzchniową wykańczającą, głównie polerowanie. Kolejną czynnością jest zanurzenie w roztworze kwasu stearynowego w etanolu, aby utworzyć monowarstwę na całej powierzchni łożyskowej.

Znany jest z chińskiego opisu CN 106523529A sposób wytwarzania odpornego na zużycie koszyka do łożyska tocznego, zawierającego koszyk wykonany za pomocą teksturowania laserowego. Problem został rozwiązany w ten sposób, że wykonanie odpornego na zużycie koszyka jako elementu

PL 240 507 B1 ustalającego kulki/lub wałeczki za pomocą teksturowania laserowego obejmuje dwa etapy: w pierwszym etapie następuje wykrywanie wad powierzchniowych koszyka, następnie w drugim etapie następuje usuwanie tych wad poprzez obróbkę chropowatych powierzchni okienek koszyka, które obrabia się za pomocą urządzenia z laserem o promieniowaniu ultrafioletowym o długości fali 355 nm z prędkością od 0,05 do 0,25 mm/s.

Znany jest z opisu patentowego US 2009232434 sposób modyfikacji powierzchni poprzez teksturowanie laserowe. Teksturowanie laserowe zastosowano do modyfikowania jednej lub więcej powierzchni (promieniowych lub cylindrycznych) dla dużego wiertła stożkowego maszyny kopalnianej. Dodatkowo teksturowanie laserowe przeprowadzono na powierzchniach bieżni pierścieni łożyska stożkowego. Teksturowanie laserowe powierzchni bieżni powodowało powstawanie mikrowgłębień, które zatrzymują dodatkowy środek smarowy pomocny w zmniejszeniu tarcia na obrzeżach bieżni pierścieni łożyska stożkowego podczas pracy wiertła. Zmniejszenie tarcia dotyczy powierzchni zarówno wiertła jak i powierzchni bieżni łożyska stożkowego przy zastosowaniu mieszanych trybów smarowania węzła łożyskowego z wiertłem.

Celem zgłoszenia patentowego jest opracowanie takiej konstrukcji łożyska walcowego dwurzędowego poprzez wytworzenie na współpracujących powierzchniach bieżni wewnętrznej oraz wałeczków łożysk tocznych tekstury geometrycznej w kształcie mikroczasz stanowiących tzw. „mikroczasze” na środek smarowy (np. olej, smar półpłynny, smar stały). Sposób wytworzenia kształtu geometrycznego oraz sposób rozmieszczenia „mikrozasobników” stanowi istotę zgłoszenia patentowego. Opisane wyżej „mikrozasobniki smarowe” wytwarzane są w powtarzalnym procesie ablacyjnej mikroobróbki laserowej z tzw. „efektem termicznym”. Powstałe mikrowypływki (tzw. „korona”) wokół wytworzonych „mikrozasobników smarowych” po zakończeniu wykonywania tekstury powierzchniowej usuwane są poprzez polerowanie mechaniczne.

W zgłoszeniu patentowym obejmującym wykonanie łożyska walcowego dwurzędowego posiadającego współpracujące bieżnie pierścieni wewnętrznych z wałeczkami walcowymi charakteryzuje się „mikrozasobnikami smarowymi” wytworzonymi w procesie ablacyjnego teksturowania laserowego powierzchni roboczych pierścieni wewnętrznych wałeczków tocznych realizowane przy gęstości mocy promieniowania 106 ^ 10¹¹ W/cm². W procesie tym powstaje wówczas plazma laserowa powodująca topnienie i częściowe odparowanie materiału łożyskowego. Generowana jest także fala ciśnienia, która powoduje ekstruzję ciekłego materiału do otoczenia, powodując wytwarzanie „mikrozasobników” określonym kształcie geometrycznym. Powstaje również wokół „mikrozasobnika smarowego” tzw. mikrawypływka (tzw. „korona”).

Dla wykonania takich „mikrozasobników smarowych” zastosowano stanowisko laserowe Nd: YAG o długości fali promieniowania laserowego λ = 1064 oraz Yb: YAG λ = 1070 nm, mocy 20-30 W, średnicy wiązki laserowej w zakresie 30-50 μm, częstość repetycji do 200 kHz, czas ekspozycji promieniowania laserowego 0,5-200 ns. Powierzchnie tworzących pierścieni wewnętrznych jak i tworzących wałeczków przed wykonaniem teksturowania należy szlifować i polerować, następnie pokryć absorbentem w postaci powłoki z czarnego tuszu lub grafitu koloidalnego. Wytworzone „mikrozasobniki” dla czynnika smarowego posiadają średnicę w zakresie 30-50 μm oraz głębokość od 0,5 μm do 10 μm.

Wytworzenie „mikrozasobników” o kształcie „mikroczaszy”, o kącie zejścia „a” i wysokości „h” wpływa na zmniejszenie podatności bieżni na występowanie złuszczeń. Rozmieszczenie i odległości pomiędzy „mikrozasobnikami” w kształcie półczaszy o kącie zejścia „a”, średnicy ok. 50 μm oraz głębokości w zakresie 0,5-10 μm przedstawiono na załączonych figurach wraz z zaznaczonymi różnymi odległościami między „mikrozasobnikami” oraz ich kolejnymi rzędami - opisywane „mikrozasobniki” występują na powierzchniach roboczych bieżni wewnętrznych pierścieni oraz na wałeczkach łożyska walcowego dwurzędowego.

Przedmiot zgłoszenia patentowego przedstawiono na rysunku na którym:

fig.1 - przedstawia przekrój poprzeczny łożyska walcowego dwurzędowego z zaznaczoną teksturą na powierzchni tworzącej bieżni pierścienia wewnętrznego;

fig.2 - przedstawia przekrój poprzeczny łożyska walcowego dwurzędowego z zaznaczoną teksturą na powierzchni tworzącej wałeczków walcowych;

fig.3 - przedstawia widok układu „mikrozasobników” smarowych I wariant tekstury;

fig.4 - przedstawia widok układu „mikrozasobników” smarowych II wariant tekstury;

fig.5 - przedstawia widok układu „mikrozasobników” smarowych III wariant tekstury;

fig.6 - przedstawia widok układu „mikrozasobników” smarowych IV wariant tekstury;

Claims (8)

1. PL 240 507 B1 fig.7 - przedstawia widok układu „mikrozasobników” smarowych V wariant tekstury;

   fig.8 - przedstawia przekrój poprzeczny „mikrozasobnika” po teksturowaniu.

   P r z y k ł a d wykonania I

   Łożysko walcowe dwurzędowe w przykładzie wykonania przedstawione na fig. 1 i fig. 2 stanowi pierścień zewnętrzny (1), pierścień uszczelniający (9), pierścień osadczy (7) pierścień zamykający (6), wałeczek walcowy (3) uszczelka VL (8), pierścień wewnętrzny (2), koszyk (4), pierścień prowadzący (5), laserowa tekstura (10) na powierzchni tworzącej bieżni pierścieni wewnętrznych (2) i wałeczków walcowych (3) wraz z „mikrozasobnikami” (11) smarowymi o kształcie „mikroczaszy” o kącie zejścia „α” i wysokości „h” i wybranym układzie pierwszego wariantu tekstury o odległościach rzędów a, 2a i a/2 przedstawionych na fig. 3.

   P r z y k ł a d wykonania II

   Łożysko walcowe dwurzędowe w przykładzie wykonania przedstawione na fig. 1 i fig. 2 stanowi pierścień zewnętrzny (1), pierścień uszczelniający (9), pierścień osadczy (7) pierścień zamykający (6), wałeczek walcowy (3) uszczelka VL (8), pierścień wewnętrzny (2), koszyk (4), pierścień prowadzący (5), laserowa tekstura (10) na powierzchni tworzącej bieżni pierścieni wewnętrznych (2) i wałeczków walcowych (3) wraz z „mikrozasobnikami” (11) smarowymi o kształcie „mikroczaszy” o kącie zejścia „α” i wysokości „h” w wybranym układzie drugiego wariantu tekstury o odległościach rzędów a, 2a i a/2 przedstawionych na fig. 4.

   P r z y k ł a d wykonania III

   Łożysko walcowe dwurzędowe w przykładzie wykonania przedstawione na fig. 1 i fig. 2 stanowi pierścień zewnętrzny (1), pierścień uszczelniający (9), pierścień osadczy (7) pierścień zamykający (6), wałeczek walcowy (3) uszczelka VL (8), pierścień wewnętrzny (2), koszyk (4), pierścień prowadzący (5), laserowa tekstura (10) na powierzchni tworzącej bieżni pierścieni wewnętrznych (2) i wałeczków walcowych (3) wraz z „mikrozasobnikami” (11) smarowymi o kształcie „mikroczaszy” o kącie zejścia „α” i wysokości „h” w wybranym układzie trzeciego wariantu tekstury o odległościach rzędów a, 2a i a/2 przedstawionych na fig. 5.

   P r z y k ł a d wykonania IV

   Łożysko walcowe dwurzędowe w przykładzie wykonania przedstawione na fig. 1 i fig. 2 stanowi pierścień zewnętrzny (1), pierścień uszczelniający (9), pierścień osadczy (7) pierścień zamykający (6), wałeczek walcowy (3) uszczelka VL (8), pierścień wewnętrzny (2), koszyk (4), pierścień prowadzący (5), laserowa tekstura (10) na powierzchni tworzącej bieżni pierścieni wewnętrznych (2) i wałeczków walcowych (3) wraz z „mikrozasobnikami” (11) smarowymi o kształcie „mikroczaszy” o kącie zejścia „α i wysokości „h” w wybranym układzie czwartego wariantu tekstury o odległościach rzędów a, 2a i a/2 przedstawionych na fig. 6.

   P r z y k ł a d wykonania V

   Łożysko walcowe dwurzędowe w przykładzie wykonania przedstawione na fig. 1 i fig. 2 stanowi pierścień zewnętrzny (1), pierścień uszczelniający (9), pierścień osadczy (7) pierścień zamykający (6), wałeczek walcowy (3) uszczelka VL (8), pierścień wewnętrzny (2), koszyk (4), pierścień prowadzący (5), laserowa tekstura (10) na powierzchni tworzącej bieżni pierścieni wewnętrznych (2) i wałeczków walcowych (3) wraz z „mikrozasobnikami” (11) smarowymi o kształcie „mikroczaszy” o kącie zejścia „α” i wysokości „h” w wybranym układzie piątego wariantu tekstury o odległościach rzędów a, 2a i a/2 przedstawionych na fig. 7.

   Zastrzeżenia patentowe

   1. Łożysko walcowe dwurzędowe posiadające pierścień zewnętrzny i dwa pierścienie wewnętrzne wraz z współpracującymi wałeczkami walcowymi na powierzchni roboczej bieżni pierścieni wewnętrznych i powierzchni roboczej wałeczków walcowych znamienne tym, że posiada wykonaną teksturę laserową w formie odpowiednio ukształtowanych i rozmieszczonych rzędów mikrozasobników wytworzonych w celu gromadzenia się czynnika smarowego posiadające kształt półczasz w zakresie średnic od 30 μm do 50 μm oraz głębokości od 0,5 do 10 μm przy czym mikroobróbkę laserową teksturowania realizowano przy gęstości mocy promieniowania 10⁶ ^ 10¹¹ W/cm² i wykonano długością promieniowania laserowego

   PL 240 507 B1 w zakresie λ = 1064-1070 nm przy czasie ekspozycji promieniowania laserowego nie dłuższym niż t = 200 ns.
2. 2. Łożysko walcowe dwurzędowe według zastrz. 1 znamienne tym, że stopień wypełnienia pokrycia powierzchni nośnej bieżni pierścieni wewnętrznych i wałeczków mikrozasobnikami o kształcie półczasz wynosi w granicach od 5 do 10%.
3. 3. Łożysko walcowe dwurzędowe, którego powierzchnie nośne pierścieni wewnętrznych i wałeczków walcowych z mikrozasobnikami o kształcie półczasz według zastrz. 1 i 2 znamienne tym, że przed wykonaniem ablacyjnego teksturowania laserowego powierzchnie nośne pokryte są absorbentem w postaci warstwy czarnego tuszu i/lub grafitem koloidalnym lub innym środkiem absorbującym promieniowanie laserowe.
4. 4. Łożysko walcowe dwurzędowe według zastrz. 1 i 2 znamienne tym, że układ pierwszego wariantu tekstury I mający mikrozasobniki (11) w kształcie półczaszy o kącie zejścia „α” i wysokości „h” i średnicy w zakresie 30-50 μm głębokości 0,5-10 μm posiada odległości między osiami mikrozasobników wynoszące 300 μm zaś odległość między kolejnymi ich rzędami wynosi 100 μm.
5. 5. Łożysko walcowe dwurzędowe według zastrz. 1 i 2 znamienne tym, że układ drugiego wariantu tekstury II mający mikrozasobniki (11) w kształcie półczaszy o kącie zejścia „a” i wysokości „h” o średnicy ok. 50 μm głębokości 1-10 μm posiada odległości między osiami mikrozasobników wynoszące 200 μm, zaś odległość między kolejnymi ich rzędami wynosi 200 μm.
6. 6. Łożysko walcowe dwurzędowe według zastrz. 1 i 2 znamienne tym, że układ trzeciego wariantu tekstury III mający mikrozasobniki (11) w kształcie półczaszy o kącie zejścia „a” i wysokości „h” średnicy ok. 50 μm i głębokości 1-10 μm posiada odległości między osiami mikrozasobników wynoszące 250 μm, zaś odległość między kolejnymi rzędami mikrozasobników wynosi 70 μm.
7. 7. Łożysko walcowe dwurzędowe według zastrz. 1 i 2 znamienne tym, że układ czwartego wariantu tekstury IV mający mikrozasobniki (11) w kształcie półczaszy o kącie zejścia „a” i wysokości „h” średnicy ok. 50 μm oraz głębokości 1-10 μm a także różnymi odległościami między mikrozasobnikami i kolejnymi ich rzędami, posiadają na swoich powierzchniach nośnych naprzemianległe wałeczki łożyska walcowego w ilości od 3 do 6 sztuk.
8. 8. Łożysko walcowe dwurzędowe według zastrz. 1 i 2 znamienne tym, że układ piątego wariantu tekstury V mający mikrozasobniki (11) w kształcie półczaszy o kącie zejścia „a” i wysokości „h” o średnicy ok. 50 μm głębokości 1-10 μm oraz różnymi odległościami między mikrozasobnikami i kolejnymi ich rzędami mają na swoich powierzchniach nośnych naprzemianległe wałeczki łożyska walcowego w ilości od 3 do 6 sztuk.