一种内外圈滚道表面带有微织构的滚子轴承及其加工方法

摘要

本发明公开一种内外圈滚道表面带有微织构的滚子轴承及其加工方法，轴承包括轴承内圈、轴承外圈和滚动体，轴承内圈的滚道表面和轴承外圈的滚道表面均设有强化研磨层，强化研磨层的表面设有微织构结构；微织构结构包括多个沿着圆周方向均匀排列的竖条形沟槽，所述竖条形沟槽的深度为3～4μm，相邻两沟槽的距离为20～40μm。加工方法为加工出轴承内圈毛坯和轴承外圈毛坯，对轴承内圈毛坯的滚道表面和轴承外圈毛坯的滚道表面进行强化研磨加工，得到符合设计尺寸的轴承内圈和轴承外圈，再进行清洗；使用多轴联动激光加工系统进行快速激光铣削加工，制备微织构结构，使用超声波清洗轴承内圈的滚道表面和轴承外圈的滚道表面，再进行抛光。

说明书

技术领域

本发明涉及滚子轴承技术领域，特别涉及一种内外圈滚道表面带有微织构的滚子轴承及其加工方法。

背景技术

轴承是机械设备中的核心部件，严重的摩擦磨损现象不仅会降低自身使用寿命，而且直接影响重大装备整体的运行安全性与服役寿命。其中，滚子轴承具有可承受负荷大、摩擦系数小等优点，适用于高速转动且径向受力大的场合，例如：高铁、矿山机械、纺织机械、钢铁和船舶等。

随着制造技术的不断提高，为了进一步优化轴承的各项物理性能，如承载能力、耐磨性能和摩擦系数，现有技术提出一种在工件上进行表面织构的加工方法，表面微织构技术是指使用特种加工方法在机械零件表面上加工出凹坑和凸起等微细结构以改善零件表面摩擦学性能的加工技术。例如，申请公布号为CN108571514A的发明专利公开了“一种用于径向滑动轴承的半椭圆形分布织构化表面”，该织构化表面呈椭圆形设置在滑动轴承上，以矩形网格阵列排布的圆坑织构为基础，有效增加摩擦配副的油膜厚度，减小油膜破裂而导致金属直接接触的可能性。

其中，上述表面结构整体为半椭圆形，位于轴承展开平面的入口，并非均匀排布在轴承的内圈和外圈上，其中圆形的凹坑呈矩阵列，半椭圆形织构分布，从轴承的润滑油液入口处开始呈收敛形式，可以有效地减少轴承周向边界附近织构对其油膜流体动压峰的限制作用，从而获得更高的流体动压力、更大的承载力和更小的摩擦系数。但是，上述表面织构结构不适合用于滚子轴承，也不能为滚子轴承带来提高润滑性能、抗载荷能力以及使用寿命等有益效果。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种内外圈滚道表面带有微织构的滚子轴承，该滚子轴承的滚道表面上开设有竖条形的微型沟槽，基于竖条形的微型沟槽，不仅可以有效提高自身的润滑性能和抗载荷能力，还能延长使用寿命。

本发明的另一目的在于提供一种内外圈滚道表面带有微织构的滚子轴承的加工方法。

本发明的技术方案为：一种内外圈滚道表面带有微织构的滚子轴承，包括轴承内圈、轴承外圈和设置在轴承内圈与轴承外圈之间的滚动体，所述轴承内圈的滚道表面和轴承外圈的滚道表面均设有强化研磨层，所述强化研磨层的表面设有微织构结构；所述微织构结构包括多个沿着圆周方向均匀排列的竖条形沟槽，所述竖条形沟槽延伸的方向与滚子轴承的轴向方向平行，所述竖条形沟槽的深度为3～4μm，相邻两沟槽的距离为20～40μm。

所述竖条形沟槽的横截面为V形。V形沟槽的角度α小于120°且大于0°，优选为60°。

所述竖条形沟槽的横截面为弧形，所述弧形为劣弧。其中，所述弧形可以为圆弧形、椭圆弧形、抛物线形或其他高次曲线弧形。

所述强化研磨层的厚度为0.15mm～0.25mm。

一种内外圈滚道表面带有微织构的滚子轴承的加工方法，包括以下步骤：

s1、根据滚子轴承的设计尺寸，加工出轴承内圈毛坯和轴承外圈毛坯，使轴承内圈毛坯的直径比设计尺寸的直径小0.15mm～0.25mm，轴承外圈毛坯的直径比设计尺寸的直径大0.15mm～0.25mm；

s2、对轴承内圈毛坯的滚道表面和轴承外圈毛坯的滚道表面进行强化研磨加工，得到符合设计尺寸的轴承内圈和轴承外圈，再对轴承内圈的滚道表面和轴承外圈的滚道表面进行清洗；

s3、使用多轴联动激光加工系统对轴承内圈的滚道表面和轴承外圈的滚道表面的强化研磨层进行快速激光铣削加工，制备微织构结构，所述微织构结构包括多个沿着圆周方向均匀排列的竖条形沟槽，所述竖条形沟槽的延伸方向与滚子轴承的轴向方向平行；

s4、使用超声波清洗轴承内圈的滚道表面和轴承外圈的滚道表面，再进行抛光。

步骤s2中，使用装有研磨料的强化研磨机并利用强化研磨气体对轴承内圈毛坯的滚道表面和轴承外圈毛坯的滚道表面进行强化研磨加工，所述研磨料包括研磨液、研磨粉、轴承钢丸的混合物，研磨料放入强化研磨机内。

所述研磨粉采用棕刚玉，所述轴承钢丸的直径为2mm，棕刚玉和轴承钢丸的质量比3:7～1:4；

所述研磨液的配方质量比为：苯甲酸钠2％、硼砂4％、脂肪醇聚氧乙烯醚5％、氢氧化钠1％、三乙醇胺5％、聚二甲基硅氧烷0.1％、水62％、乙二胺四乙酸二钠0.5％、苯并三氮唑0.4％、三乙胺醇硼酸酯20％；

所述强化研磨气体的配方体积比为：氦气10％、氮气70％、甲烷5％、一氧化碳2％、空气13％。

步骤s2中，强化研磨机的参数为：喷头直径为12mm，喷头与轴承内圈的滚道表面及轴承外圈的滚道表面距离均为45mm，轴承内圈和轴承外圈的转速为140r/min，喷头的喷射压力为0.6～0.8Mpa，喷头喷射时间为6～7min。

步骤s3中，多轴联动激光加工系统包括激光器和透镜，多轴联动激光加工系统的激光束的波长为532nm，调Q频率为5～15KHz，光束质量为M

步骤s3中，快速激光铣削加工轴承内圈的滚道表面和轴承外圈的滚道表面包括以下步骤：

ss1、将轴承内圈的滚道表面和轴承外圈的滚道表面进行抛光，并用硝酸酒精清洗后晾干；

ss2、将轴承内圈和轴承外圈分别定位夹紧，用激光束通过透镜聚焦照射在轴承内圈的滚道表面和轴承外圈的滚道表面，沿直线来回进行逐条竖条形沟槽的加工；

ss3、用超声波清洗轴承内圈和轴承外圈，并进行进一步抛光。

步骤ss2中，加工轴承内圈时，激光束垂直于轴承的轴向方向射出，通过透镜转向后聚焦在滚道表面上，加工轴承内圈的滚道表面包括以下步骤：

ss211、首先加工轴承内圈的滚道表面的上侧边缘处；

ss212、激光束沿着轴向方向加工至另一侧边缘处，完成一条竖条形沟槽；

ss213、轴承内圈顺时针或逆时针旋转

ss214、重复ss211～ss213步骤，轴承内圈每次的旋转方向相同，直至完成轴承内圈360°旋转，回到最初加工位置，加工结束。

步骤ss2中，加工轴承外圈时，在轴承外圈的中心处设有平面镜和透镜，平面镜与入射激光束呈45°夹角，激光束沿平行于轴承的轴向方向发射，通过平面镜反射后再经透镜聚焦在滚道表面上，加工轴承外圈的滚道表面包括以下步骤：

ss221、首先加工轴承外圈的滚道表面的一侧边缘处；

ss222、激光束沿着轴向方向加工至另一侧边缘处，完成一条竖条形沟槽；

ss223、轴承外圈顺时针或逆时针旋转

ss224、重复ss221～ss223步骤，轴承外圈每次的旋转方向相同，直至完成轴承外圈360°旋转，回到最初加工位置，加工结束。

上述滚子轴承的工作原理是：

工作时，滚动体在轴承内圈和轴承外圈之间滚动，轴承内圈的滚道表面和轴承外圈的滚道表面均设有强化研磨层，且强化研磨层上设有多个沿着圆周方向均匀排列的竖条形沟槽。由于强化研磨层具有很多优越的物理特性(刚度强度大、表面质量高)，在滚动的过程中，可以减少滚子轴承在运行过程中产生的磨屑磨粒，从而降低轴承磨损速率，而竖条形沟槽不仅可以储存润滑油，还能够容纳在转动过程中产生的磨粒，减少“三体磨损”现象的发生，从而提高滚子轴承的耐磨性能和抗疲劳能力。进一步，由于每个竖条形沟槽中装满润滑油，当滚动体的部分滚动部位进入前方的竖条形沟槽时，会将该竖条形沟槽中的部分润滑油挤出(溢出的润滑油的体积等于滚动体的部分滚动部位进入竖条形沟槽中的体积)，而且沿着滚动的方向，由于滚动体从该竖条形沟槽的后方滚进该竖条形沟槽中，亦即滚动体会对溢出的润滑油提供往前的推力，使得溢出的润滑油往前移动，从而进入下一个竖条形沟槽中，从而为下一个竖条形沟槽补充润滑油，使得下一个竖条形沟槽可以重复上述的滚动润滑，这样循环往复，可以长时间保证竖条形沟槽中有足够的润滑油，在不需要重新加入润滑油的情况下实现“二次润滑”。

另外，在传统的滚子轴承中，滚动体与轴承内圈或轴承外圈之间为单线接触，而本发明中的滚子轴承中，滚动体与轴承内圈或轴承外圈之间为双线接触，亦即两个支撑部位对滚动体进行支撑，从而可以有效地提高轴承的抗载荷能力。

本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：

本发明能够使得轴承在工作状态下，在滚道表面形成流体动压润滑，当滚子轴承运动时，润滑油进入工作区，建立一定的油压支撑外载荷，形成油膜，保护工作面，减少摩擦系数，从而降低磨损延长使用寿命；滚道表面上开设有竖条形的微型沟槽，基于竖条形的微型沟槽，不仅可以有效提高自身的润滑性能和抗载荷能力，还能延长使用寿命。

本发明的滚子轴承中，通过在内外滚道的表面设置强化研磨层，可以提高滚道的物理性能，增加其刚性以及强度等，减少滚子轴承在运行过程中产生的磨屑磨粒。

在强化研磨层的基础上，再设置微织构结构，该微织构结构包括多个均匀排布的竖条形沟槽，可以起到储油的作用，在滚动的过程中，滚动体沿着滚动的方向依次从均匀排布的竖条形沟槽的上方滚过，把后面沟槽里的润滑油挤压到前面的沟槽中，循环往复，可以长时间后保证沟槽中有足够的润滑油，改善润滑效果，在不需要重新加入润滑油的情况下实现“二次润滑”。

本发明的滚子轴承中的竖条形沟槽还能够容纳在转动过程中产生的磨粒，减少“三体磨损”现象的发生，从而提高滚子轴承的耐磨性能和抗疲劳能力。

本发明中的滚子轴承中，滚动体与轴承内圈或轴承外圈之间为双线接触，亦即两个支撑部位对滚动体进行支撑，从而可以有效地提高轴承的抗载荷能力。

本发明的两个滚道面上均为微型沟槽，这样可以增加纯滚动，防止滚子在滚道内打滑，有效避免滚道划伤。

附图说明

图1为本内外圈滚道表面带有微织构的滚子轴承的结构示意图，图中只示出一个滚动体。

图2为本内外圈滚道表面带有微织构的滚子轴承的主视图。

图3为图2的A向放大视图。

图4为滚子轴承的滚道基体的多层复合结构的示意图。

图5为竖条形沟槽的局部简图。

图6为竖条形沟槽的受力示意图。

图7为轴承内圈的滚道表面的激光加工示意图。

图8为轴承外圈的滚道表面的激光加工示意图。

图9为微沟槽的加工线路图，箭头方向为加工线路方向。

图10为内外圈滚道表面带有微织构的滚子轴承的加工方法流程图。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

其中，为便于查看，现统一说明附图标记：1为轴承内圈、2为轴承外圈、3为滚动体、4为竖条形沟槽、5为激光器、6为激光束、7为凸透镜、8为轴承内圈的滚道表面、9为工作台、10为轴承外圈的滚道表面、11为平面镜、a为表面微织构层、b为含残余应力喷射化学物理膜层、c为含残余应力的富氮表面强化层、d为轴承基体。其中α是V形沟槽的角度，h是V形沟槽的深度。其中F

本实施例一种内外圈滚道表面带有微织构的滚子轴承，如图1-3所示，包括轴承内圈、轴承外圈和设置在轴承内圈与轴承外圈之间的滚动体，所述轴承内圈的滚道表面和轴承外圈的滚道表面均设有强化研磨层，所述强化研磨层的表面设有微织构结构；所述微织构结构包括多个沿着圆周方向均匀排列的竖条形沟槽，所述竖条形沟槽延伸的方向与滚子轴承的轴向方向平行，所述竖条形沟槽的深度为3～4μm，相邻两沟槽的距离为20～40μm，所述强化研磨层的厚度为0.15mm～0.25mm。

所述竖条形沟槽的横截面为V形。V形沟槽的角度α为60°。

本实施例中的滚子轴承的工作原理是：

工作时，滚动体3在轴承内圈1和轴承外圈2之间滚动，由于轴承内圈1的滚道表面和轴承外圈2的滚道表面均设有强化研磨层，且强化研磨层上设有多个沿着圆周方向均匀排列的竖条形沟槽4。由于强化研磨层具有很多优越的物理特性，在滚动的过程中，可以减少滚子轴承在运行过程中产生的磨屑磨粒,从而降低轴承磨损速率，而竖条形沟槽4可以不仅可以储存润滑油，还能够容纳在转动过程中产生的磨粒，减少“三体磨损”现象的发生，从而提高滚子轴承的耐磨性能和抗疲劳能力。进一步，由于每个竖条形沟槽4中装满润滑油，当滚动体3的部分滚动部位进入前方的竖条形沟槽4时，会将该竖条形沟槽4中的部分润滑油挤出(溢出的润滑油的体积等于滚动体3的部分滚动部位进入竖条形沟槽4中的体积)，而且沿着滚动的方向，由于滚动体3从该竖条形沟槽4的后方滚进该竖条形沟槽4中，亦即滚动体3会对溢出的润滑油提供往前的推力，使得溢出的润滑油往前移动，从而进入下一个竖条形沟槽4中，从而为下一个竖条形沟槽4补充润滑油，使得下一个竖条形沟槽4可以重复上述的滚动润滑，这样循环往复，可以长时间保证竖条形沟槽4中有足够的润滑油，在不需要重新加入润滑油的情况下实现“二次润滑”。

另外，在传统的滚子轴承中，滚动体3与轴承内圈1或轴承外圈2之间为单线接触，而本发明中的滚子轴承中，滚动体3与轴承内圈1或轴承外圈2之间为双线接触，亦即两个支撑部位对滚动体3进行支撑，从而可以有效地提高轴承的抗载荷能力。

实施例2

本实施例一种内外圈滚道表面带有微织构的滚子轴承，与实施例1的不同之处在于，所述竖条形沟槽的横截面为弧形，所述弧形为劣弧，所述弧形为圆弧形、椭圆弧形、抛物线形或其他高次曲线弧形。

实施例3

本实施例一种内外圈滚道表面带有微织构的滚子轴承的加工方法，如图6-10所示，包括以下步骤：

s1、根据滚子轴承的设计尺寸，加工出轴承内圈毛坯和轴承外圈毛坯，使轴承内圈毛坯的直径比设计尺寸的直径小0.15mm～0.25mm，轴承外圈毛坯的直径比设计尺寸的直径大0.15mm～0.25mm；

s2、对轴承内圈毛坯的滚道表面和轴承外圈毛坯的滚道表面进行强化研磨加工，得到符合设计尺寸的轴承内圈和轴承外圈，再对轴承内圈的滚道表面和轴承外圈的滚道表面进行清洗；

s3、使用多轴联动激光加工系统对轴承内圈的滚道表面和轴承外圈的滚道表面的强化研磨层进行快速激光铣削加工，制备微织构结构，所述微织构结构包括多个沿着圆周方向均匀排列的竖条形沟槽，所述竖条形沟槽的延伸方向与滚子轴承的轴向方向平行；

s4、使用超声波清洗轴承内圈的滚道表面和轴承外圈的滚道表面，再进行抛光。

步骤s2中，使用装有研磨料的强化研磨机并利用强化研磨气体对轴承内圈毛坯的滚道表面和轴承外圈毛坯的滚道表面进行强化研磨加工，所述研磨料包括研磨液、研磨粉、轴承钢丸的混合物，研磨料放入强化研磨机内。

所述研磨粉采用棕刚玉，所述轴承钢丸的直径为2mm，棕刚玉和轴承钢丸的质量比3:7～1:4；

所述研磨液的配方质量比为：苯甲酸钠2％、硼砂4％、脂肪醇聚氧乙烯醚5％、氢氧化钠1％、三乙醇胺5％、聚二甲基硅氧烷0.1％、水62％、乙二胺四乙酸二钠0.5％、苯并三氮唑0.4％、三乙胺醇硼酸酯20％；

所述强化研磨气体的配方体积比为：氦气10％、氮气70％、甲烷5％、一氧化碳2％、空气13％。

步骤s2中，强化研磨机的参数为：喷头直径为12mm，喷头与轴承内圈的滚道表面及轴承外圈的滚道表面距离均为45mm，轴承内圈和轴承外圈的转速为140r/min，喷头的喷射压力为0.6～0.8Mpa，喷头喷射时间为6～7min。

步骤s3中，多轴联动激光加工系统包括激光器和透镜，多轴联动激光加工系统的激光束的波长为532nm，调Q频率为5～15KHz，光束质量为M

步骤s3中，快速激光铣削加工轴承内圈的滚道表面和轴承外圈的滚道表面包括以下步骤：

ss1、将轴承内圈的滚道表面和轴承外圈的滚道表面进行抛光，并用硝酸酒精清洗后晾干；

ss2、将轴承内圈和轴承外圈分别定位夹紧，用激光束通过透镜聚焦照射在轴承内圈的滚道表面和轴承外圈的滚道表面，沿直线来回进行逐条竖条形沟槽的加工；

ss3、用超声波清洗轴承内圈和轴承外圈，并进行进一步抛光。

步骤ss2中，加工轴承内圈时，激光束垂直于轴承的轴向方向射出，通过透镜转向后聚焦在滚道表面上，加工轴承内圈的滚道表面包括以下步骤：

ss211、首先加工轴承内圈的滚道表面的上侧边缘处；

ss212、激光束沿着轴向方向加工至另一侧边缘处，完成一条竖条形沟槽；

ss213、轴承内圈顺时针或逆时针旋转

ss214、重复ss211～ss213步骤，轴承内圈每次的旋转方向相同，直至完成轴承内圈360°旋转，回到最初加工位置，加工结束。

步骤ss2中，加工轴承外圈时，在轴承外圈的中心处设有平面镜和透镜，平面镜与入射激光束呈45°夹角，激光束沿平行于轴承的轴向方向发射，通过平面镜反射后再经透镜聚焦在滚道表面上，加工轴承外圈的滚道表面包括以下步骤：

ss221、首先加工轴承外圈的滚道表面的一侧边缘处；

ss222、激光束沿着轴向方向加工至另一侧边缘处，完成一条竖条形沟槽；

ss223、轴承外圈顺时针或逆时针旋转

ss224、重复ss221～ss223步骤，轴承外圈每次的旋转方向相同，直至完成轴承外圈360°旋转，回到最初加工位置，加工结束。

本实施例加工出来的滚子轴承内圈和轴承外圈，经检测表面：存在较好的微织沟和强化层表面，硬度值HRC63.9。

如上所述，便可较好地实现本发明，上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围；即凡依本发明内容所作的均等变化与修饰，都为本发明权利要求所要求保护的范围所涵盖。