CN108746911A - 一种金刚石复合片径向轴承的制备装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种金刚石复合片径向轴承的制备装置，包括工装和加热感应圈；工装包括圆筒体，圆筒体用于套设于安装有金刚石复合片的轴承内圈的内侧或轴承外圈的外侧，圆筒体上开设有工作窗口，以露出至少一个金刚石复合片；加热感应圈包括相对的两个工作平面，两个工作平面由线材盘绕形成，且二者间的间距大于轴承内圈或轴承外圈的壁厚，以***金刚石复合片的内外两侧进行感应钎焊。采用上述制备装置，通过加热感应圈进行感应钎焊，能够有效地控制钎焊温度从而极大程度上减少了钎焊过程中金刚石的石墨化问题。加热感应圈设置工作平面并与工装的工作窗口配合对金刚石复合片进行局部加热，最大程度上优化了加工过程，使得钎焊的满焊率得到了保证。
Description
技术领域
本发明涉及轴承生产技术领域，更具体地说，涉及一种金刚石复合片径向轴承的制备装置，还涉及一种为完成该装置的工装和感应圈的设计。
背景技术
机械传动中的径向轴承要求轴承材料的表面具有高硬度、高耐磨、低摩擦系数，同时要求轴承的材料基体是调质后的合金钢以保证整体组件有足够的强度和韧性。金刚石是理想的轴承材料(即具有极高的硬度、极低的摩擦系数和极高的导热率)。
近年来，由于人造聚晶金刚石的快速发展，金刚石复合片(PDC)获得了广泛的应用。PDC是利用高温(高于1350℃)高压(高于5.0GPa)并在催化剂(钴，镍等)下将微米金刚石粉压制在预成型并具有一定界面设计的硬质合金基座上。高温高压烧结后的聚晶金刚石具有很强的金刚石炭-炭键结合。压制后的PDC经过EDM放电线切割加工，磨削和抛光最终成型。所以，PDC片一般由两部分组成：上表面是金刚石层一般是1-2毫米厚；基座是硬质合金。为了减少界面的制备过程中产生的应力和增加结合强度，通常会在金刚石与硬质合金基座之间设计添加过渡层。PDC片的这种复合体是将工作面的聚晶金刚石与具有一定强度和韧性的硬质合金基座形成一体。由于金刚石和大多数金属不润湿，PDC复合片的硬质合金基座提供了与整体工件其它部位结合连接的可能。
随着石油天然气行业油井挖掘对井下工具的要求日益增加，井下轴承不仅能够提供力或者力矩的有效传递，同时还要增加使用寿命。因此，PDC径向轴承在PDC推力轴承的广泛使用下拥有巨大的市场。PDC径向轴承通常在轴承外圈的内壁或内圈的外壁上通过钎焊固定PDC复合片。PDC复合片的钎焊有很多种，通常用的大多是火焰钎焊。氧乙炔火焰钎焊由于工艺简单，适用性很强而用在很多行业，比如在生产制造PDC钻头，井下的PDC扩孔器等等。其次是真空钎焊和感应钎焊。
PDC复合片钎焊的关键指标是钎焊温度的控制(比如低于750℃，从而减小聚晶金刚石层的石墨化)和满焊率(从而提供足够的复合片和载体界面结合强度)。氧乙炔火焰钎焊很难控制温度，极易造成过热，而且在单个PDC的焊接上存在操作上的困难。另外，火焰和金刚石层的直接接触极易诱发复合片表层金刚石的石墨化。因为设计和结构上的特征，真空钎焊对于PDC径向轴承是不合适的。
综上所述，如何有效地解决PDC复合片钎焊操作困难、焊接效果较差等问题，是目前本领域技术人员需要解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种金刚石复合片径向轴承的制备装置，该制备装置的结构设计可以有效地解决PDC复合片钎焊操作困难、焊接效果较差的问题。
为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种金刚石复合片径向轴承的制备装置，包括工装和加热感应圈；
所述工装包括圆筒体，所述圆筒体用于套设于安装有金刚石复合片的轴承内圈的内侧或轴承外圈的外侧，所述圆筒体上开设有工作窗口，以露出至少一个所述金刚石复合片；
所述加热感应圈包括相对的两个工作平面，两个所述工作平面由线材盘绕形成，且二者间的间距大于所述轴承内圈或所述轴承外圈的壁厚，以***所述金刚石复合片的内外两侧进行感应钎焊。
优选地，上述制备装置中，所述圆筒体具有沿轴向的开口，还包括紧固部件，所述紧固部件的两端分别与所述开口的两侧连接，且至少一端为可拆卸固定连接。
优选地，上述制备装置中，所述开口的至少一侧沿周向依次设置有多个连接部，所述紧固部件可选的与不同的所述连接部连接以调整所述圆筒体的周长，或者；
所述紧固部件的至少一端沿周向依次设置有多个连接部，所述开口的对应侧可选的与不同的所述连接部连接以调整所述圆筒体的周长。
优选地，上述制备装置中，所述开口两侧相对的开设有凹槽，所述凹槽形成所述工作窗口。
优选地，上述制备装置中，所述工作窗口的大小满足能够露出2-3个所述金刚石复合片。
优选地，上述制备装置中，所述圆筒体上沿径向的两侧分别固定连接有工作手柄。
优选地，上述制备装置中，所述加热感应圈还包括连接环，所述连接环将两个所述工作平面连接成一体，且所述连接环的环宽大于两所述工作平面间的间距。
优选地，上述制备装置中，所述连接环呈圆形。
优选地，上述制备装置中，所述工作平面为所述线材呈蛇形盘绕形成或所述线材呈螺旋盘绕形成。
优选地，上述制备装置中，还包括红外测温仪，所述红外测温仪的测温点位于所述金刚石复合片靠近钢体的一侧。
本发明提供的金刚石复合片径向轴承的制备装置包括工装和加热感应圈。其中，工装包括圆筒体，圆筒体用于套设在安装有金刚石复合片的轴承内圈的内侧或轴承外圈的外侧，圆筒体上开设有工作窗口，以露出至少一个金刚石复合片。加热感应圈包括相对的两个工作平面，两个工作平面由线材盘绕形成，且二者间的间距大于轴承内圈或轴承外圈的壁厚，以***金刚石复合片的内外两侧进行感应钎焊。
应用本发明提供的制备装置进行金刚石复合片径向轴承的钎焊时，将径向轴承钢体的盛放复合片的孔用超声波清洗干燥后，依次施加助焊膏，焊料片和金刚石复合片，而后将工装安装在工件上。当工件为轴承内圈，并在轴承内圈的外壁安装金刚石复合片时，则将圆筒体套设在轴承内圈外，以支撑金刚石复合片防止其掉落；当工件为轴承外圈，并在轴承外圈的内壁上安装金刚石复合片时，则将圆筒体套设在轴承外圈内，以支撑金刚石复合片防止其掉落。可以通过旋转工件使待钎焊的金刚石复合片位于工作窗口。将工件放置于钎焊台上，使工件的壁(即轴承壁)深入加热感应圈的两个工作平面中，且工作平面与工作窗口对应，从而使得待钎焊的金刚石复合片位于两工作平面内，以进行感应钎焊。当一个金刚石复合片钎焊完毕后，旋转工件到下一个需要焊接的金刚石复合片对应工作窗口，以对下一个金刚石复合片进行感应钎焊。如此重复直至完成所有金刚石复合片的钎焊，钎焊完毕后，冷却，清理得到完整工件。
采用上述制备装置，通过加热感应圈进行感应钎焊，能够充分利用感应钎焊的特征有效地控制钎焊温度从而极大程度上减少了钎焊过程中金刚石的石墨化问题。加热感应圈设置工作平面并与工装的工作窗口配合对金刚石复合片进行局部加热，最大程度上优化了加工过程，使得钎焊的满焊率得到了保证。同时由于满焊率的保证，其焊缝的结合强度更为一致且结合强度较高，有效提升了焊接效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一个具体实施例的制备装置的工装结构示意图；
图2为加热感应圈的一种结构示意图；
图3为加热感应圈的另一种结构示意图；
图4为焊缝的横截面组织结构图；
图5为焊缝的轴向剖面组织结构图。
附图中标记如下：
圆筒体11，工作窗口12，开口13，紧固部件14，工作手柄15；
工作平面21，连接环22。
具体实施方式
本发明实施例公开了一种金刚石复合片径向轴承的制备装置，以便于制备操作，提升焊接效果。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-图5，图1为本发明一个具体实施例的制备装置的工装结构示意图；图2为加热感应圈的一种结构示意图；图3为加热感应圈的另一种结构示意图；图4为焊缝的横截面组织结构图；图5为焊缝的轴向剖面组织结构图。
在一个具体实施例中，本发明提供的金刚石复合片径向轴承的制备装置包括工装和加热感应圈。
其中，工装包括圆筒体11，圆筒体11用于套设在安装有金刚石复合片的轴承内圈的内侧或轴承外圈的外侧，圆筒体11上开设有工作窗口12，以露出至少一个金刚石复合片。也就是圆筒体11可以为与轴承内圈配合的圆筒体11也可以为与轴承外圈配合的圆筒体11，或者工装包括不同的圆筒体11，可以分别与轴承内圈或轴承外圈配合。对于金刚石复合片径向轴承，其既可以在轴承内圈的外壁上固定金刚石复合片，也可以在轴承外圈的内壁上固定金刚石复合片，或者在轴承内圈的外壁和轴承外圈的内壁上均固定金刚石复合片，因而相应的设置圆筒体11，使其直径大小能够与轴承内圈或轴承外圈配合，以使得圆筒体11套设在安装有金刚石复合片的轴承内圈的内侧或轴承外圈的外侧，从而对金刚石复合片起到支撑作用，防止其掉落。
以圆筒体11与轴承内圈配合为例，圆筒体11的直径D可以设置为满足以下关系式：
D＝d+h+e
式中，d为轴承内圈的外径，h为金刚石复合片突出轴承内圈外壁的高度，e为调节偏差，一般在2-4mm。也就是圆筒体11套在轴承内圈外用于防止金刚石复合片掉落，但优选的其并不会对金刚石复合片挤压，以便于钎焊过程中轴承与工装将的相对转动。圆筒体11与轴承外圈配合的直径关系与上述类似，此处不再赘述。具体圆筒体11直径大小的设置，即与金刚石复合片间间隙大小的控制可根据需要设置。圆筒体11的厚度具体可以在1-3mm范围内。
圆筒体11上开设有工作窗口12，进而当圆筒体11套设在安装有金刚石复合片的轴承内圈的内侧或轴承外圈的外侧时，工件即轴承内圈或轴承外圈水平轴向旋转的过程中，工作窗口12处的金刚石复合片能够露出，以便于进行感应钎焊。工作窗口12的具体形状不做限定，其大小需大于至少一个金刚石复合片的大小，以能够将至少一个金刚石复合片露出。
加热感应圈包括相对的两个工作平面21，两个工作平面21由线材盘绕形成，且二者间的间距大于轴承内圈或轴承外圈的壁厚，以***金刚石复合片的内外两侧进行感应钎焊。即通过线材，如铜管等盘绕形成相对的两个工作面，感应钎焊时轴承内圈或轴承外圈的上壁***两个工作面之间，使得金刚石复合片正对于两个工作面之间，以进行感应钎焊。在金刚石复合片突出于轴承内圈或轴承外圈的情况下，则两工作平面21间的间距应大于工件壁厚加金刚石复合片突出轴承内圈或轴承外圈的高度。优选的，两工作平面21间的间距为轴承内圈或轴承外圈的壁厚与预设操作高度之和，具体预设操作高度一般为10mm作用，以在钎焊过程中辅助工具有操作空间。
应用本发明提供的制备装置进行金刚石复合片径向轴承的钎焊时，将径向轴承钢体的盛放复合片的孔用超声波清洗干燥后，依次施加助焊膏，焊料片和金刚石复合片，而后将工装安装在工件上。当工件为轴承内圈，并在轴承内圈的外壁安装金刚石复合片时，则将圆筒体11套设在轴承内圈外，以支撑金刚石复合片防止其掉落；当工件为轴承外圈，并在轴承外圈的内壁上安装金刚石复合片时，则将圆筒体11套设在轴承外圈内，以支撑金刚石复合片防止其掉落。可以通过旋转工件使待钎焊的金刚石复合片位于工作窗口12。将工件放置于钎焊台上，使工件的壁(即轴承壁)深入加热感应圈的两个工作平面21中，且工作平面21与工作窗口12对应，从而使得待钎焊的金刚石复合片位于两工作平面21内，以进行感应钎焊。当一个金刚石复合片钎焊完毕后，旋转工件到下一个需要焊接的金刚石复合片对应工作窗口12，且保证工作窗口12和需要焊接的金刚石复合片相对位置不变，以对下一个金刚石复合片进行感应钎焊。如此重复直至完成所有金刚石复合片的钎焊，钎焊完毕后，冷却，清理得到完整工件。
采用上述制备装置，通过加热感应圈进行感应钎焊，能够充分利用感应钎焊的特征有效地控制钎焊温度从而极大程度上减少了钎焊过程中金刚石的石墨化问题。加热感应圈设置工作平面21并与工装的工作窗口12配合对金刚石复合片进行局部加热，最大程度上优化了加工过程，使得钎焊的满焊率得到了保证。同时由于满焊率的保证，其焊缝的结合强度更为一致且结合强度较高，有效提升了焊接效果。
进一步地，圆筒体11具有沿轴向的开口13，还包括紧固部件14，紧固部件14的两端分别与开口13的两侧连接，且至少一端为可拆卸固定连接。也就是圆筒体11是由片状结构围成圆筒状，开口13处通过紧固部件14连接。且由于紧固部件14的至少一端与开口13的一侧可拆卸的固定连接，因而可以通过拆下紧固部件14打开圆筒体11，以便于将圆筒体11套设在轴承内圈的外部，再将紧固部件14与圆筒体11固定连接以形成直径固定的圆筒体11，从而有效支撑金刚石复合片。具体的，紧固部件14可以为片状连接件，片状连接件的一端与开口13的一侧通过焊接等方式固定连接，另一端与开口13的另一侧通过螺栓等可拆卸的方式固定连接。
更进一步地，开口13的至少一侧沿周向依次设置有多个连接部，紧固部件14可选的与不同的连接部连接以调整圆筒体11的周长，或者；紧固部件14的至少一端沿周向依次设置有多个连接部，开口13的对应侧可选的与不同的连接部连接以调整圆筒体11的周长。也就是通过多个连接部的设置，通过调整紧固部件14与开口13一侧的连接位置，调整圆筒体11的直径，也就是圆筒体11的周长，从而能够适应不同尺寸的轴承内圈或轴承外圈。需要说明的是，此处的多个指两个及两个以上。具体的，紧固部件14与开口13至少一侧螺栓连接时，则可以在开口13的至少一侧沿周向开设多个通孔或螺纹孔，也就是连接部为与螺栓配合的通孔或螺纹孔，紧固部件14通过螺栓与不同的通孔罗螺纹孔配合，从而调节圆筒体11的周长。或者，可以在紧固部件14的至少一端沿周向开设多个通孔或螺纹孔，也就是连接部为与螺栓配合的通孔或螺纹孔，开口13的对应侧通过螺栓与不同的通孔罗螺纹孔配合，从而调节圆筒体11的周长。或者，也可以在开口13的至少一侧沿周向开设多个通孔或螺纹孔，且紧固部件14的相应侧沿周向也开设有多个通孔或螺纹孔，进而通过螺栓与紧固部件14及开口13对应侧不同的通孔或螺纹孔的配合以调整圆筒体11的周长。以上说明了连接部为通孔或螺纹孔的形式，根据需要连接部也可以为卡扣等可拆卸的连接结构，此处不作具体限定。
具体的，开口13两侧相对的开设有凹槽，凹槽形成工作窗口12。也就是如图1所示的，圆筒体11上对应开口13左右两侧具有凹槽，从而形成工作窗口12，凹槽的宽度加之开口13的宽度决定了工作窗口12的宽度。优选的，工作窗口12可以开设于圆筒体11的一端，从而便于与加热感应圈配合进行感应钎焊。在该实施例中，开口13的至少一侧沿周向依次设置有多个连接部，紧固部件14可选的与不同的连接部连接以调整圆筒体11的周长，或者；紧固部件14的至少一端沿周向依次设置有多个连接部，开口13的对应侧可选的与不同的连接部连接以调整圆筒体11的周长。则调整圆筒体11的周长的同时也可以同步调整工作窗口12的宽度，以便于适应不同尺寸的轴承内圈或轴承外圈。
在上述各实施例中，工作窗口12的大小满足能够露出2-3个金刚石复合片。具体的，工作窗口12的轴向长度大于金刚石复合片的长度，工作窗口12的周向宽度大于2-3个金刚石复合片的总宽度，即各金刚石复合片本身的宽度与相邻两金刚石复合片之间的间距之和。当金刚石复合片为圆形时，则其宽度与长度均为直径。通过设置工作窗口12能够露出2-3个金刚石复合片，进而在一个金刚石复合片正对于加热感应圈相对的两个工作平面21间时，工作平面21对旁侧的金刚石复合片能够起到预热的作用，进一步提升感应钎焊的效率。
具体的，圆筒体11上沿径向的两侧分别固定连接有工作手柄15。通过工作手柄15便于对圆筒体11进行操作，如套设于轴承内圈外或轴承外圈内。具体工作手柄15可以呈L形，L形的一边与圆筒体11的内壁通过焊接等方式固定连接，L形的另一边则沿径向向外延伸。
在上述各实施例的基础上，加热感应圈还包括连接环22，连接环22将两个工作平面21连接成一体，且连接环22的环宽大于两工作平面21间的间距。也就是加热感应环由线材盘绕形成，具体可以通过一根线材依次盘绕形成工作平面21、连接环22及另一工作平面21。通过连接环22的设置，加热感应圈呈整体结构，便于加工及温度控制。且连接环22的环宽大于两工作平面21间的间距，进而连接环22的感应电流较小，感应温度较低，在工作平面21对金刚石复合片感应钎焊时，连接环22对其他金刚石复合片的影响较小。尤其是在轴承内圈或轴承外圈上布置有两圈及两圈以上的金刚石复合片时，在依次对内圈的各个金刚石复合片进行感应钎焊时，连接环22对外圈的各个金刚石复合片的影响较小，进一步提升了焊接质量。优选的，连接环22呈圆形，如图2和图3所示的两种加热感应圈，一根线材通过弯曲形成相对的两个工作平面21及连接环22，连接环22的平面与工作平面21垂直。
进一步地，工作平面21为线材呈蛇形盘绕形成或线材呈螺旋盘绕形成。也就是如图2所示，线材呈蛇形弯曲布置形成工作平面21，或者也可以如图3所示，线材呈螺旋弯曲布置形成工作平面21。优选的，两工作平面21对称设置，即两工作平面21内线材的走向是对称的。
在上述各实施例的基础上，还包括红外测温仪，红外测温仪的测温点位于金刚石复合片靠近钢体的一侧，以保证钎焊温度不致不过高以减小石墨化问题的同时，保证焊料充分熔化。对于内置的温度控制***，需要根据钎焊料的不同而设定钎焊温度。例如对于用BAg-24的焊料，把钎焊温度设定在720±10℃。
本申请的金刚石复合片径向轴承的制备装置，充分利用感应钎焊的特征有效地控制了钎焊温度从而极大程度上减少了钎焊过程中金刚石的石墨化问题。利用特别设计和制作的加热感应圈对工件进行局部加热，最大程度上优化了加工过程，使得钎焊的满焊率得到了保证。如图4和图5所示，图4为焊缝的横截面组织结构图；图5为焊缝的轴向剖面组织结构图。图4中左上为钢基体，右下为硬质合金。图5中左侧为钢基体，右侧为硬质合金。该制备装置在BAg-24的实践中因为满焊率的保证，其焊缝的结合强度在0.16毫米以内都是一致的，达到250兆帕以上。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种金刚石复合片径向轴承的制备装置，其特征在于，包括工装和加热感应圈；
所述工装包括圆筒体，所述圆筒体用于套设于安装有金刚石复合片的轴承内圈的内侧或轴承外圈的外侧，所述圆筒体上开设有工作窗口，以露出至少一个所述金刚石复合片；
所述加热感应圈包括相对的两个工作平面，两个所述工作平面由线材盘绕形成，且二者间的间距大于所述轴承内圈或所述轴承外圈的壁厚，以***所述金刚石复合片的内外两侧进行感应钎焊。
2.根据权利要求1所述的制备装置，其特征在于，所述圆筒体具有沿轴向的开口，还包括紧固部件，所述紧固部件的两端分别与所述开口的两侧连接，且至少一端为可拆卸固定连接。
3.根据权利要求2所述的制备装置，其特征在于，所述开口的至少一侧沿周向依次设置有多个连接部，所述紧固部件可选的与不同的所述连接部连接以调整所述圆筒体的周长，或者；
所述紧固部件的至少一端沿周向依次设置有多个连接部，所述开口的对应侧可选的与不同的所述连接部连接以调整所述圆筒体的周长。
4.根据权利要求3所述的制备装置，其特征在于，所述开口两侧相对的开设有凹槽，所述凹槽形成所述工作窗口。
5.根据权利要求1所述的制备装置，其特征在于，所述工作窗口的大小满足能够露出2-3个所述金刚石复合片。
6.根据权利要求1所述的制备装置，其特征在于，所述圆筒体上沿径向的两侧分别固定连接有工作手柄。
7.根据权利要求1-6任一项所述的制备装置，其特征在于，所述加热感应圈还包括连接环，所述连接环将两个所述工作平面连接成一体，且所述连接环的环宽大于两所述工作平面间的间距。
8.根据权利要求7所述的制备装置，其特征在于，所述连接环呈圆形。
9.根据权利要求7所述的制备装置，其特征在于，所述工作平面为所述线材呈蛇形盘绕形成或所述线材呈螺旋盘绕形成。
10.根据权利要求1-6任一项所述的制备装置，其特征在于，还包括红外测温仪，所述红外测温仪的测温点位于所述金刚石复合片靠近钢体的一侧。
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Denomination of invention: A preparation device for diamond composite radial bearings Effective date of registration: 20231226 Granted publication date: 20200918 Pledgee: Changsha Bank city branch of Limited by Share Ltd. Pledgor: SEED TECHNOLOGIES Corp.,Ltd. Registration number: Y2023980074149 |
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