CN111085943B - 一种应用于轴承套圈工作表面的装置及其喷丸强化方法 - Google Patents

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Abstract

一种应用于轴承套圈工作表面的装置及其喷丸强化方法，它涉及喷丸强化工装，发明目的，本发明对轴承工作表面进行喷丸强化，合理安排喷丸强化工艺流程，设计喷丸强化工装，优选喷丸强化参数，提高轴承套圈工作表面及次表面压应力，使轴承表面压应力大于700MPa，有效强化层深度大于0.15mm，进而提高轴承套圈工作表面抗疲劳强度，达到提升轴承使用寿命的目的。本发明应用于轴承领域。

Description

一种应用于轴承套圈工作表面的装置及其喷丸强化方法
技术领域
本发明涉及它涉及喷丸强化工装，具体涉及一种应用于轴承套圈工作表面的装置及其喷丸强化方法。
背景技术
作为航空发动机的核心部件之一，航空发动机转子***轴承既需要工作在高速、高温、重载、大工况波动等极为恶劣的工况条件下，又需要满足长寿命、高精度、高稳定性、高可靠性、抗断油、抗磨损等极苛刻性能指标要求。我国航空发动机主轴轴承存在疲劳寿命不足、高温高速状态故障多发等问题，严重制约和影响航空发动机整机的性能和可靠性，轴承的工作性能和使用寿命取决于轴承套圈工作表面的抗疲劳性能，而影响滚道抗疲劳性能的关键因素是滚道表面及次表面压应力的大小及分布状态。目前轴承套圈滚道表面应力及次表面应力主要靠砂轮的磨削力产生，此种磨削的加工方式使滚道产生的表面压应力值较低，次表面压应力层有效深度较浅，滚道的抗疲劳性能相对较差。
而且，轴承滚道经喷丸强化后会产生较大的塑性变形，造成椭圆度增大，当后续加工将椭圆度改善后，滚道圆周方向上去除的余量不均匀，会导致滚道圆周表面的压应力值有较大的差异，即表面应力状态分布不均匀，此种表面状态不利于提高滚道的抗疲劳性能。
发明内容
本发明的目的是为了解决目前加工的轴承套圈工作表面及次表面压应力、抗疲劳强度低的问题，而提供一种应用于轴承套圈工作表面的装置及其喷丸强化方法。
本发明的一种应用于轴承套圈工作表面的喷丸强化装置，所述的喷丸强化装置由轴承外圈喷丸强化工装和轴承内圈喷丸强化工装组成；
轴承外圈喷丸强化工装包括转盘、下模座、上压板和下防护板；
所述的下模座为上开口且内部中空的倒锥台结构；下模座上部侧壁向内折，在下模座内形成凸台；
下模座与转盘通过螺母连接在一起；
上压板为圆环结构，且内环的外沿向下弯折；下防护板为圆环结构，，且内环的外沿向上弯折；下防护板置于凸台上，轴承外圈置于下防护板上；上压板分别置于轴承外圈和转盘上表面，上压板与转盘通过沉头螺栓连接；轴承外圈与下防护板、上压板以及下模座的内壁紧密配合；
轴承外圈的滚道或沟道朝向下模座内部；
轴承内圈喷丸强化工装包括上转盘一、下模座二、上压板一和沉头螺栓一；
所述的下模座二为上开口且内部中空的圆柱体结构，下模座二的底部向外延伸形成外沿；
下模座二与转盘一通过螺母连接在一起；轴承内圈置于下模座二的底部向外延伸形成的外沿上；上压板一为原盘形结构；上压板一置于转盘一上，并与轴承内圈上表面接触，沉头螺栓一依次穿过上压板一中心处的螺纹孔及转盘一中心处的螺纹孔，将上压板一和转盘一连接在一起；所述的承内圈加工工件与上压板一和转盘一紧密配合。
本发明的装置用于轴承套圈工作表面的喷丸强化的方法，它是按照以下步骤进行的：
一、轴承外圈喷丸强化：
1）将轴承外圈安装到轴承外圈喷丸强化工装上；再将喷枪的枪口置于轴承外圈喷丸强化工装内，使喷枪的枪口对准轴承外圈；
2）匀速转动转盘安装到喷丸机上，喷丸机带动喷枪上下匀速运动，进行喷丸强化；其中喷丸强化参数设置如下：
沟道与滚道的喷丸压力均为0.45~0.55MPa，沟道与滚道的丸粒流量均为6Kg/min，沟道与滚道的转盘转速均为15rmp，沟道与滚道的喷枪移动速度均为50mm/min，沟道与滚道的喷口距工件表面距离均为80~120mm，沟道与滚道的喷抢往复移动距离均为滚道宽度＋20cm，滚道的喷丸角度为90o；
沟道与滚道的喷丸时间均是按照下式确定，
t=6.7×滚道表面积cm²×（滚道宽度＋20cm）/滚道宽度
二、轴承内圈喷丸强化：
3）将轴承内圈安装到轴承内圈喷丸强化工装上；再将喷枪的枪口对准轴承内圈；
4）匀速转动转盘，喷枪上下匀速运动，进行喷丸强化；其中喷丸强化参数设置如下：
沟道与滚道的喷丸压力均为0.45~0.55MPa，沟道与滚道的丸粒流量均为6Kg/min，沟道与滚道的转盘转速均为15rmp，沟道与滚道的喷枪移动速度均为50mm/min，沟道与滚道的喷口距工件表面距离均为80~120mm，沟道与滚道的喷抢往复移动距离均为滚道宽度＋20cm，滚道的喷丸角度为90o；沟道与滚道的喷丸时间均是按照式确定，
t=6.7×滚道表面积cm²×（滚道宽度＋20cm）/滚道宽度
对轴承外圈和内圈喷丸强化后，即完成轴承套圈工作表面的喷丸强化。
本发明包含以下有益效果：
本发明对轴承工作表面进行喷丸强化，合理安排喷丸强化工艺流程，设计喷丸强化工装，优选喷丸强化参数，提高轴承套圈工作表面及次表面压应力，对轴承套圈工作表面进行强化处理，可以控制轴承滚道表面压应力值大于800MPa，有效强化层深度大于0.15mm，次表面0.1mm处压应力值大于450MPa，强化后的滚道表面应力分布均匀，进而提高轴承套圈工作表面抗疲劳强度，达到提升轴承使用寿命的目的。
本发明在喷丸过程中，弹丸反复打击材料的表面，最终在材料表面附近造成一塑性变形层即强化层的深度，其深度为0.1~0.8mm。合理利用引入表面塑性变形层，可以改善材料疲劳及应力腐蚀抗力。
附图说明
图1为轴承外圈及内圈结构图；
图2为轴承外圈喷丸强化工装结构示意图；
图3为轴承内圈喷丸强化工装结构示意图；
图4为喷丸机工作形式示意图；其中，8为喷枪；
图5为零件表层应力σ分布曲线图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图说明本实施方式，本实施方式的一种应用于轴承套圈工作表面的喷丸强化装置，所述的喷丸强化装置由轴承外圈喷丸强化工装和轴承内圈喷丸强化工装组成；
轴承外圈喷丸强化工装包括转盘1、下模座2、上压板3和下防护板4；
所述的下模座2为上开口且内部中空的倒锥台结构；下模座2上部侧壁向内折，在下模座2内形成凸台5；
下模座2与转盘1通过螺母连接在一起；
上压板3为圆环结构，且内环的外沿向下弯折；下防护板4为圆环结构，，且内环的外沿向上弯折；下防护板4置于凸台5上，轴承外圈6置于下防护板4上；上压板3分别置于轴承外圈6和转盘1上表面，上压板3与转盘1通过沉头螺栓7连接；轴承外圈6与下防护板4、上压板3以及下模座2的内壁紧密配合；
轴承外圈6的滚道或沟道朝向下模座2内部；
轴承内圈喷丸强化工装包括上转盘一11、下模座二12、上压板一13和沉头螺栓一17；
所述的下模座二12为上开口且内部中空的圆柱体结构，下模座二12的底部向外延伸形成外沿；
下模座二12与转盘一11通过螺母连接在一起；轴承内圈16置于下模座二12的底部向外延伸形成的外沿上；上压板一13为原盘形结构；上压板一13置于转盘一11上，并与轴承内圈16上表面接触，沉头螺栓一17依次穿过上压板一13中心处的螺纹孔及转盘一11中心处的螺纹孔，将上压板一13和转盘一11连接在一起；所述的承内圈加工工件16与上压板一13和转盘一11紧密配合。
具体实施方式二：结合图说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于：下模座2底部中心区域开通有多个螺纹孔，转盘1上部中心区域开设有螺纹孔；将螺母分别与下模座2的螺纹孔和转盘1的螺纹孔螺纹连接，将下模座2与转盘1连接在一起。
其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于：下模座二12底部中心区域开通有多个螺纹孔，转盘一11上部中心区域开设有螺纹孔；将螺母分别与下模座二12的螺纹孔和转盘一11的螺纹孔螺纹连接，将下模座二12与转盘一11连接在一起。
其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：结合图说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于：所述的凸台5的宽度大于轴承外圈6的宽度。
其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。
具体实施方式五：结合图说明本实施方式，本实施方式的轴承套圈工作表面喷丸强化方法，它是按照以下步骤进行的：
一、轴承外圈喷丸强化：
1）将轴承外圈6安装到轴承外圈喷丸强化工装上；再将喷枪的枪口置于轴承外圈喷丸强化工装内，使喷枪的枪口对准轴承外圈6；
2）匀速转动转盘1安装到喷丸机上，喷丸机带动喷枪上下匀速运动，进行喷丸强化；其中喷丸强化参数设置如下：
沟道与滚道的喷丸压力均为0.45~0.55MPa，沟道与滚道的丸粒流量均为6Kg/min，沟道与滚道的转盘转速均为15rmp，沟道与滚道的喷枪移动速度均为50mm/min，沟道与滚道的喷口距工件表面距离均为80~120mm，沟道与滚道的喷抢往复移动距离均为滚道宽度＋20cm，滚道的喷丸角度为90o；
沟道与滚道的喷丸时间均是按照下式确定，
t=6.7×滚道表面积cm²×（滚道宽度＋20cm）/滚道宽度
二、轴承内圈喷丸强化：
3）将轴承内圈16安装到轴承内圈喷丸强化工装上；再将喷枪的枪口对准轴承内圈16；
4）匀速转动转盘1，喷枪上下匀速运动，进行喷丸强化；其中喷丸强化参数设置如下：
沟道与滚道的喷丸压力均为0.45~0.55MPa，沟道与滚道的丸粒流量均为6Kg/min，沟道与滚道的转盘转速均为15rmp，沟道与滚道的喷枪移动速度均为50mm/min，沟道与滚道的喷口距工件表面距离均为80~120mm，沟道与滚道的喷抢往复移动距离均为滚道宽度＋20cm，滚道的喷丸角度为90o；沟道与滚道的喷丸时间均是按照下式确定，
t=6.7×滚道表面积cm²×（滚道宽度＋20cm）/滚道宽度
对轴承外圈和内圈喷丸强化后，即完成轴承套圈工作表面的喷丸强化。
对于无挡边滚子轴承套圈，转盘转速和喷枪移动速度需要根据零件喷丸后变形情况进行调整。
本实施方式工艺路线确定方式如下：
考虑喷丸强化后，轴承套圈会产生塑性变形，零件表面喷丸后会有表面损伤层，零件表面喷丸后应有后续加工工序，其最终表面残余应力是喷丸处理、去应力处理以及对喷丸表面后续加工共同作用的结果。所以在轴承套圈细磨沟道后，终磨沟道前进行喷丸强化，强化后做消除应力处理，循环模式如下：
粗磨循环→细磨循环→喷丸强化→消除应力处理→终磨循环→酸洗、除氢→光饰、探伤→精研。
本实施方式喷丸后滚道的加工余量说明如下：
轴承滚道在经喷丸强化后需进行终磨滚道及精研滚道加工，在保证次表面应力均匀的前提下，喷丸后的表面去除深度应在0.04~0.06mm之间，直径方向去除量为0.08~0.12mm之间，这样既能将滚道表面的损伤层除去，又可以得到可观的表面压应力。
本实施方式喷丸区域说明如下：
以型号短圆柱轴承外圈及内圈为例（如图2所示），外圈带双挡边结构，内圈是无挡边结构。套圈的滚道是轴承的工作表面，对滚道进行喷丸强化处理，其余表面为非工作表面，无需进行喷丸强化处理。
本实施方式喷丸强化原理
在弹丸冲击下，材料表层产生循环塑性变形，材料表层发生三种变化：
1）表层产生很高的残余压应力
2）表层形成塑性变形变细化组织
3）表层内微观应力增高
喷丸过程中，弹丸反复打击材料的表面，最终在材料表面附近造成一塑性变形层即强化层的深度，其深度为0.1~0.8mm。合理利用引入表面塑性变形层，可以改善材料疲劳及应力腐蚀抗力。
本实施方式喷丸强化工装的设计
轴承滚道经喷丸强化后会产生较大的塑性变形，造成椭圆度增大，当后续加工将椭圆度改善后，滚道圆周方向上去除的余量不均匀，会导致滚道圆周表面的压应力值有较大的差异，即表面应力状态分布不均匀，此种表面状态不利于提高滚道的抗疲劳性能。故需设计喷丸强化的专用工装，控制轴承套圈因喷丸强化而产生的塑性变形。
轴承套圈喷丸强化工装均采用端面压紧方式定位，整体热处理后HRC40~45，外圈工装内壁与轴承外圈外径采用间隙配合方式（如图2所示），内圈工装外壁与内圈内径也采用间隙配合方式（如图3所示），同时为了避免边角处经喷丸强化产生的应力集中现象，设计工装时充分考虑到对油沟、油眼以及边角的防护，强化工装均作倒角处理。
具体实施方式六：结合图说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式五不同点在于：喷丸强化过程中，滚道与油沟交接的边缘进行保护处理。
其它组成和连接方式与具体实施方式五相同。
具体实施方式七：结合图说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式五不同点在于：所述的强化丸粒规格：Φ1.4mm；硬度：HV610-670；丸粒表面经过去棱角毛刺、磨圆处理。
其它组成和连接方式与具体实施方式五相同。
具体实施方式八：结合图说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式五不同点在于：所述的轴承套圈工作表面的喷丸强化是在轴承套圈细磨沟道后，终磨沟道前进行的
其它组成和连接方式与具体实施方式五相同。
本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面将详细叙述清楚说明本发明所揭示内容的精神，任何所属技术领域技术人员在了解本发明内容的实施例后，当可由本发明内容所教示的技术，加以改变及修饰，其并不脱离本发明内容的精神与范围。
本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本实发明的限定。
通过以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例1
本实施例的应用于轴承套圈工作表面的喷丸强化装置结构如具体实施方式一至四所述。
本实施方式的喷丸区域确定如下：
以型号短圆柱轴承外圈及内圈为例（如图1所示），外圈带双挡边结构，内圈是无挡边结构。套圈的滚道是轴承的工作表面，对滚道进行喷丸强化处理，其余表面为非工作表面，无需进行喷丸强化处理。
本实施例喷丸工作形式：
喷丸强化时，工件匀速旋转，喷枪沿着轴向上下匀速移动，喷丸入射方向与工件强化表面垂直。工件转速、喷枪移动速度、喷丸流量和喷丸风压可控可调节，工作方式如图4所示。
本实施例强化丸粒规格：Φ1.4mm；硬度：HV610—670。
执行标准：美国宇航材料规范标准SAEJ441或德国弹簧协会标准VDF18001-2009；
丸粒表面经过去棱角毛刺、磨圆（G3）处理。
本实施例喷丸强化工艺参数
Figure DEST_PATH_IMAGE002
应用喷丸的方法对轴承套圈工作表面进行强化处理，通过合理的工艺流程，优化的喷丸强化工装及喷丸强化参数，可以控制轴承滚道表面压应力值大于800MPa，有效强化层深度大于0.15mm，次表面0.1mm处压应力值大于450MPa，强化后的滚道表面应力分布均匀，零件表层应力分布曲线如图5所示。

Claims (7)

1.一种应用于轴承套圈工作表面的喷丸强化装置，其特征在于所述的喷丸强化装置由轴承外圈喷丸强化工装和轴承内圈喷丸强化工装组成；
轴承外圈喷丸强化工装包括转盘（1）、下模座（2）、上压板（3）和下防护板（4）；
所述的下模座（2）为上开口且内部中空的倒锥台结构；下模座（2）上部侧壁向内折，在下模座（2）内形成凸台（5）；
下模座（2）与转盘（1）通过螺母连接在一起；
上压板（3）为圆环结构，且内环的外沿向下弯折；下防护板（4）为圆环结构，且内环的外沿向上弯折；下防护板（4）置于凸台（5）上，轴承外圈（6）置于下防护板（4）上；上压板（3）分别置于轴承外圈（6）和转盘（1）上表面，上压板（3）与下模座（2）通过沉头螺栓（7）连接；轴承外圈（6）与下防护板（4）、上压板（3）以及下模座（2）的内壁紧密配合；
轴承外圈（6）的滚道或沟道朝向下模座（2）内部；
轴承内圈喷丸强化工装包括转盘一（11）、下模座二（12）、上压板一（13）和沉头螺栓一（17）；
所述的下模座二（12）为上开口且内部中空的圆柱体结构，下模座二（12）的底部向外延伸形成外沿；
下模座二（12）与转盘一（11）通过螺母连接在一起；轴承内圈（16）置于下模座二（12）的底部向外延伸形成的外沿上；上压板一（13）为圆盘形结构；上压板一（13）置于转盘一（11）上，并与轴承内圈（16）上表面接触，沉头螺栓一（17）依次穿过上压板一（13）中心处的螺纹孔及下模座二（12）中心处的螺纹孔，将上压板一（13）和下模座二（12）连接在一起；所述的轴承内圈（16）与上压板一（13）和下模座二（12）紧密配合；
采用喷丸强化装置用于轴承套圈工作表面的喷丸强化的方法，它是按照以下步骤进行的：
一、轴承外圈喷丸强化：
1）将轴承外圈（6）安装到轴承外圈喷丸强化工装上；再将喷枪的枪口置于轴承外圈喷丸强化工装内，使喷枪的枪口对准轴承外圈（6）；
2）匀速转动转盘（1）安装到喷丸机上，喷丸机带动喷枪上下匀速运动，进行喷丸强化；其中喷丸强化参数设置如下：
沟道与滚道的喷丸压力均为0.45~0.55MPa，沟道与滚道的丸粒流量均为6Kg/min，沟道与滚道的转盘转速均为15rmp，沟道与滚道的喷枪移动速度均为50mm/min，沟道与滚道的喷枪喷口距工件表面距离均为80~120mm，沟道与滚道的喷枪往复移动距离均为滚道宽度＋20cm，滚道的喷丸角度为90°；
沟道与滚道的喷丸时间均是按照下式确定，
t=6.7×滚道表面积cm²×（滚道宽度＋20cm）/滚道宽度
二、轴承内圈喷丸强化：
3）将轴承内圈（16）安装到轴承内圈喷丸强化工装上；再将喷枪的枪口对准轴承内圈（16）；
4）匀速转动转盘（1），喷枪上下匀速运动，进行喷丸强化；其中喷丸强化参数设置如下：
沟道与滚道的喷丸压力均为0.45~0.55MPa，沟道与滚道的丸粒流量均为6Kg/min，沟道与滚道的转盘转速均为15rmp，沟道与滚道的喷枪移动速度均为50mm/min，沟道与滚道的喷口距工件表面距离均为80~120mm，沟道与滚道的喷枪往复移动距离均为滚道宽度＋20cm，滚道的喷丸角度为90o；沟道与滚道的喷丸时间均是按照下式确定，
t=6.7×滚道表面积cm²×（滚道宽度＋20cm）/滚道宽度
对轴承外圈和内圈喷丸强化后，即完成轴承套圈工作表面的喷丸强化；所述的轴承套圈工作表面的喷丸强化是在轴承套圈细磨沟道后，终磨沟道前进行的；在轴承套圈细磨沟道后，终磨沟道前进行喷丸强化，强化后做消除应力处理，循环模式如下：
粗磨循环→细磨循环→喷丸强化→消除应力处理→终磨循环→酸洗、除氢→光饰、探伤→精研。
2.根据权利要求1所述的一种应用于轴承套圈工作表面的喷丸强化装置，其特征在于下模座（2）底部中心区域开通有多个螺纹孔，转盘（1）上部中心区域开设有螺纹孔；将螺母分别与下模座（2）的螺纹孔和转盘（1）的螺纹孔螺纹连接，将下模座（2）与转盘（1）连接在一起。
3.根据权利要求1所述的一种应用于轴承套圈工作表面的喷丸强化装置，其特征在于下模座二（12）底部中心区域开通有多个螺纹孔，转盘一（11）上部中心区域开设有螺纹孔；将螺母分别与下模座二（12）的螺纹孔和转盘一（11）的螺纹孔螺纹连接，将下模座二（12）与转盘一（11）连接在一起。
4.根据权利要求1所述的一种应用于轴承套圈工作表面的喷丸强化装置，其特征在于所述的凸台（5）的宽度大于轴承外圈（6）的宽度。
5.根据权利要求1所述的一种应用于轴承套圈工作表面的喷丸强化装置，其特征在于所述的丸粒规格：Φ1.4mm；硬度：HV610-670；丸粒表面经过去棱角毛刺、磨圆处理。
6.根据权利要求1所述的一种应用于轴承套圈工作表面的喷丸强化装置，其特征在于轴承外圈和内圈沟道的喷丸角度均是依据钢球与沟道的接触角确定。
7.根据权利要求1所述的一种应用于轴承套圈工作表面的喷丸强化装置，其特征在于喷丸机驱使转盘（1）匀速转动，喷丸机带动喷枪上下匀速运动。
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