CN112112888B - 微织构自驱动油滴的脂润滑球轴承及其微织构加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了微织构自驱动油滴的脂润滑球轴承及其微织构加工方法。现有技术没有对受挤压外溢到滚道两侧的润滑油油滴回流特性进行研究。本发明在内圈和外圈滚道的非接触区划分出液滴驱动区域带，在液滴驱动区域带设置微织构；微织构从滚道的非接触区向接触区方向由疏到密布置；液滴驱动区域带由多个连续的梯度区域组成；每个梯度区域设有一个微织构单元阵列；从非接触区向接触区方向，越靠近接触区的梯度区域，其上的微织构单元阵列的相邻微织构间距越小。本发明让油滴在不同疏密程度微织构影响下实现在特定区域中的自驱动，能够有效地加速轴承中外溢的润滑油油滴引导回流至油液的润滑区域，提高了滚动轴承润滑油的润滑效果和利用率。

Description

微织构自驱动油滴的脂润滑球轴承及其微织构加工方法

技术领域

本发明属于滚动轴承技术领域，具体涉及一种在滚道上利用微织构辅助油滴自驱动原理来提高润滑效果的脂润滑球轴承及其微织构加工方法。

背景技术

滚动轴承是应用广泛的重要机械基础件，广泛应用于现代我国国民经济和国防事业务个领域，在国民经济中，滚动轴承被称为“工业的关节”。轴承工业作为机械工业的基础产业和骨干行业，其发展水平的高低，往往代表或制约着一个国家机械工业和其他相关产业的发展水平。而在国防事业中，滚动轴承在许多军事装备中，都是重要或者核心零部件。

滚动轴承能承受径向载荷和轴向载荷，还有着极限转速高、摩擦力矩小、旋转精度高且噪音小等优点，广泛应用于机床、马达、变速器、水泵等对寿命和精度要求较高的器械中。而现有的滚动轴承在高速运作的情况下，其滚道上的轴承滚动体与滚道形成滚动摩擦，布置在其滚道和滚动体接触中心的，主要用于减少其滚动摩擦磨损的润滑油会出现受挤压而外溢到滚道两侧的现象，润滑油的短时间外溢会影响润滑油对滚动轴承的润滑效果，加大摩擦磨损，影响器械的工作精度，这种负面效应长时间的累积会影响到轴承甚至整体器械的工作寿命。

随着制造业技术的不断提高，为了进一步优化轴承的各项物理性能，现有一种在机械零件上进行表面微织构的加工方法，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或凸起等微细机构，用以改善零件表面摩擦学等物理性质的一种加工技术。

目前，中国专利申请号201910739940.5的专利公开了一种利用激光加工技术在轴承滚道表面核心受力区域布置动力润滑织构，在滚道侧边区域布置储油织构，同时在滚道表面上设有布油织构的润滑方法，且所述布油织构与动力润滑织构和储油织构部分重叠，用动力润滑织构避免产生干摩擦，用储油织构在高负载下形成连续油膜，并用布油织构引导润滑油沿着滚动体运动方向运动，从而改善轴承的润滑效果。但是该发明忽略其比较严重的负面影响，在轴承滚道受力核心区域布置微织构的行为，会改变轴承滚动体的滚动摩擦条件。这一行为可能会加剧滚动轴承工作中的摩擦磨损，也会影响轴承工作中的振动稳定性，进而严重影响滚动轴承的疲劳寿命以及安全可靠性。且该发明以及现有技术均没有对受挤压外溢到滚道两侧的润滑油油滴回流特性进行研究。

发明内容

本发明针对滚动体滚动时润滑油外溢，影响润滑效果这一制约脂润滑球轴承高性能的瓶颈，提出了一种在滚道上利用微织构辅助油滴自驱动原理来提高润滑效果的脂润滑球轴承及其微织构加工方法。

本发明微织构自驱动油滴的脂润滑球轴承，在内圈和外圈滚道的非接触区划分出液滴驱动区域带，在液滴驱动区域带设置微织构；微织构从滚道的非接触区向接触区(滚动体与滚道接触的区域)方向由疏到密布置。

进一步，所述液滴驱动区域带的确定方法为：根据轴承的型号，确定受载时滚动体与滚道的接触中心位置，将由接触中心向滚道两侧的两个方向各延伸4a距离形成的区域定义为滚道上的核心受力区域带，其中a为轴承受载和未受载两种情况下滚动体与滚道的接触中心偏移距离；然后，在核心受力区域带向滚道两侧各延伸加工余量区域带，其中，加工余量区域带的宽度等于预设加工余量；滚道上除去核心受力区域带和加工余量区域带的剩余两侧区域则为两个液滴驱动区域带。

进一步，所述的液滴驱动区域带由多个连续的梯度区域组成；每个梯度区域设有一个微织构单元阵列；从非接触区向接触区方向，越靠近接触区的梯度区域，其上的微织构单元阵列的相邻微织构间距越小。

进一步，所述的微织构是利用激光加工出的方柱形凸起。

进一步，各梯度区域中液滴表面接触角(用以衡量表面润湿性)的计算公式为：

其中，W和D分别为微织构的宽度和高度，H为微织构单元阵列的相邻微织构间距；θ_d为液滴表面接触角(为变量，是由表面润湿性梯度导致的)，θ为液滴在未加工微织构的滚道表面的固定接触角。

进一步，液滴在相邻梯度区域的交接区域时，由于滚道表面润湿性的不对称而产生不平衡力，即促进液滴驱动的驱动力，驱动力F表达式为：

其中，γ为固-液表面张力系数，R为液滴半径，x为液滴在相邻梯度区域运动时产生的位移。

驱动力F会驱动外溢到微织构表面上的润滑油油滴从划分好的液滴驱动区域带逐渐回流至滚动体与滚道的接触区，具体的回流方式为：当润滑油油滴外溢到疏密程度较低的微织构单元阵列位置时，因为受到了相邻两个梯度区域产生的润湿性梯度的驱动力而逐渐运动到疏密程度更高的微织构单元阵列位置，而在新的微织构单元阵列位置又会受到新的相邻两个梯度区域产生的驱动力，继续向疏密程度更高的微织构单元阵列位置运动。通过多次重复，外溢到微织构表面的润滑油滴会实现自驱动并被最终引导回流至轴承所需润滑的摩擦润滑区域(接触区)。

进一步，油滴受到驱动力而获得的动能增量的公式表达式为：

E＝Fx

由于油滴在驱动力的作用下获得了额外的动能，所以这种油滴驱动的工作原理最终能实现油滴的自驱动并引导加速油滴回流至滚道的摩擦润滑区域，从而提高润滑效果。

进一步，选用角接触球轴承时，确定受载时滚动体与滚道的接触中心位置，以及轴承受载和未受载两种情况下滚动体与滚道的接触中心偏移距离a的方法，具体如下：

角接触球轴承在载荷下最终接触角α和轴向位移δ_a的计算公式为：

其中，F_a为最大推力静载荷，K为载荷-位移系数，Z为滚动体个数，D为滚动体直径，α°为公称接触角，B为总曲率；

其中，查出K值后，用Newton-Raphson法对最终接触角α进行数值求解，迭代方程为：

当α'-α小于δ时，停止迭代，将此时的α'作为最终接触角α；其中，δ为阈值；最终接触角α所在位置即为受载时滚动体与滚道的接触中心位置；最终接触角α与公称接触角α°的差值对应的弧长变化量即为轴承受载和未受载两种情况下滚动体与滚道的接触中心偏移距离a。

进一步，选用推力球轴承时，确定受载时滚动体与滚道的接触中心位置，以及轴承受载和未受载两种情况下滚动体与滚道的接触中心偏移距离a的方法，具体如下：

离心惯性力F_b的公式为：

F_b＝mw²r

其中，m为滚动体的质量，w为滚动体沿着推力球轴承中心旋转运动的角速度，r为滚动体沿着推力球轴承中心旋转运动的旋转半径。

通过离心惯性力F_b和轴向载荷C计算最终接触角的公式为：

计算得到的最终接触角α所在位置即为受载时滚动体与滚道的接触中心位置，最终接触角α与公称接触角的差值对应的弧长变化量即为轴承受载和未受载两种情况下滚动体与滚道的接触中心偏移距离a。

该微织构自驱动油滴的脂润滑球轴承的微织构加工方法，具体为：

步骤一、液滴驱动区域带的参数设定和计算：设定微织构的宽度W和高度D(会受到激光加工设备的加工条件限制)，并设定液滴驱动区域带的梯度区域个数以及各梯度区域要实现的液滴表面接触角；然后，将各梯度区域的液滴表面接触角代入公式(1)计算出各梯度区域中微织构单元阵列的相邻微织构间距H。

步骤二、确定液滴驱动区域带位置：根据轴承的参数和工况计算出受载时滚动体与滚道的接触中心位置，以及轴承受载和未受载两种情况下滚动体与滚道的接触中心偏移距离a，从而确定滚道上的核心受力区域带；然后预设加工余量确定加工余量区域带，将滚道上除去核心受力区域带和加工余量区域带的剩余两侧区域作为两个液滴驱动区域带。

步骤三、材料检查：筛除滚道表面有裂纹、毛刺或划痕的轴承半成品。

步骤四、对于合格的轴承半成品，使用激光加工设备在滚道的液滴驱动区域带的各梯度区域加工微织构单元阵列。

步骤五、对滚道上加工微织构的位置进行表面处理，去除毛刺。

本发明与现有技术相比，具有以下有益结果：

1.本发明微织构自驱动油滴的脂润滑球轴承，不仅仅避免了滚道上的微织构对滚动体摩擦表面的摩擦运动条件和轴承的初始工作寿命的负面影响，还利用微织构在表面上形成润湿性梯度，让油滴在不同疏密程度微织构的影响下实现在特定区域中的自驱动，能够有效地加速轴承中外溢的润滑油油滴引导回流至油液的润滑区域，提高了滚动轴承润滑油的润滑效果和利用率，减少了轴承结构的损耗。

2.本发明没有特定的工况限制，对于不同功能型号的滚动球轴承均可适用，在轴承材料不同等特定的情况下可以适当优化参数来取得更符合条件的方案，从而追求到更优异的润滑效果。

3.本发明的各微织构为相同宽度和高度的方柱形凸起，仅仅利用微织构不同的间距来达到制造表面润湿性梯度的目的，这种结构简单，加工方便。

附图说明

图1为本发明实施例2中角接触球轴承滚道上的微织构加工位置示意图；

图2为本发明中微织构单元阵列的示意图；

图3为本发明实施例2中角接触球轴承的液滴驱动区域带的六个梯度区域上微织构分布示意图；

图4为本发明实施例3中推力球轴承滚道上的微织构加工位置示意图；

图5为本发明实施例3中推力球轴承的液滴驱动区域带的四个梯度区域上微织构分布示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明微织构自驱动油滴的脂润滑球轴承，在内圈和外圈滚道的非接触区划分出液滴驱动区域带，在液滴驱动区域带设置微织构；微织构从内圈和外圈滚道的非接触区向接触区(滚动体3与滚道接触的区域)方向由疏到密布置。

通过液滴驱动区域带的划分，在液滴驱动区域带的微织构就不会影响到滚动体与滚道表面的摩擦受力，所以不影响滚动轴承本身的滚动摩擦条件，保持轴承本身正常的工作精度与寿命。而这种微织构会影响滚道表面的润湿性，驱动并加速外溢到滚道外侧的润滑油油滴回流到滚动体与滚道的摩擦润滑区域，从而提高润滑效果。本发明微织构造成油滴驱动效应的主要工作原理为：利用微织构在表面上的疏密程度的梯度变化来实现表面的润湿性梯度变化，而液滴在具有由微织构产生的润湿性梯度表面上可以实现长距离自驱动。

实施例1：

液滴驱动区域带由多个连续的梯度区域组成；每个梯度区域设有一个微织构单元阵列，如图2所示；从非接触区向接触区方向，越靠近接触区的梯度区域，其上的微织构单元阵列的相邻微织构间距越小。

实施例2：

在实施例1基础上，以型号为218ACBB的角接触球轴承(如图1所示)为例，微织构加工方法如下：

步骤一、液滴驱动区域带的参数设定和计算：根据激光加工设备的加工条件，设定微织构的宽度W为15μm、高度D为5μm；设定液滴驱动区域带的梯度区域个数为6，并设定各梯度区域的液滴表面接触角分别为110°、120°、130°、140°、150°和160°；然后，将各梯度区域的液滴表面接触角分别代入公式(1)计算出六个梯度区域中微织构单元阵列的相邻微织构间距H，分别为45.4μm、28.9μm、19.6μm、13.8μm、9.7μm和6.8μm。现将各梯度区域的微织构参数列于表1中：

表1

梯度区域编号	1	2	3	4	5	6
							宽度(μm)	15	15	15	15	15	15
高度(μm)	5	5	5	5	5	5
							间距(μm)	45.4	28.9	19.6	13.8	9.7	6.8

如图3所示，这均等划分的6个梯度区域布置了6种不同间距的微织构单元阵列，微织构单元阵列中单个微织构为方柱形凸起4。

步骤二、确定液滴驱动区域带位置：

角接触球轴承在载荷下最终接触角α和轴向位移δ_a的计算公式为：

其中，F_a为最大推力静载荷，K为载荷-位移系数，Z为滚动体个数，D为滚动体直径，α°为公称接触角，B为总曲率(B＝f_o+f_i-1，f_i和f_o分别是滚道的内、外滚道沟曲率的半径系数)；本实施例采用的角接触球轴承的公称接触角α°为40°，滚动体个数为16，设定该角接触轴承在工作情况下受到的最大推力静载荷为17800N。

查出K值，用Newton-Raphson法对最终接触角α进行数值求解，迭代方程为：

当α'-α小于δ时，停止迭代，将此时的α'作为最终接触角α；其中，δ为阈值，最终计算出α＝41.6°(如图1所示)，δ_a＝0.0386mm，其中轴向位移δ_a的数值大小可忽略不计，由于最终接触角α与公称接触角α°的差值1.6°带来的弧长变化约为0.28mm，由此得a＝0.28mm。图1中示出了最大推力静载荷下该角接触轴承的核心受力区域带1所在位置。

根据加工设备和材料的限制，预设加工余量为2mm，最终设定两侧延伸的弧长长度均为3.12mm，以此划分出滚道上的液滴驱动区域带2(图1中加粗线示意的滚道区域)。

步骤三：材料检查：检查轴承半成品滚道表面是否有裂纹、毛刺和划痕等缺陷，并去除有缺陷的轴承半成品。

步骤四：对于合格的轴承半成品，使用激光加工设备在滚道的液滴驱动区域带的各梯度区域加工微织构单元阵列。

步骤五：对滚道上加工微织构的位置进行表面处理，去除毛刺。

实施例3：

在实施例1基础上，以型号为51124的推力球轴承为例，微织构加工方法如下：

步骤一：液滴驱动区域带的参数设定和计算：根据激光加工设备的加工条件，设定微织构的宽度W为15μm、高度D为5μm；设定液滴驱动区域带的梯度区域个数为4，并设定各梯度区域的液滴表面接触角分别为110°、126.7°、143.3°和160°；然后，将各梯度区域的液滴表面接触角分别代入公式(1)计算出六个梯度区域中微织构单元阵列的相邻微织构间距H，分别为32.3μm、20.8μm、14.0μm和9.5μm。现将各梯度区域的微织构参数列于表2中：

表2

梯度区域编号	1	2	3	4
					宽度(μm)	15	15	15	15
高度(μm)	5	5	5	5
					间距(μm)	32.3	20.8	14.0	9.5

如图5所示，这均等划分的4个梯度区域布置了4种不同间距的微织构单元阵列。

步骤二：确定液滴驱动区域带位置：

当推力球轴承开始工作时，滚道中的滚动体不仅仅受到了轴向力，还受到了沿着径向方向的离心惯性力，通过离心惯性力的影响来计算最终接触角α。

离心惯性力F_b的公式为：

F_b＝mw²r

其中，m为滚动体的质量，w为滚动体沿着推力球轴承中心旋转运动的角速度，r为滚动体沿着推力球轴承中心旋转运动的旋转半径。本实施例采用的推力球轴承的公称接触角为90°，滚动体半径为9mm，滚动体沿推力球轴承中心旋转运动的旋转半径为68mm，滚动体质量为20g，设定该推力球轴承工作时的极限转速为3200rpm，此时轴向载荷C＝89000N，求得F_b＝152.7N。

通过离心惯性力F_b和轴向载荷C计算最终接触角的公式为：

最终计算得出最终接触角α＝89°，即最终接触角α与公称接触角的差值为1°，换算成弧长得a＝0.7mm，图4中示出了载荷下该推力球轴承的核心受力区域带5所在位置。

根据加工设备和材料的限制，预设加工余量为2mm，最终设定两侧延伸的弧长长度均为4.8mm，以此划分出滚道上的液滴驱动区域带6(图4中加粗线示意的滚道区域)。

步骤三：材料检查：检查轴承半成品滚道表面是否有裂纹、毛刺和划痕等缺陷，并去除有缺陷的轴承半成品。

步骤四：对于合格的轴承半成品，使用激光加工设备在滚道的液滴驱动区域带的各梯度区域加工微织构单元阵列。

步骤五：对滚道上加工微织构的位置进行表面处理，去除毛刺。

Claims (8)

1.微织构自驱动油滴的脂润滑球轴承，其特征在于：在内圈和外圈滚道的非接触区划分出液滴驱动区域带，在液滴驱动区域带设置微织构；微织构从滚道的非接触区向接触区方向由疏到密布置；

所述的液滴驱动区域带由多个连续的梯度区域组成；每个梯度区域设有一个微织构单元阵列；从非接触区向接触区方向，越靠近接触区的梯度区域，其上的微织构单元阵列的相邻微织构间距越小；

各梯度区域中液滴表面接触角的计算公式为：

其中，W和D分别为微织构的宽度和高度，H为微织构单元阵列的相邻微织构间距；θ_d为液滴表面接触角，θ为液滴在未加工微织构的滚道表面的固定接触角。

2.根据权利要求1所述微织构自驱动油滴的脂润滑球轴承，其特征在于：所述液滴驱动区域带的确定方法为：根据轴承的型号，确定受载时滚动体与滚道的接触中心位置，将由接触中心向滚道两侧的两个方向各延伸4a距离形成的区域定义为滚道上的核心受力区域带，其中a为轴承受载和未受载两种情况下滚动体与滚道的接触中心偏移距离；然后，在核心受力区域带向滚道两侧各延伸加工余量区域带，其中，加工余量区域带的宽度等于预设加工余量；滚道上除去核心受力区域带和加工余量区域带的剩余两侧区域则为两个液滴驱动区域带。

3.根据权利要求1所述微织构自驱动油滴的脂润滑球轴承，其特征在于：所述的微织构是利用激光加工出的方柱形凸起。

4.根据权利要求1所述微织构自驱动油滴的脂润滑球轴承，其特征在于：液滴在相邻梯度区域的交接区域时，由于滚道表面润湿性的不对称而产生促进液滴驱动的驱动力，驱动力F表达式为：

其中，γ为固-液表面张力系数，R为液滴半径，x为液滴在相邻梯度区域运动时产生的位移。

5.根据权利要求4所述微织构自驱动油滴的脂润滑球轴承，其特征在于：油滴受到驱动力而获得的动能增量的公式表达式为：

E＝Fx。

6.根据权利要求1或2所述微织构自驱动油滴的脂润滑球轴承，其特征在于：选用角接触球轴承时，确定受载时滚动体与滚道的接触中心位置，以及轴承受载和未受载两种情况下滚动体与滚道的接触中心偏移距离a的方法，具体如下：

角接触球轴承在载荷下最终接触角α和轴向位移δ_a的计算公式为：

其中，F_a为最大推力静载荷，K为载荷-位移系数，Z为滚动体个数，D为滚动体直径，α°为公称接触角，B为总曲率；

其中，查出K值后，用Newton-Raphson法对最终接触角α进行数值求解，迭代方程为：

当α'-α小于δ时，停止迭代，将此时的α'作为最终接触角α；其中，δ为阈值；最终接触角α所在位置即为受载时滚动体与滚道的接触中心位置；最终接触角α与公称接触角α°的差值对应的弧长变化量即为轴承受载和未受载两种情况下滚动体与滚道的接触中心偏移距离a。

7.根据权利要求1或2所述微织构自驱动油滴的脂润滑球轴承，其特征在于：选用推力球轴承时，确定受载时滚动体与滚道的接触中心位置，以及轴承受载和未受载两种情况下滚动体与滚道的接触中心偏移距离a的方法，具体如下：

离心惯性力F_b的公式为：

F_b＝mw²r

其中，m为滚动体的质量，w为滚动体沿着推力球轴承中心旋转运动的角速度，r为滚动体沿着推力球轴承中心旋转运动的旋转半径；

通过离心惯性力F_b和轴向载荷C计算最终接触角的公式为：

计算得到的最终接触角α所在位置即为受载时滚动体与滚道的接触中心位置，最终接触角α与公称接触角的差值对应的弧长变化量即为轴承受载和未受载两种情况下滚动体与滚道的接触中心偏移距离a。

8.根据权利要求1所述微织构自驱动油滴的脂润滑球轴承的微织构加工方法，其特征在于：该方法具体为：

步骤一、液滴驱动区域带的参数设定和计算：设定微织构的宽度W和高度D，并设定液滴驱动区域带的梯度区域个数以及各梯度区域要实现的液滴表面接触角；然后，将各梯度区域的液滴表面接触角代入公式(1)计算出各梯度区域中微织构单元阵列的相邻微织构间距H；

步骤二、确定液滴驱动区域带位置：根据轴承的参数和工况计算出受载时滚动体与滚道的接触中心位置，以及轴承受载和未受载两种情况下滚动体与滚道的接触中心偏移距离a，从而确定滚道上的核心受力区域带；然后预设加工余量确定加工余量区域带，将滚道上除去核心受力区域带和加工余量区域带的剩余两侧区域作为两个液滴驱动区域带；

步骤三、材料检查：筛除滚道表面有裂纹、毛刺或划痕的轴承半成品；

步骤四、对于合格的轴承半成品，使用激光加工设备在滚道的液滴驱动区域带的各梯度区域加工微织构单元阵列；

步骤五、对滚道上加工微织构的位置进行表面处理，去除毛刺。

Images