專利名稱：機械元件表面的處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及拋光機械元件高負(fù)載表面的領(lǐng)域。作為這種機械元件的一個例子，可以參考滾動元件軸承、凸輪軸和齒輪。這些元件通常得到潤滑以至于提供例如軸承的滾珠和滾道之間所需要的分離。
背景技術(shù)：
但是，由于近來的發(fā)展，這種機械元件的潤滑情況似乎變得越來越不理想。潤滑情況變差的首要原因是，為減小摩擦損失而降低潤滑劑粘度的趨勢。此外，出于降低維修費用的目的，還存在用脂潤滑代替油潤滑的趨勢。兩種趨勢都傾向于減小工作過程中潤滑劑的膜厚度。
這些發(fā)展已經(jīng)提高了表面工程的重要性。具體地說，如軸承套圈的滾道的表面或滾動元件的表面應(yīng)該以某種方式處理以至于在膜很薄的情況下也有可能延長工作壽命。高負(fù)載表面應(yīng)該對局部的金屬與金屬接觸具有很好的抵抗力以至于避免摩擦和/或磨損和/或微蝕。此外，應(yīng)該避免磨合現(xiàn)象并且疲勞特性應(yīng)該良好。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是提供一種用于滿足這些需要的高負(fù)載表面的拋光處理。該目的通過一種處理諸如滾動元件軸承的滾道等機械元件的表面的方法來達(dá)到，包括如下步驟
使該表面接受硬切削(hard turning)處理以至于獲得具有一系列交替的脊和溝槽的特定粗糙輪廓，在硬切削操作之后使該表面接受球砑光(ball calendering)操作以至于壓平粗糙輪廓的脊，由此獲得小于5°的Δq值。優(yōu)選的是，獲得的Δq值小于2°并且大于1°。
通過公知的硬切削操作，在最初的機加工操作中在表面上獲得鋸齒狀輪廓。通過隨后也公知的球砑光操作，所述鋸齒狀輪廓被壓平。于是，尖峰通常獲得大致相等的高度，這提供了通常為正弦形狀且成比例的表面。同時，由球砑光操作引起的表面材料的壓縮導(dǎo)致強化效應(yīng)。
因此，根據(jù)本發(fā)明的方法適合于獲得類正弦(sinusoidal-like)表面。與此同時，所述方法可包括以相同進(jìn)給速度進(jìn)行硬切削操作和球砑光操作的步驟。
進(jìn)給切削工具的速度和進(jìn)給球砑光工具的速度選擇為相對于于機械元件的旋轉(zhuǎn)速度而言是相等的。結(jié)果，假使由硬切削操作產(chǎn)生的銳利尖峰和凹谷被修平并且形成類正弦形狀，那么通過硬切削操作獲得的表面結(jié)構(gòu)就得到很大程度的保持。
具體地說，根據(jù)本發(fā)明的方法可以包括如下步驟繞其一個軸線旋轉(zhuǎn)機械元件，平行于該軸線沿旋轉(zhuǎn)機械元件的表面移動硬切削工具以進(jìn)行切削操作，選擇硬切削工具移動速度與機械元件旋轉(zhuǎn)速度之間的特定比值，隨后平行于該軸線沿旋轉(zhuǎn)硬切削后的機械元件的表面移動球砑光工具以進(jìn)行球砑光操作，選擇球砑光工具移動速度與進(jìn)行切削操作時的機械元件旋轉(zhuǎn)速度之間的特定比值，該比值和硬切削工具移動速度與進(jìn)行切削操作時的機械元件旋轉(zhuǎn)速度之間的特定比值相等。
因此，根據(jù)本發(fā)明的方法為所討論的元件提供了大大改進(jìn)的表面拋光。球砑光操作可以在單個生產(chǎn)運作中在硬切削操作之后直接進(jìn)行，由此就發(fā)現(xiàn)了高效節(jié)省費用的操作。明顯的是，如此獲得的機械元件具有改進(jìn)的表面下(sub-surface)應(yīng)力分布，導(dǎo)致更好的抹擦、磨損和疲勞抵抗性。此外，磨合和分離特性也得到改進(jìn)。實際上，這些特性看起來似乎與數(shù)學(xué)上(理論上的)光滑的表面大致一樣。
優(yōu)選的是，球砑光操作通過例如由氮化硅Si3N4構(gòu)成的陶瓷球進(jìn)行。所述球可以具有2至13mm的直徑。由所述球施加于表面上的壓力可以達(dá)到50至400巴的值。
獲得的殘余表面下壓應(yīng)力最大可以達(dá)到800MPa。具有壓應(yīng)力的區(qū)域可延伸直至表面以下500微米的深度。這些特性導(dǎo)致改進(jìn)的抗疲勞性。
優(yōu)選的是，應(yīng)用一種球砑光工具，在該工具中球經(jīng)過壓力介質(zhì)而被支承，所述壓力介質(zhì)的靜壓在50巴至400巴范圍內(nèi)。


下面將進(jìn)一步參考

本發(fā)明。
圖1顯示了包括通過球砑光操作獲得的粗糙度的降低與球砑光操作過程中施加的壓力的關(guān)系的圖。
圖2和圖3顯示了分別以150和400巴壓力采用6mm球?qū)τ睬邢鞅砻嫣幚砗蟊砻娓叨鹊淖兓?br> 圖4顯示了光滑表面的理想赫茲壓力分布的俯視圖。
圖5顯示了根據(jù)本發(fā)明獲得的表面的類似應(yīng)力分布。
圖6顯示了赫茲接觸中光滑表面的Von Mises應(yīng)力場。
圖7顯示了通過根據(jù)本發(fā)明的方法獲得的表面的類似圖。
圖8顯示了作為球砑光操作過程中所應(yīng)用的進(jìn)給速度與相對壽命的關(guān)系。
圖9顯示了作為隨后制造的測試盤的深度與殘余應(yīng)力的關(guān)系。
圖10顯示了球砑光操作之前和之后的殘余應(yīng)力。
圖11顯示了根據(jù)本發(fā)明的方法獲得的硬切削表面的殘余應(yīng)力分布。
圖12顯示了在400巴的球砑光壓力情況下獲得的殘余應(yīng)力。
圖13顯示了硬切削表面的分離或剝離計算的結(jié)果。
圖14顯示了根據(jù)本發(fā)明的方法獲得的表面的剝離計算。
圖15顯示了在采用根據(jù)本發(fā)明的處理獲得的表面上和一個研磨表面上進(jìn)行的磨合試驗。
圖16顯示了磨損測試的結(jié)果。
具體實施例方式
如前所述，本發(fā)明涉及拋光例如滾動元件軸承等的高負(fù)載表面的領(lǐng)域。在滾動元件和套圈表面之間的接觸中存在赫茲接觸。表1顯示了陶瓷球在平坦鋼表面上的簡單赫茲接觸計算值，其中球尺寸和壓力變化。
表1

當(dāng)最大接觸應(yīng)力Pmax達(dá)到1.8Y時塑性變形產(chǎn)生，其中Y是純拉伸中的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力(use stress)。該表說明在光滑表面上的塑性變形將已經(jīng)在50巴的壓力下發(fā)生。因此在如此高的壓力下任何粗糙度特征也必定將塑性變形。因此，球砑光操作已經(jīng)在50巴的很低壓力下通過塑性變形改變表面。
圖1顯示了壓力對Ra值的影響。一個硬化鋼盤接受通過6mm球和每轉(zhuǎn)0.05mm的進(jìn)給速度而進(jìn)行的球砑光操作。球砑光壓力從100變化至300巴。在球砑光操作之前和之后在實際上相同的點進(jìn)行表面粗糙度測量。從圖1可以清楚看到，Ra值降低大約20％至70％。
此外，已經(jīng)在應(yīng)用球砑光操作之前和之后對表面形貌的變化進(jìn)行了研究。通過光學(xué)輪廓測定儀繪制出表面。圖2顯示了橫貫運行方向的平均輪廓。測量值已經(jīng)進(jìn)行匹配以至于兩種測量值共面。
圖3顯示了對于在球砑光操作中施加了400巴的壓力的表面結(jié)構(gòu)的相同組測量的結(jié)果。兩幅圖都顯示了球砑光對真實表面高度具有影響。塑性變形減少了尖銳的鋸齒結(jié)構(gòu)，于是使其更平坦。結(jié)果，獲得差不多為正弦形表面結(jié)構(gòu)。應(yīng)該注意到，已變形表面的表面高度的基準(zhǔn)線已經(jīng)選擇為使得已變形和未變形表面在圖3粗糙度的凹谷中相對應(yīng)。
因此，理想硬切削的并隨后球砑光的表面(下面也稱為表面成比例化(proportioned)的和強化的(SPS)表面)具有縱向正弦微結(jié)構(gòu)。已經(jīng)針對這種表面對壽命的影響進(jìn)行了研究，因為已經(jīng)對這種理想化表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行了計算。已經(jīng)通過多柵格技術(shù)對表面和表面下應(yīng)力進(jìn)行了計算。對于光滑的表面和采用球砑光操作獲得的理想化的表面結(jié)構(gòu)，壓力和表面下應(yīng)力的例子示于圖4和5(俯視圖)以及圖6和圖7(剖視圖)中。
此外，已經(jīng)對疲勞壽命進(jìn)行了計算，其計算結(jié)果示于表2中。
表2

表2顯示了涉及這種接觸的軸承類的球砑光表面的壽命計算值，即在接觸處球以最大赫茲應(yīng)力分別為2.5、2.0和1.6GPa的方式被加載。從表2中可以清楚看到，粗糙表面的壽命大于相應(yīng)的數(shù)學(xué)上光滑表面的壽命。
根據(jù)計算，已經(jīng)很清楚，對于疲勞壽命降低的主要原因是由位于其表面下一定深度的結(jié)構(gòu)的部分所引起。在應(yīng)用球砑光操作之后，由過度滾壓產(chǎn)生失效的危險僅在位于表面下相對較小深度處更高。這一點從圖7中可以清楚看到。所述圖7顯示了由球所施加的負(fù)載主要由波峰脊(asperity ridge)承載。這里，應(yīng)力比圖6中所示結(jié)構(gòu)的光滑實施例高出很多。因此，在根據(jù)圖7的球砑光的表面中，接近表面的表面下應(yīng)力更高，這將引起疲勞壽命降低。凹谷中的壓力經(jīng)常為零。這并不奇怪，因為表面基準(zhǔn)在表面處和就在表面下產(chǎn)生應(yīng)力，這通常導(dǎo)致壽命降低。
在硬切削并隨后球砑光的SPS表面的情況下，該影響受到如下事實的限制，即赫茲應(yīng)力分布上的應(yīng)力擾動非常成比例。因此，沒有特別高的壓力存在。粗糙峰都顯示出相同高度并且負(fù)載很好地分布在所有波峰脊上。這導(dǎo)致SPS表面的減弱壽命降低。
在表面下更大深度，疲勞累積(fatigue integral)對SPS表面顯示出與圖6中表面相比更小的值，如圖7中所示。因此，SPS表面的壽命將得到延長。所討論的更小的值由SPS表面的表觀接觸面積的擴(kuò)大所引起。該表觀接觸面積不得不為通過所述脊承載的負(fù)載的表面而增加，以實現(xiàn)負(fù)載和應(yīng)力與接觸面積乘積之間的平衡。因此，表面下應(yīng)力得以降低，這示于表3和圖8中。
表3

圖8顯示了對于三個不同負(fù)載水平的表面的Δq值的函數(shù)繪制的真實和表觀表面面積?？梢钥闯?，軸承壽命L10是波峰斜度的函數(shù)。各Δq值對應(yīng)于25、50和100微米每秒的進(jìn)給速度。表觀接觸面積通過增加粗糙度而增加。另一方面，真實接觸面積通過增加粗糙度而降低(另外參見圖4和圖5)。通過增加粗糙度，從這些數(shù)值上可以看出波峰脊承受負(fù)載。結(jié)果，真實接觸面積將降低。疲勞壽命計算值表明這兩種影響差不多平衡。結(jié)果，高負(fù)載理想SPS表面的疲勞壽命等于或者稍高于數(shù)學(xué)上光滑的表面。對于更小的負(fù)載，壽命甚至顯著增加。
另外很清楚，該影響不會對所有SPS表面產(chǎn)生。如果表面斜度(Δq值)太高，SPS表面也顯示出軸承壽命L10上的降低。
現(xiàn)在關(guān)注如下現(xiàn)象，即微塑性變形改變表面下殘余應(yīng)力場并且影響疲勞壽命。在SPS表面的情況下，存在兩種影響殘余應(yīng)力場的作用硬切削操作和球砑光操作。硬切削可能產(chǎn)生拉或壓應(yīng)力，然而球砑光操作只產(chǎn)生壓應(yīng)力。最終的應(yīng)力級別是兩種處理組合的結(jié)果。對于單種處理和兩種處理組合的測量值示于圖9中。
圖9顯示了在十個盤上進(jìn)行測試的結(jié)果，從而研究工具磨損對殘余應(yīng)力發(fā)展的影響。該圖顯示了從第一個、第五個和第十個盤獲得的殘余應(yīng)力。該圖清楚地顯示了工具磨損對殘余應(yīng)力發(fā)展的影響。工具磨損引起表面附近的拉應(yīng)力。因此，建議盡可能使用新工具刀頭。
圖10顯示了僅僅通過球砑光操作引起的殘余應(yīng)力級別的影響。一個在熱處理之后僅僅輕度拋光的新表面已經(jīng)接受球砑光操作。結(jié)果表明殘余應(yīng)力在直到100微米的深度處已經(jīng)變成壓應(yīng)力。
圖11顯示了隨后已經(jīng)接受球砑光操作的硬切削表面的殘余應(yīng)力分布。其中使用了貝氏體(Bainitec)硬化鋼和新的硬切削工具。盡管SPS處理稍微影響表面，但是，主要作用是在表面以下很深的區(qū)域。該試驗表明球砑光操作不僅改變表面附近的應(yīng)力級別，而且對表面以下更深處的應(yīng)力級別也有主要作用。應(yīng)力級別可受到壓力、進(jìn)給速度和球尺寸的影響。圖12中顯示了一個例子，其中施加了非常高的壓力。殘余應(yīng)力在整個深度上都非常高。
此外，已經(jīng)對采用SPS處理制造的圓盤對剝離(lift-off)速度進(jìn)行了計算。剝離速度是建立完全分離的潤滑膜所需的最小速度。它被用于確定潤滑接觸中的表面性能。良好的表面拋光具有很低的剝離速度，這意味著該表面能夠在已經(jīng)很低的旋轉(zhuǎn)速度下建立膜。
已經(jīng)在大致相同的點在球砑光操作之前和剛剛處理之后使用軌跡中的基準(zhǔn)測量值對剝離曲線進(jìn)行了計算。結(jié)果示于圖13和圖14中，其中硬切削的表面結(jié)構(gòu)標(biāo)示為“HT”，而球砑光的表面標(biāo)示為“SPS”。圖中表明對于各硬切削的表面，剝離速度并非恒定。在所有的情況中，球砑光操作已經(jīng)降低了剝離速度。
磨合是粗糙度在軸承操作期間改變至實現(xiàn)完全分離的狀態(tài)的處理。通常，在兩個階段之間進(jìn)行區(qū)別一個波峰塑性變形的階段和一個輕度磨損階段。
圖15顯示了兩個磨合試驗的結(jié)果。很清楚，研磨的表面顯示了傳統(tǒng)的磨合特性。開始，摩擦系數(shù)信號在初始的50分鐘內(nèi)快速變化，之后跟隨的是輕度磨損階段，此時摩擦系數(shù)信號以低于先前的速度變化。
SPS表面避開了第一階段的塑性變形。這并不奇怪，因為該塑性變形實際上在球砑光操作中發(fā)生。因此，球砑光操作可以認(rèn)為是磨合處理。
研磨的和SPS表面的性能的結(jié)果示于圖16中。耐磨性涉及粘著磨損、抹擦、磨損或磨傷。這些現(xiàn)象通常在滑動操作情況下發(fā)生。為了了解滑動中的壽命表現(xiàn)，加速測試策略已經(jīng)開展。
圖16顯示了進(jìn)行得很好的超光滑測試表面(研磨Ra＝0.05)。潤滑膜引起的完全分離導(dǎo)致很高的耐磨性。研磨成Ra＝0.2和研磨成Ra＝0.1的傳統(tǒng)粗糙表面對于全部潤滑劑和全部負(fù)載都顯示出很差的性能。與這些研磨表面相比，盡管其基準(zhǔn)很高，但SPS表面很顯然表現(xiàn)得好很多。
權(quán)利要求
1.一種處理諸如滾動元件軸承的滾道和/或滾動元件等機械元件的表面的方法，包括如下步驟使該表面接受硬切削操作，以獲得具有一系列交替的脊和溝槽的特定粗糙輪廓，在硬切削操作之后使表面接受球砑光操作，以壓平所述粗糙輪廓的脊，由此獲得小于5°的Δq值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，獲得小于2°的Δq值。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，獲得大于1°的Δq值。
4.根據(jù)前面權(quán)利要求中任一所述的方法，其特征在于，球砑光操作通過例如由氮化硅Si3N4構(gòu)成的陶瓷球進(jìn)行。
5.根據(jù)前面權(quán)利要求中任一所述的方法，其特征在于，所述球具有2至13mm的直徑。
6.根據(jù)前面權(quán)利要求中任一所述的方法，其特征在于，由所述球施加于所述表面上的壓力達(dá)到50至400巴的值。
7.根據(jù)前面權(quán)利要求中任一所述的方法，其特征在于，殘余壓應(yīng)力最大達(dá)到800MPa。
8.根據(jù)前面權(quán)利要求中任一所述的方法，其特征在于，具有壓應(yīng)力的區(qū)域延伸直至表面以下500微米的深度。
9.根據(jù)前面權(quán)利要求中任一所述的方法，其特征在于，應(yīng)用了一種球砑光工具，在該工具中球經(jīng)過壓力介質(zhì)而被支承，所述壓力介質(zhì)的靜壓在50巴至400巴范圍內(nèi)。
10.根據(jù)前面權(quán)利要求中任一所述的方法，其特征在于，獲得類正弦表面。
11.根據(jù)前面權(quán)利要求中任一所述的方法，包括以相同進(jìn)給速度進(jìn)行硬切削操作和球砑光操作的步驟。
12.一種根據(jù)本發(fā)明的方法，包括如下步驟繞其一個軸線旋轉(zhuǎn)機械元件，平行于該軸線沿旋轉(zhuǎn)著的機械元件的表面移動硬切削工具以進(jìn)行切削操作，選擇硬切削工具移動速度與機械元件旋轉(zhuǎn)速度之間的特定比值，隨后平行于該軸線沿旋轉(zhuǎn)著的硬切削后的機械元件的表面移動球砑光工具以進(jìn)行球砑光操作，選擇球砑光工具移動速度與進(jìn)行切削操作時的機械元件旋轉(zhuǎn)速度之間的特定比值，該比值和硬切削工具移動速度與進(jìn)行切削操作時的機械元件旋轉(zhuǎn)速度之間的特定比值相等。
全文摘要
一種處理諸如滾動元件軸承的滾道和/滾動元件等機械元件的表面的方法，包括如下步驟使表面接受硬切削操作，以獲得具有一系列交替的脊和溝槽的特定粗糙輪廓，在硬切削操作之后使表面接受球砑光操作，以壓平粗糙輪廓的脊，由此獲得小于5°的Δq值。
文檔編號C21D7/08GK1812866SQ200480018181
公開日2006年8月2日 申請日期2004年5月5日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月5日
發(fā)明者彼得·馬丁·盧格特 申請人:Skf公司