使用各向同性修整和薄膜涂層的軸承的再制造
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及軸承組件修復，并且更具體地涉及結合使用各向同性修整和薄膜涂層再制造軸承元件的系統(tǒng)和方法。
【背景技術】
[0002]在工業(yè)和運輸過程中，摩擦是恒定的危害，并且長期以來減少摩擦影響的主要工具是軸承組件。軸承具有許多形狀，包括滾珠軸承、滾子軸承、滾針軸承等等。軸承所提供的主要優(yōu)點是將其他情況下是高摩擦滑動界面轉換成低摩擦滾動界面。
[0003]然而，盡管軸承可有助于減少摩擦，但軸承組件(滾動元件和座圈)仍然受到某種程度的磨損。正因為如此，必須周期性地替換或修復軸承。盡管在一些處理或重新潤滑之后可以再使用軸承組件的某些部分，但通常丟棄并且替換滾動元件本身。例如，參見轉讓給Timken的美國專利7，591，107，其描述了通過丟棄并且替換使用過的座圈和滾動元件對使用過的軸承組件進行修復。
[0004]從經(jīng)濟的角度來看，優(yōu)先的選擇確實是替換而不是修復小型軸承元件；然而，大型軸承元件意味著在材料成本和勞動力方面更大的投資，并且丟棄和替換此類大型部件可變得過分昂貴。
[0005]除在替換軸承元件中所包括的材料和勞動力成本之外，僅依賴于替換還可使制造商或用戶面臨供應鏈中斷的風險。盡管有時可能在修復期間簡單保持滾動元件，但滾動元件已減少的使用壽命和隨后的拆卸成本經(jīng)常一起使這種選擇在經(jīng)濟上難以實施。
[0006]代替用于修復此類滾動元件的成功策略，人們已經(jīng)做出許多嘗試以加強新的軸承。例如，也轉讓給Timken的美國專利5，503, 481提出了用于延長軸承部件使用壽命的各向同性拋光工藝。在‘481專利中描述的工藝是多步驟拋光工藝，其增加表面光滑度并且因此減少摩擦和轉矩。然而，一旦滾動元件已經(jīng)磨損，‘481專利就不能對它們進行修復。正因為如此，根據(jù)‘481專利的修復將可能以與來自相同代理人的同時期的‘107專利相同的方式進行，即，丟棄和替換滾動元件。
[0007]本發(fā)明涉及解決一個或多個上述闡述的問題的系統(tǒng)和方法。然而，應該清楚，任何特定問題的解決方案均非對該發(fā)明范圍或隨附權利要求的限制除非明確地表明。另外，除另外清楚表明之外，包括在該背景部分中的任何問題或解決方案均并非指示該問題或解決方案代表已知的現(xiàn)有技術。

【發(fā)明內容】

[0008]根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了用于處理第一軸承組件的部件的方法，所述部件具有初始使用壽命，該方法包括，使用軸承組件中的部件至其初始使用壽命的大部分，將該部件從軸承組件中移除，對移除的部件的表面進行各向同性修整，在各向同性修整之后，將防護磨損涂層涂覆到部件的表面，并且將涂覆的部件安裝在第二軸承組件中。
[0009]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供用于延長軸承組件的部分使用部件的使用壽命的方法。該部件的初始使用壽命短于初始各向同性修整防護涂覆部件的使用壽命。該方法包括對部分使用的部件的表面進行各向同性修整，并且將防護磨損涂層涂覆到部分使用的部件的表面。這樣，部件的整體使用壽命基本上等于初始各向同性修整的防護涂覆部件的使用壽命O
[0010]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供已修復的軸承組件。已修復的軸承組件包括軸承座圈和已修復的軸承滾子元件。通過使用已修復的軸承滾子元件至長于其初始使用壽命的50%，接著進行各向同性修整、涂覆以及到安裝到軸承組件以對其進行處理，使得已修復的軸承滾子元件在軸承組件中顯示出低于由初始各向同性修整的和涂覆的軸承滾子元件所顯示的磨損率。
[0011]通過與所包含的附圖結合閱讀以下詳細的發(fā)明，所公開系統(tǒng)和原理的其他特征和優(yōu)點將變得顯而易見。
【附圖說明】
[0012]圖1為滾子軸承組件的簡化剖視圖和安裝環(huán)境，在該安裝環(huán)境中可以實施所公開原理的一個或多個實施例；
[0013]圖2為示出涂覆的滾子元件和未涂覆的滾子元件兩者的通常壽命磨損曲線的壽命曲線圖；
[0014]圖3為示出涂覆的滾子元件和未涂覆的滾子元件兩者，以及根據(jù)所公開原理的方面已修復的滾子元件的壽命磨損曲線的壽命曲線圖；
[0015]圖4為示出根據(jù)所公開原理的實施例的軸承處理工藝的流程圖；以及
[0016]圖5為示出在所公開的原理的實施例中的處理步驟和相關聯(lián)設備的階段式結構圖。
【具體實施方式】
[0017]本發(fā)明提供用于準備軸承滾子元件的系統(tǒng)和方法，使得它們顯示出比未涂覆的軸承磨損曲線和涂覆的軸承磨損曲線兩者都淺的最終磨損曲線。在實施例中，使用未涂覆的狀態(tài)下的諸如滾子、滾珠、滾針等的滾子元件計它們使用壽命的一部分。然后，對滾子元件進行各向同性超精修整和薄膜含碳涂層的涂覆。各向同性光潔度是，相比于諸如工具痕跡的方向性缺陷，其中的缺陷通常是非方向性的光潔度。一旦重新使用此類軸承，它們出乎意料地會以甚至比首次使用前涂覆的軸承更低的速率經(jīng)受磨損，例如點蝕疲勞。
[0018]轉到附圖，圖1為滾子軸承組件的簡化剖視圖和安裝環(huán)境，在該安裝環(huán)境內可實施所公開的原理的一個或多個實施例。滾子軸承組件I包括在內座圈3和外座圈4之間捕獲的多個圓柱滾子2。滾子軸承組件I可包括其他未示出的元件，例如滾輪銷或滾輪軸、軸承罩或軸承承托等。外座圈4設置在軸承吊架或其他固定夾具5中的凹槽中，并且通過緊密配合被限制旋轉，同時通過摩擦配合將內座圈3釘在或固定在諸如輪軸6的固定元件上。
[0019]在該配置中，當輪軸6相對于固定夾具5旋轉時，圓柱滾子2在內座圈3與外座圈4之間滾動，以實現(xiàn)滾動接觸而不是滑動接觸。盡管所示的軸承組件I配置成推力軸承以接收軸向負載，但對于多數(shù)軸承類型會發(fā)生類似的動態(tài)過程。例如，配置成接收徑向負載的滾珠軸承組件包括徑向面對的內滾珠座圈和外滾珠座圈。
[0020]盡管在滑動界面上使用軸承是很大的改善，然而滾子元件要受到磨損并且使用壽命有限。點蝕疲勞為磨損的主要壽命限制形式。當鄰接表面之間的輕微滑動引起表面屈服、出現(xiàn)蝕點時，開始點蝕疲勞磨損。因此，由于疲勞形成的蝕點的尺寸將增大，并且最終將影響軸承的功能。如果在定期檢查期間未檢測到軸承的磨損情況，則其可最終表現(xiàn)為粗糙度和/或轉向阻力的增加，并且一個或多個滾動元件最終會完全失效，例如通過解體，導致功能的全部喪失。
[0021]如稍后將在本文中更詳細描述，作為一種抗磨損的強化的手段，可各向同性修整并且涂覆軸承滾子元件和/或相關聯(lián)的固定元件。各向同性修整修改表面光潔度和/或紋理，以便通過在可發(fā)生滑動的應用中減少磨傷或磨損來改善性能。各向同性修整與防護涂層結合用來通過降低點蝕疲勞并延長滾子元件的使用壽命以改變滾子元件的磨損特性。
[0022]圖2為示出涂覆的滾子元件和未涂覆的滾子元件兩者的通常壽命曲線的壽命曲線圖。具體地，第一曲線11對應于無修整的、未涂覆的軸承滾子元件，而第二曲線12對應于各向同性修整的且防護涂覆的軸承滾子元件?？梢钥吹剑趦煞N情況下，零件的剩余壽命隨著使用時間的增加而減少，其中兩個零件最終均達到為零的剩余壽命。然而，對應于無修整的、未涂覆的軸承滾子元件的第一曲線11明顯地更陡峭，表明未修整的滾子在其整個使用壽命中比各向同性修整且防護涂覆的滾子磨損的更加迅速。
[0023]在一個實施例中，無修整且未涂覆的滾子元件通過在其使用壽命的大約75%時從主體軸承組件中移除，接著對使用過的滾子元件進行各向同性修整和涂覆以達到修復的目的。用這種方法，發(fā)現(xiàn)如此處理的滾子元件的磨損曲線比初始各向同性修整的且防護涂覆的軸承滾子的磨損曲線更加緩和。也就是說，使用此類滾子元件的每小時的磨損量比使用初始各向同性修整的且防護涂覆的滾子元件的每小時的磨損量甚至更少。
[0024]就此而言，圖3為示出涂覆的滾子元件和未涂覆的滾子元件兩者，以及以前述方式修復的滾子元件的壽命曲線的壽命曲線圖。具體地，除對應于無修整的、未涂覆的軸承滾子元件的第一壽命曲線11和對應于各向同性修整的且防護涂覆的軸承滾子元件之外，第二壽命曲線圖15還示出已修復的滾子元件的第三壽命曲線16。
[0025]由壽命曲線16表示的已修復的滾子元件是已經(jīng)在其未涂覆的壽命的大約75%時從軸承組件中移除，并且通過各向同性修整和涂覆再處理的滾子元件。稍后將在下面討論各向同性修整和涂覆的細節(jié)，但第三磨損曲線16的突出特征是其斜率比第一壽命曲線11和第二壽命曲線12兩者更小。也就是說，已修復的軸承的磨損率甚至比初始各向同性修整且涂覆的滾子元件的磨損率更低。盡管本領域的技術人員已經(jīng)預期到已修復的滾子元件的磨損率將簡單地匹配于初始修整且涂覆的滾子元件的磨損率，但修復過程出乎意料地甚至進一步降低了磨損率。
[0026]第三壽命曲線16的另一個突出特征(如果是出乎意料的話)是已修復的滾子元件的整體使用壽命(從當嶄新時的首次安裝到修復并重新安裝之后的最終移除)，可以與初始各向同性修整的且涂覆的滾子元件的整體使用壽命一樣長，這取決于何時修復滾子元件。例如，參見示例性壽命曲線17的范圍。因此，以預定方式的修復不僅在某種程度上減緩磨損率并且延長滾子元件的壽命，而且它實際上產(chǎn)生了與初始處理的軸承的使用壽命基本上匹配的初始未處理的軸承的整體使用壽命。
[0027]關于將參照圖4更詳細討論的各向同性修整，可處理滾子元件使軸承表面上的表面光潔度達到大約0.40-0.75微米(16-30 μ in)。對于各向同性修整，然后例如通過25%重量的325粒度的氧化鋁在適合于零件幾何形狀和材料硬度的并且在大約25.4mm(l英寸)到大約6.35mm(0.25英寸)(各種形狀)的尺寸范圍內的媒介中處理零件。
[0028]各向同性修整的處理過程包括兩個循環(huán)，也就是切削循環(huán)和拋光循環(huán)。循環(huán)時間取決于初始表面光潔度和零件幾何形狀公差。就后者而言，應當選擇循環(huán)次數(shù)使得零件幾何形狀(例如，角部、圓度、斜率、開口等)保持在公差以內。在一個實施例中，在添加拋光循環(huán)流體之前或添加流體以維持流體的PH之前，無需移除切削液或拋光液體。
[0029]在一個實