一种轴承套圈滚道表面的应力消减装置的制作方法

本发明涉及一种轴承套圈滚道表面的应力消减装置，尤其涉及一种消减轴承套圈滚道的表层应力集中，改善轴承表层应力分布规律的超声振荡复合挤压磨粒流应力消减装置，使轴承的接触疲劳从滚道表层过渡到亚表面层，通过机械加工手段实现轴承套圈滚道的抗疲劳制造装置。

背景技术：

轴承作为装备制造业中的核心零部件，其传统机械加工过程主要以“成形”制造作为基础，但是“成形”制造过程中，主要考虑轴承的尺寸精度、加工精度等表征轴承套圈尺寸等形位公差的精度指标，对加工过程中轴承产生的残余应力、表面硬化等表征物理性能的指标并没有考虑，而实际加工轴承套圈时，在热处理淬火后，磨削过程中，第一，在砂轮刚性磨削作用下的材料去除力作用；第二，在砂轮磨削时，由于摩擦在被加工表面产生的局部高温作用；第三，在砂轮刚性去除力及由于摩擦产生的局部高温，在此状态下，又附加冷却液的作用；这三重因素的影响下，极大的改变了轴承套圈表面及亚表面的应力分布状态，产生了极大的残余应力无法消除，并在表层产生应力集中，导致轴承套圈滚道在运转过程中，按照轴承设计理论，本应发生在亚表面层，由于轴承循环应力导致的接触疲劳损坏产生的微裂纹而产生的正常失效，却由于残余应力的作用，产生应力集中，使裂纹发生在轴承套圈表层，进而导致轴承过早失效，寿命降低，是影响长寿命高品质轴承的主要因素。而目前消除残余应力，主要是通过自然时效方式、人工时效(热处理)、离心式振动、锤击等方式来改变零件的残余应力，而对于轴承套圈滚道的应力消除来讲，自然时效时间长，甚至需要1年到2年的时间，影响企业生产，而人工时效(热处理)的方式工艺复杂，需要对轴承套圈的整个生产工艺进行调整，目前还没有一套成熟的人工时效轴承套圈的热处理加工工艺，而目前的振动去应力方式，主要采用离心式振动，频率低，只能消除残余应力的20％左右，所以目前的残余应力消除方法都无法释放轴承套圈的表层应力，特别是消除表层的应力集中，并且也还没有专门适合的轴承套圈滚道的残余应力消除专机，而轴承磨削过程中通过砂轮的刚性挤压以及磨削产生热的影响，以及突然施加冷却液使轴承表面在磨削过程中产生巨大的残余应力，无法消除，因此研制一种专用的轴承套圈滚道残余应力去除装备消减轴承表面的残余应力，降低应力集中，以提高轴承寿命，实现抗疲劳制造的“成性控制”在轴承的机械加工过程中十分必要。

轴承作为装备制造业中的核心零部件，机械加工是其制造过程中延续最长的工艺链，其精磨及传统的油石超精都会引入表面的应力集中，而目前的磨粒流抛光具有消减残余应力，提高表面完整性的作用，但目前的磨粒流设备只用于零件的抛光方面，对轴承套圈的残余应力消减及去除表面的应力集中并没有应用，特别是通过附加超声波进行高频振荡的方式是一种可行的方法。

磨粒流是一种柔性流体磨粒，其在加工工件表面时，遇到硬点会自动产生退让，不会破坏晶格结构，应用磨粒流的柔性加工特性，在进行轴承套圈滚道的表面抛光的同时，通过增加附加超声波的高频振荡，增加磨粒撞击轴承套圈滚道表面的强度，进而在抛光轴承套圈滚道的同时消减加工表层的残余应力，降低应力集中从而实现轴承套圈滚道抗疲劳制造的“成性”制造技术。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决轴承套圈磨削过程中，由于砂轮的快速刚性挤压工件表面，在磨削高温的影响下，并同时进行润滑液的冷却，导致在轴承表面产生的残余应力无法消除，并在表面产生应力集中这一问题，发明一种轴承套圈滚道表面的残余应力消减方法，来改变轴承套圈表层的应力分布状态，通过机械加工手段实现轴承套圈滚道的“成性”控制。本发明具体采用如下技术方案：

一种轴承套圈滚道表面的应力消减装置，其包括机架、连接板、支撑肋板、碳纤维软管、壳体、夹具体，所述机架上固定有所述连接板，所述支撑肋板焊接在所述连接板上，所述支撑肋板上固定有液压缸和料缸，所述液压缸中活塞杆通过螺纹与推料活塞相连接，所述料缸的法兰连接有推料缸盖，所述碳纤维软管一端套在所述推料缸盖圆形出料嘴上，另一端固定套在所述壳体圆形进料嘴上，壳体上设置有所述夹具体。

优选地，所述夹具体连接有t型块，所述t型块固定于t型振动工作台上，所述t型振动工作台下方通过法兰盘连接有振动杆，所述振动杆与变幅杆连接为一体，所述变幅杆与换能器连接，所述换能器连接有超声波发生器，所述超声波发生器和换能器均连接在机架上，所述t型振动工作台和机架上分别设置有弹簧支撑座,弹簧支撑座上设置有弹簧。

优选地，将轴承工件安装在所述应力消减装置上后，打开所述推料缸盖，将含估量在95％以上的粘性磨料装入料缸中，装满后，合上所述推料缸盖并用螺栓拧紧，完成装料；启动液压系统，使所述液压缸工作，推动所述推料缸活塞运动，推动粘性磨料依次进入所述碳纤维管、所述壳体并进入所述夹具体的预设流道中，当稳定运行一个工作循环后，启动所述超声发生器，使超声波通过所述换能器、所述变幅杆、所述振动杆带动所述t型振动工作台高频运动，当一定的振动时间后，停止所述超声波发生器高频振荡，待粘性磨料挤压运行1个循环，停止液压系统运行，加工结束；加工结束后，打开所述壳体取出所述夹具体，并取出被加工的轴承，并将轴承擦拭干净，最后清理设备中的粘性磨料，并回收，以备下一次加工使用。

本发明具有如下有益技术效果：

1.本发明中采用超声波作为振动动力源，以及粘性磨粒作为振动介质撞击工件表面，相比较单纯依靠超声以及低频振动产生共振来去除应力的方法，使振动产生的作用力直接作用于被加工工件表面，加工更直接，使应力释放更加充分。

2.本发明中采用闭式的高压下具有刚性微粉级的粘性磨粒流在预设的密封腔体内作为振动工作介质撞击工件表面，相比较传统大颗粒磨料作为加工工具，采用开式振动的随机的撞击工件表面，使振动产生的作用力全部作用于被加工表面，加工更加充分，提高应力释放效率。

3.本发明中的振动介质采用液压推动磨粒流高速挤压的方式作用于工件表面，使磨粒本身对工件表面产生微量切削的作用，在此状态下，采用超声振动方式，其纵向机械波的穿透性强，不但消减表面应力集中，而且通过微量切削表面，可进一步撞击被工轴承套圈的亚表面层，强化变质层，提高轴承寿命。

附图说明

图1是本发明的闭式超声振荡高压磨粒流系统的结构图。

图2是本发明的闭式超声振荡高压磨粒流的加工原理图。

图3是本发明的闭式超声振荡高压磨粒流的液压系统油路图。

具体实施方式

1-机架；2-连接板；3-左液压缸；4-左支撑肋板；5-左活塞杆；6-左推料活塞；7-左料缸；8-左推料缸盖；9-螺栓；10-螺栓；11-左碳纤维软管；12-左壳体；13-右连接板；14-右支撑肋板；15-右液压缸；16-右活塞杆；17-右推料活塞；18-右料缸；19-螺栓；20-螺栓；21-右推料活塞缸盖；22-弹簧；23-螺母；24-螺母；25-右碳纤维软管；25-轴承内圈；26-右壳体；27-轴承内圈；28-轴承外圈；29-左夹具体；30-右夹具体；31-螺栓；32-螺母；33-螺栓；34-螺母；35-左t型块；36-右t型块；37-螺栓；38-螺母；39-t型振动工作台；40-超声波发生器；41-换能器；42-变幅杆；43-振动杆；44-焊接法兰盘；45-弹簧支撑座；46-弹簧支撑座；47-弹簧支撑座；48-弹簧支撑座；49-弹簧；

如图1所示，本发明的装置包括如下各部分结构及连接方式：

在机架1左端，将左连接板2固定在机架1上，将左支撑肋板4焊接在左连接板2上，将左液压缸3固定在左支撑肋板4上，其中左液压缸3中左活塞杆5通过螺纹与左推料活塞6相连接，在保证同心度的基础上，将左料缸7插入左推料活塞6，并固定在左支撑肋板4上，将左推料缸盖8与左料缸7上面的法兰连接，并分别通过螺母9，螺母10拧紧，将左碳纤维软管11一端套在左推料缸盖圆形出料嘴上，并固定，另一端套在左壳体12圆形进料嘴上，并固定。

同理，在机架1右端，将右连接板13固定在机架1上，将右支撑肋板14焊接在右连接板13上，将右液压缸15固定在右支撑肋板14上，其中右液压缸中右活塞杆16通过螺纹与右推料活塞17相连接，在保证同心度的基础上，将右料缸18插入右推料活塞17，并通过螺栓19，螺栓20固定在右支撑肋板14上，将右推料活塞缸盖21分别与右料缸18上面的法兰连接，并分别通过螺母23，螺母24拧紧。并将右碳纤维软管25一端套在右壳体26的圆形出料口上，并固定，另一端套在右推料缸盖圆形出料嘴上，并固定。

此外，本装置可同时加工轴承内圈27和轴承外圈28，在加工前，分别用左夹具体29，右夹具体30将轴承内圈27和轴承外圈28夹紧，并使螺栓31一端依次穿过左夹具体29，右夹具体30，以及左夹具体29和右夹具体30所包裹的轴承内圈27和轴承外圈28，另一端用螺母32拧紧。准备加工时，将左夹具体29，右夹具体30及其包裹固定后轴承套圈组件，用左壳体12，右壳体26分别夹紧，并用一端用螺栓33穿过夹紧后的左壳体12，右壳体26并用螺母34拧紧，另一端分别放置于左t型块35，右t型块36上，并用螺栓37依次穿过左t型块35，左壳体12，右壳体26，右t型块36上，并用螺母38拧紧，其左t型块35，右t型块36提前固定于t型振动工作台39上。

另外，将带有超声波发生器40，换能器41，以及变幅杆42的超声波发生装置一端通过固定于机架1上，另一端将振动杆43与变幅杆42连接为一体，并将振动杆43通过焊接法兰盘44使之与法兰盘44成为一体，并将法兰盘44固定到t型振动工作台39上。其中将弹簧支撑座45，弹簧支撑座47固定在t型振动工作台39以及机架1上，以及将弹簧支撑座46，弹簧支撑座48固定在t型振动工作台39以及机架1上，然后分别将弹簧49，安装到弹簧支撑座45和弹簧支撑座47中，将弹簧22分别安装到弹簧支撑座46和弹簧支撑座48中，从而通过弹簧49，弹簧22将振动工作台支撑在机架1上。

采用本发明装置，具体加工时包括以下步骤：

(1)将轴承内圈，外圈分别用左夹具体和右夹具体夹紧，然后用螺栓穿过左夹具体、右夹具体、轴承内圈、轴承外圈，并用螺母拧紧固定，使轴承内圈，外圈分别用左夹具体和右夹具体，成为统一的夹具体单元。

(2)将夹具体单元分别用左壳体和右壳体夹紧，并分别调整振动工作台上，左t型块、右t型块的合适距离，将夹紧后的左壳体、右壳体及其中的夹具体单元一端放到左t型块、右t型块上，并用螺栓拧紧，另一端用螺栓拧紧固定。

(3)待左t型块、右t型块全部调整好间距，并固定完成夹具体单元后，用螺钉将左t型块、右t型块固定到工作台上，完成工件的安装。

(4)打开左推料缸盖，将含估量在95％以上的粘性磨料装入左料缸中，装满后，合上左推料缸盖并用螺栓拧紧，完成装料。

(5)启动液压系统，在图3中，当三位四通气动换向阀左位时，使左液压缸工作，推动左推料缸活塞向右运动，推动粘性磨料依次进入碳纤维管、左壳体并进入夹具体单元中的预设流道中，并流入右壳体、碳纤维管、右推料缸体中，在压力的作用下，粘性磨料推动右推料活塞向右运动，并保证液压系统构成回路。

(6)同理，启动液压系统，三位四通气动换向阀右位工作，使右液压缸工作，推动右推料缸活塞向左运动，推动粘性磨料依次进入碳纤维管、右壳体并进入夹具体单元中的预设流道中，并流入左壳体、碳纤维管、左推料缸体中，在压力的作用下，粘性磨料推动右推料活塞向左运动，并保证液压系统构成回路，完成一个粘性磨料挤压循环。

(7)当稳定运行一个工作循环后，启动超声发生器，使超声波通过换能器、变幅杆、振动杆带动振动工作台高频运动，使密封腔体内的高压挤压磨料不断高频反复撞击轴承内圈和轴承外圈表面。

(8)当保证一定的振动时间后，停止超声波发生器高频振荡，只保留粘性磨料的左右挤压运动，待挤压运行1个循环，液压缸运行到左推料缸左端点后，停止液压系统运行，加工结束。

(9)加工结束后，拧开螺栓，打开左壳体和右壳体取出夹具体单元。并打开拧开夹具体单元的螺栓，依次取出被加工的轴承内圈、轴承外圈并擦拭干净。

(10)最后清理设备中的粘性磨料，并回收，以备下一次加工使用。

本发明首先采用含估量在95％以上，介于流体和粉体之间的粘性流体磨料作为工作介质，在液压驱动的作用下，高压挤压粘性流体磨料流过轴承套圈表面，同时采用超声振动系统，使位于振动工作台上被加工的封闭的轴承套圈挤压粘性磨料高频振动，将超声波的纵向机械波作用于粘性磨料上，此时，在液压高压挤压下，含固量在95％以上的粘性磨料具有极强的刚性，导致磨料中的磨粒不断高压高速撞击轴承套圈表面，使轴承套圈表层组织的晶格结构发生挤压变形，进而使表层应力重新分布，特别对于磨削加工过程中产生的应力集中处的残余应力释放出来。

其次，在不断高频振动机械波的振动过程中，液压挤压的粘性磨粒又沿切向快速滚动，因此作用到轴承套圈表面是一种复杂的纵横交错的机械波，在法向挤压的同时，沿着磨粒高速流动的切向还可以实现微量去除被加工工件的表面，相比较砂轮的刚性磨削，在此柔性去除工件表面过程中不产生新的残余应力，并将原砂轮产生的残余应力重新分布，并通过高频振荡将原表层拉应力转化为压应力，起到强化表面晶格结构，硬化表层的作用。

其超声高频振荡消减残余应力原理是：当磨粒流在高压挤压过程中，预定粒径的磨粒流过轴承套圈表面时，此时在高压的作用下，磨粒具有极大的刚性，通过附加超声波的作用，产生纵向的高频振荡机械波，在20000赫兹的超声波作用下，对高压下的刚性磨粒进行高频振荡，使磨粒的压力纵向传递到被加工的轴承套圈切削变质层表面，而磨粒本身在卧式磨粒流高压挤压作用下，在切削变质层表面发生水平平移、滑动、滚动，对粗糙度较大的波峰或者波谷可产生耕犁、微量去除作用，同时磨粒在高频振荡纵向机械波下反复撞击轴承套圈被加工变质层表面，其超声波能量通过磨粒不断作用于被加工零件的变质层表面，此能量被加工材料表面吸收，达到或超过材料某一阀值时，工件表面发生微观材料的力学变化，从而改变应力分布状态，起到消减应力集中的作用。

其中超声波作用到轴承套圈表面的能量可以由以下公式推导得出：

首先，计算出超声波声强i，单位是瓦/厘米2(w/cm2)，

其计算公式为：

其中，ρ为传播介质的密度，单位是(g/cm2)，c为超声波的纵波波速，单位为m/s，a为振幅，单位为m，ω为振动频率，单位(hz)

其次，在求得超声波强度i的基础上，进而计算其超声波能量e为：e＝ist；

其中，s为超声波通过的截面面积(mm),t为超声波振动时间(t)。

按照以上高频超声振荡以及粘性磨料流的高压挤压的材料去除加工原理，所采用的技术方案的系统包括如下单元模块：

卧式粘性磨料流双向高压挤压供料单元，包括机架、左壳体和右壳体、左连接板和右连接板、左液压缸和右液压缸、左支撑肋板和右支撑肋板、左活塞杆和右活塞杆、左推料活塞和右推料活塞、左料缸和右料缸、左推料缸盖和右推料活塞缸盖、左碳纤维软管和右碳纤维软管。机架上固定有左连接板，左支撑肋板焊接在左连接板上，左支撑肋板上固定有左液压缸和左料缸，左液压缸中左活塞杆通过螺纹与左推料活塞相连接，左料缸的法兰连接有左推料缸盖，左碳纤维软管一端套在左推料缸盖圆形出料嘴上，另一端固定套在壳体圆形进料嘴上；机架上还固定有右连接板，右支撑肋板焊接在右连接板上，右支撑肋板上固定有右液压缸和右料缸，右液压缸中右活塞杆通过螺纹与右推料活塞相连接，右料缸的法兰连接有右推料缸盖，右碳纤维软管一端套在右推料缸盖圆形出料嘴上，另一端固定套在壳体圆形进料嘴上。

卧式粘性磨料流双向高压挤压供料单元用于提供含固量在95％以上，颗粒粒度小于50目，直径较大的粘性磨粒的双向快速挤压的工作介质，使颗粒度较大，高含固量的粘性磨粒在高压状态下持续往复的多次通过封闭的轴承内圈及外圈表面。

超声波高频振动单元，包括超声波发生器、换能器、变幅杆和振动杆；振动杆与变幅杆连接为一体，变幅杆与换能器连接，换能器连接有超声波发生器，超声波发生器和换能器均连接在机架上。

超声波高频振动单元用于提供高频振荡机械波，并使机械波以纵波的形式不断振动高压挤压流过的粘性流体磨粒，保证频率高于20000赫兹的超声波在密封腔体内反复提供振动，保证高压粘性流体中的高含固量颗粒度较大的磨粒不断敲击轴承内圈及外圈表面。

柔性弹簧支撑架体单元，采用弹簧支撑装置，包括弹簧支撑座和设置在弹簧支撑座上的弹簧。其用于保证高频振荡下的振动工作台跟随超声振荡工具柔性随动，连接超声振动源并传递振动机械波作用于封闭的轴承套圈及粘性磨料。

振动工作台及工件夹紧单元，其包括左夹具体和右夹具体、左t型块和右t型块、t型振动工作台和振动杆，左夹具体和右夹具体分别设置在左壳体和右壳体上，左夹具体与左t型块连接，右夹具体与右t型块连接，左t型块和右t型块分别固定于t型振动工作台上，t型振动工作台下方通过法兰盘连接有振动杆。

振荡振动工作台及工件夹紧单元用于固定振荡夹具体并保证夹紧被加工的轴承内外套圈，其夹具体内需要形成密封腔体，使高压流体按照运输管道及夹具内的预定流道通过轴承套圈滚道表面。