一种轴承内圈的激光冲击强化方法及其装置与流程

本发明是一种轴承内圈的激光冲击强化方法及其装置，属于零件表面处理技术领域。

背景技术：

轴承的服役环境非常恶劣，受到高应力、高速、高温等多因素共同作用，因与滚珠的相对运动发生磨损、接触疲劳失效的风险较高。激光冲击强化是一种提高金属材料表面硬度及疲劳性能的有效方法，利用高能短脉冲激光诱导产生的等离子冲击波作用于材料表面，使材料表面发生弹塑性变形，形成一定深度的硬化层和残余压应力层，从而提高材料表面耐磨和疲劳性能的一种加工方法。由于效果显著，目前激光冲击强化工艺被国内外广泛应用于关键零部件的加工制造中。

为了提高耐磨性能，轴承内圈滚道表面常需浸渗/沉积一层耐磨涂层。在涂层制备前，需要在涂层和基体之间形成一层深层大于200μm的残余压应力层和组织硬化层，从而提高的涂层的结合力；目前常用方法是采用喷丸或喷砂的方法，但是由于喷丸或喷砂产生的残余压应力层深度和组织硬化层有限(≤200μm)，难以满足涂层制备工艺的要求；另外，轴承滚道为曲面，曲率半径较小，为了保证强化后滚道的曲率满足图纸要求，需要对滚动重新进行研磨修型，从而去除掉一定深度的残余压应力层和组织硬化层，若强化后滚道的曲率变化太大，则会造成去除量太多，残余压应力层和组织硬化层残留太少，涂层结合力无法满足要求。

技术实现要素：

本发明正是针对上述现有技术中存在的问题而设计提供了一种轴承内圈的激光冲击强化方法及其装置，其目的是在轴承内圈滚道形成一定深度的残余压应力层(≥200μm)和组织硬化层(≥200μm)，提高涂层结合力，满足涂层制备工艺要求。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明技术方案提供了一种轴承内圈的激光冲击强化方法，其特征在于：该方法的步骤如下：

步骤一、采用黑色胶带作为激光吸收层，粘贴轴承内圈的在滚道表面，约束水沿着滚道流动形成水膜；

步骤二、将激光冲击强化设备的出光口对准轴承内圈6的滚道，对滚道进行逐点扫描实现表面强化，先逐点强化滚道曲面的中线，再逐点强化中线的两侧，直至光斑全部覆盖整个滚道。

激光强化的工艺参数为：激光功率密度为1gw/cm2～20gw/cm2，搭接率为30％～75％，频率为1hz～5hz，激光光束与待强化区域的法线角度为0°～45°。

本发明技术方案还提供了一种用于所述的轴承内圈的激光冲击强化方法的装置，其特征在于：该装置包括一个圆柱状带台阶的内圈座3，将待加工的轴承内圈5套装在内圈座3右端的台阶面上，沿内圈座3的中心轴线加工有通孔，将销钉2通过一个基座1穿过该通孔后再套装盖板4，通过螺钉5将基座1固定在内圈座3左端的端面上，将盖板4压紧在轴承内圈6的端面上以固定轴承内圈6的位置。基座1固定在机器人法兰盘上。

进一步，螺钉5与销钉2的顶端的螺孔配合以实现对基座1和盖板4的固定。

进一步，轴承内圈5与内圈座3台阶面之间呈间隙配合，销钉2与基座1上通孔的之间呈间隙配合。

进一步，轴承内圈5的外径与内圈座3台阶面平齐。

进一步，销钉2的销杆的长度l2＝基座1的厚度l1+内圈座3的大圆筒的长度l3+内圈座3的小圆筒的长度l4-0.5mm。

本发明的工作原理是：通过激光冲击强化装置将轴承内圈固定并悬置，该装置的基座与机器人法兰盘通过螺钉连接，基座插入机器人法兰盘的中心槽中，确保基座与法兰盘具有良好的同轴度；销钉插入基座通孔中，呈小的间隙配合，确保销钉与法兰盘具有良好的同轴度；销钉插入内圈座中心孔中，也确保了内圈座与法兰盘具有良好的同轴度；轴承内圈插入内圈座中，通过盖板和螺钉固定。整个装置确保轴承内圈与机器人法兰盘具有良好的同轴度，该设计将保证在激光扫描的过程中，轴承内圈滚道被均匀扫描，从而确保轴承内圈滚道的表层残余应力分布均匀，防止因残余应力不均导致的尺寸超差，减小后续研磨修形的去除量。

另外，对于该装置的使用方法，由于轴承滚道为凹形的对称曲面，“先逐点强化滚道曲面的中线，再逐点强化中线的两侧，直至光斑全部覆盖整个滚道”将有助于保持曲面的对称性，减小后期研磨修形时的去除量；采用“激光功率密度为1gw/cm²～10gw/cm²，搭接率为30％～75％，频率为1hz～5hz，激光光束与待强化区域的法线角度为0°～45°”的激光工艺参数，可使滚道表面产生表面值和深度值均匀一致的残余压应力层和组织硬化层。研究表明，采用上述方法，激光冲击强化+研磨修形后，滚道表面形成深度不低于300μm的残余压应力层和深度不低于220μm的组织硬化层。

本发明技术方案的优点是能够在轴承内圈滚道形成一定深度的残余压应力层(≥200μm)和组织硬化层(≥200μm)，提高涂层结合力，满足涂层制备工艺要求。本发明的实施例一，经试验证明，轴承内圈滚道形成的残余压应力层深度约为300μm，组织硬化层深度约为220μm，滚道关键尺寸满足图纸要求。

附图说明

图1是本发明激光冲击强化装置的基座结构示意图。

图2是本发明激光冲击强化装置的销钉结构示意图。

图3是本发明激光冲击强化装置的内圈座结构示意图。

图4是的盖板结构示意图。

图5是本发明激光冲击强化装置的整体结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

实施例1

参见图1至5所示，该种轴承内圈的激光冲击强化装置包括基座1、销钉2、内圈座3，盖板4和螺钉5。基座1由两个同轴的大圆板和小圆板构成，基座1的中央有一个通孔，大圆板上均布6个直径φ10mm的连接孔。销钉2由销钉头和销杆构成，销杆右端面有一个直径m4mm的螺纹孔。内圈座3由两个同轴的大圆筒和小圆筒构成以形成一个台阶面，盖板4为带中心孔的圆板，中心孔直径为4mm。

所述销杆与基座1的通孔呈间隙配合；大圆筒和小圆筒的中心孔直径一致(均为φ14±0.03mmmm)，且与基座1的通孔的直径φd1相同(均为φ14±0.03mm)，大圆筒的外径φd与待强化的轴承内圈6的外径一致(均为φ25.37±0.03mm)，小圆筒的外径φd与待强化的轴承内圈6的内径呈间隙配合(均为φ25.37±0.05mm)；盖板4的外径φd6与小圆筒的外径φd相同(均为φ25.37±0.05mm)；销杆的长度l2＝基座1的厚度l1+大圆筒的长度l3+小圆筒的长度l4-0.5mm。基座1的厚度l1为10mm±0.05mm，大圆筒301的长度l3为10mm±0.05mm，小圆筒302的长度l4为10mm±0.05mm，因此，销杆的销杆的长度l2为29.5±0.05mm。

采用上述装置对轴承内圈6进行强化的方法的步骤如下：

1、轴承内圈装夹：

1.1、将内圈座3的小圆筒插入待强化的轴承内圈6；将销钉2依次从左向右插入基座1的通孔、内圈座(3)的大圆筒的中心孔和小圆筒的中心孔；将螺钉5插入盖板4的中心孔，并插入销钉2的螺纹孔中并拧紧；将基座1通过固定在机器人法兰盘上。

2、激光冲击强化：

2.1、采用黑色胶带作为激光吸收层，粘贴在滚道表面，确保黑色胶带内无气泡，约束水沿着滚道流动形成水膜。

2.2、将出光口对准轴承内圈6的滚道，打开激光冲击强化设备，对滚道进行逐点扫描实现表面强化，先逐点强化滚道曲面的中线，再逐点强化中线的两侧，直至光斑全部覆盖整个滚道，其中，激光功率密度为1gw/cm²，搭接率为30％，频率为1hz，激光光束与待强化区域的法线角度为0°。

2.3、待激光扫描结束后，关闭激光冲击强化设备，拧松螺钉5，取下轴承内圈。

实施例二

具体过程与实施例一大致相同，不同点在于步骤2.2中的激光功率密度为10gw/cm²，搭接率为75％，频率为5hz，激光光束与待强化区域的法线角度为45°。