使用各向同性修整和薄膜涂层的轴承的再制造
【技术领域】
[0001]本发明涉及轴承组件修复，并且更具体地涉及结合使用各向同性修整和薄膜涂层再制造轴承元件的系统和方法。
【背景技术】
[0002]在工业和运输过程中，摩擦是恒定的危害，并且长期以来减少摩擦影响的主要工具是轴承组件。轴承具有许多形状，包括滚珠轴承、滚子轴承、滚针轴承等等。轴承所提供的主要优点是将其他情况下是高摩擦滑动界面转换成低摩擦滚动界面。
[0003]然而，尽管轴承可有助于减少摩擦，但轴承组件(滚动元件和座圈)仍然受到某种程度的磨损。正因为如此，必须周期性地替换或修复轴承。尽管在一些处理或重新润滑之后可以再使用轴承组件的某些部分，但通常丢弃并且替换滚动元件本身。例如，参见转让给Timken的美国专利7，591，107，其描述了通过丢弃并且替换使用过的座圈和滚动元件对使用过的轴承组件进行修复。
[0004]从经济的角度来看，优先的选择确实是替换而不是修复小型轴承元件；然而，大型轴承元件意味着在材料成本和劳动力方面更大的投资，并且丢弃和替换此类大型部件可变得过分昂贵。
[0005]除在替换轴承元件中所包括的材料和劳动力成本之外，仅依赖于替换还可使制造商或用户面临供应链中断的风险。尽管有时可能在修复期间简单保持滚动元件，但滚动元件已减少的使用寿命和随后的拆卸成本经常一起使这种选择在经济上难以实施。
[0006]代替用于修复此类滚动元件的成功策略，人们已经做出许多尝试以加强新的轴承。例如，也转让给Timken的美国专利5，503, 481提出了用于延长轴承部件使用寿命的各向同性抛光工艺。在‘481专利中描述的工艺是多步骤抛光工艺，其增加表面光滑度并且因此减少摩擦和转矩。然而，一旦滚动元件已经磨损，‘481专利就不能对它们进行修复。正因为如此，根据‘481专利的修复将可能以与来自相同代理人的同时期的‘107专利相同的方式进行，即，丢弃和替换滚动元件。
[0007]本发明涉及解决一个或多个上述阐述的问题的系统和方法。然而，应该清楚，任何特定问题的解决方案均非对该发明范围或随附权利要求的限制除非明确地表明。另外，除另外清楚表明之外，包括在该背景部分中的任何问题或解决方案均并非指示该问题或解决方案代表已知的现有技术。
【发明内容】
[0008]根据本发明的一方面，提供了用于处理第一轴承组件的部件的方法，所述部件具有初始使用寿命，该方法包括，使用轴承组件中的部件至其初始使用寿命的大部分，将该部件从轴承组件中移除，对移除的部件的表面进行各向同性修整，在各向同性修整之后，将防护磨损涂层涂覆到部件的表面，并且将涂覆的部件安装在第二轴承组件中。
[0009]根据本发明的另一方面，提供用于延长轴承组件的部分使用部件的使用寿命的方法。该部件的初始使用寿命短于初始各向同性修整防护涂覆部件的使用寿命。该方法包括对部分使用的部件的表面进行各向同性修整，并且将防护磨损涂层涂覆到部分使用的部件的表面。这样，部件的整体使用寿命基本上等于初始各向同性修整的防护涂覆部件的使用寿命O
[0010]根据本发明的另一方面，提供已修复的轴承组件。已修复的轴承组件包括轴承座圈和已修复的轴承滚子元件。通过使用已修复的轴承滚子元件至长于其初始使用寿命的50%，接着进行各向同性修整、涂覆以及到安装到轴承组件以对其进行处理，使得已修复的轴承滚子元件在轴承组件中显示出低于由初始各向同性修整的和涂覆的轴承滚子元件所显示的磨损率。
[0011]通过与所包含的附图结合阅读以下详细的发明，所公开系统和原理的其他特征和优点将变得显而易见。
【附图说明】
[0012]图1为滚子轴承组件的简化剖视图和安装环境，在该安装环境中可以实施所公开原理的一个或多个实施例；
[0013]图2为示出涂覆的滚子元件和未涂覆的滚子元件两者的通常寿命磨损曲线的寿命曲线图；
[0014]图3为示出涂覆的滚子元件和未涂覆的滚子元件两者，以及根据所公开原理的方面已修复的滚子元件的寿命磨损曲线的寿命曲线图；
[0015]图4为示出根据所公开原理的实施例的轴承处理工艺的流程图；以及
[0016]图5为示出在所公开的原理的实施例中的处理步骤和相关联设备的阶段式结构图。
【具体实施方式】
[0017]本发明提供用于准备轴承滚子元件的系统和方法，使得它们显示出比未涂覆的轴承磨损曲线和涂覆的轴承磨损曲线两者都浅的最终磨损曲线。在实施例中，使用未涂覆的状态下的诸如滚子、滚珠、滚针等的滚子元件计它们使用寿命的一部分。然后，对滚子元件进行各向同性超精修整和薄膜含碳涂层的涂覆。各向同性光洁度是，相比于诸如工具痕迹的方向性缺陷，其中的缺陷通常是非方向性的光洁度。一旦重新使用此类轴承，它们出乎意料地会以甚至比首次使用前涂覆的轴承更低的速率经受磨损，例如点蚀疲劳。
[0018]转到附图，图1为滚子轴承组件的简化剖视图和安装环境，在该安装环境内可实施所公开的原理的一个或多个实施例。滚子轴承组件I包括在内座圈3和外座圈4之间捕获的多个圆柱滚子2。滚子轴承组件I可包括其他未示出的元件，例如滚轮销或滚轮轴、轴承罩或轴承承托等。外座圈4设置在轴承吊架或其他固定夹具5中的凹槽中，并且通过紧密配合被限制旋转，同时通过摩擦配合将内座圈3钉在或固定在诸如轮轴6的固定元件上。
[0019]在该配置中，当轮轴6相对于固定夹具5旋转时，圆柱滚子2在内座圈3与外座圈4之间滚动，以实现滚动接触而不是滑动接触。尽管所示的轴承组件I配置成推力轴承以接收轴向负载，但对于多数轴承类型会发生类似的动态过程。例如，配置成接收径向负载的滚珠轴承组件包括径向面对的内滚珠座圈和外滚珠座圈。
[0020]尽管在滑动界面上使用轴承是很大的改善，然而滚子元件要受到磨损并且使用寿命有限。点蚀疲劳为磨损的主要寿命限制形式。当邻接表面之间的轻微滑动引起表面屈服、出现蚀点时，开始点蚀疲劳磨损。因此，由于疲劳形成的蚀点的尺寸将增大，并且最终将影响轴承的功能。如果在定期检查期间未检测到轴承的磨损情况，则其可最终表现为粗糙度和/或转向阻力的增加，并且一个或多个滚动元件最终会完全失效，例如通过解体，导致功能的全部丧失。
[0021]如稍后将在本文中更详细描述，作为一种抗磨损的强化的手段，可各向同性修整并且涂覆轴承滚子元件和/或相关联的固定元件。各向同性修整修改表面光洁度和/或纹理，以便通过在可发生滑动的应用中减少磨伤或磨损来改善性能。各向同性修整与防护涂层结合用来通过降低点蚀疲劳并延长滚子元件的使用寿命以改变滚子元件的磨损特性。
[0022]图2为示出涂覆的滚子元件和未涂覆的滚子元件两者的通常寿命曲线的寿命曲线图。具体地，第一曲线11对应于无修整的、未涂覆的轴承滚子元件，而第二曲线12对应于各向同性修整的且防护涂覆的轴承滚子元件。可以看到，在两种情况下，零件的剩余寿命随着使用时间的增加而减少，其中两个零件最终均达到为零的剩余寿命。然而，对应于无修整的、未涂覆的轴承滚子元件的第一曲线11明显地更陡峭，表明未修整的滚子在其整个使用寿命中比各向同性修整且防护涂覆的滚子磨损的更加迅速。
[0023]在一个实施例中，无修整且未涂覆的滚子元件通过在其使用寿命的大约75%时从主体轴承组件中移除，接着对使用过的滚子元件进行各向同性修整和涂覆以达到修复的目的。用这种方法，发现如此处理的滚子元件的磨损曲线比初始各向同性修整的且防护涂覆的轴承滚子的磨损曲线更加缓和。也就是说，使用此类滚子元件的每小时的磨损量比使用初始各向同性修整的且防护涂覆的滚子元件的每小时的磨损量甚至更少。
[0024]就此而言，图3为示出涂覆的滚子元件和未涂覆的滚子元件两者，以及以前述方式修复的滚子元件的寿命曲线的寿命曲线图。具体地，除对应于无修整的、未涂覆的轴承滚子元件的第一寿命曲线11和对应于各向同性修整的且防护涂覆的轴承滚子元件之外，第二寿命曲线图15还示出已修复的滚子元件的第三寿命曲线16。
[0025]由寿命曲线16表示的已修复的滚子元件是已经在其未涂覆的寿命的大约75%时从轴承组件中移除，并且通过各向同性修整和涂覆再处理的滚子元件。稍后将在下面讨论各向同性修整和涂覆的细节，但第三磨损曲线16的突出特征是其斜率比第一寿命曲线11和第二寿命曲线12两者更小。也就是说，已修复的轴承的磨损率甚至比初始各向同性修整且涂覆的滚子元件的磨损率更低。尽管本领域的技术人员已经预期到已修复的滚子元件的磨损率将简单地匹配于初始修整且涂覆的滚子元件的磨损率，但修复过程出乎意料地甚至进一步降低了磨损率。
[0026]第三寿命曲线16的另一个突出特征(如果是出乎意料的话)是已修复的滚子元件的整体使用寿命(从当崭新时的首次安装到修复并重新安装之后的最终移除)，可以与初始各向同性修整的且涂覆的滚子元件的整体使用寿命一样长，这取决于何时修复滚子元件。例如，参见示例性寿命曲线17的范围。因此，以预定方式的修复不仅在某种程度上减缓磨损率并且延长滚子元件的寿命，而且它实际上产生了与初始处理的轴承的使用寿命基本上匹配的初始未处理的轴承的整体使用寿命。
[0027]关于将参照图4更详细讨论的各向同性修整，可处理滚子元件使轴承表面上的表面光洁度达到大约0.40-0.75微米(16-30 μ in)。对于各向同性修整，然后例如通过25%重量的325粒度的氧化铝在适合于零件几何形状和材料硬度的并且在大约25.4mm(l英寸)到大约6.35mm(0.25英寸)(各种形状)的尺寸范围内的媒介中处理零件。
[0028]各向同性修整的处理过程包括两个循环，也就是切削循环和抛光循环。循环时间取决于初始表面光洁度和零件几何形状公差。就后者而言，应当选择循环次数使得零件几何形状(例如，角部、圆度、斜率、开口等)保持在公差以内。在一个实施例中，在添加抛光循环流体之前或添加流体以维持流体的PH之前，无需移除切削液或抛光液体。
[0029]在一个实