Способ поверхностной термической обработки колец подшипника

 

Использование: лучевая термическая обработка дорожек качения колец подшипника с использованием лазерных и электронных пучков. Сущность изобретения: внутренние и внешнее кольца подшипника одновременно термически обрабатывают либо потоком лазерного излучения, либо потоком электронов с заданной шириной закаленного слоя при одновременном отпуске зон перехода профиля дорожки качения колец подшипника. Суммарная ширина зон отпуска и закаленного слоя каждого кольца и больше или равна ширине дорожки качения этого кольца. Обработку возможно производить как одним потоком излучения, так и двумя. Возможна обработка внешнего кольца потоком лазерного излучения, а внутреннего - потоком электронов. 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области термической обработки стальных изделий, преимущественно дорожек качения колец подшипников, с использованием лазерных и электронных пучков, и может быть использовано для улучшения эксплуатационных свойств подшипников качения и повышение производительности лучевой обработки.

Известен способ упрочнения участков наружной поверхности детали, например кольца подшипника, заключающийся в том, что, производят нагрев упрочняемой поверхности CO₂-лазером, а затем быстро охлаждают деталь [1] Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ поверхностной термической обработки кольца подшипника качения, заключающийся в лазерной закалке поверхности дорожки качения по всей ее ширине [2] Недостатком способа является получение закаленного слоя по всей ширине дорожки качения, включая места перехода профиля дорожки качения в бортик, являющиеся зонами концентрации напряжения, что отрицательно влияет на эксплуатационные свойства подшипника качения вследствие разрушения и краевых сколов указанных зон, ведущих, как правило, к катастрофическому износу или заклиниванию подшипника.

Целью изобретения является повышение производительности и качества обработки подшипника путем снижения действия концентраторов напряжений в его кольцах.

Для достижения поставленной цели в способе лучевой поверхностной термической обработки колец подшипника, включающем лучевую закалку поверхности дорожки качения шириной H₁ кольца подшипника с заданной шириной закаленного слоя, закалку внутреннего и внешнего колец производят одновременно потоком лазерного излучения и/или потоком электронов с заданной шириной закаленного слоя H₂ при одновременном отпуске зон перехода профиля дорожки качения кольца подшипника в бортик каждого кольца, при этом отпуск производят на ширине зон h₁ и h₂, соблюдая следующие соотношения: h₁+h₂+H₂≥H₁; m≅H₂/H₁<1;1,h₂>0 где m=h₃/H₁ h₃ ширина зоны контакта тела качения с дорожкой качения кольца подшипника в направлении, перпендикулярном направлению качения.Причем указанная зона контакта лежит в пределах слоя, закаленного лучевой обработкой.

При обработке упорного или упорно-радиального подшипника дорожки качения внешнего и внутреннего колец сканируют одним потоком излучения, обеспечивающим получение требуемых зон отпуска и закалки.

При использовании лазерного излучения его поток разделяют на два потока, каждый из которых направляют на соответствующую дорожку качения, а распределение плотности мощности в каждом из потоков задают в соответствии с получением требуемых зон отпуска и закалки.

Возможно формирование двух потоков излучения, каждый из которых обеспечивает получение зон отпуска и закалки соответственно на дорожках качения внешнего и внутреннего колец.

При обработке радиального или радиально-упорного подшипника зоны отпуска и закалки на дорожке качения внешнего кольца формируют потоком лазерного излучения, а на дорожке качения внутреннего кольца потоком электронов.

Кроме того, обработку возможно вести в среде газообразного азота или в среде инертного газа.

Перечисленные признаки позволяют повысить производительность и качество обработки колец подшипников. Лучевая поверхностная термическая обработка по данному способу может производиться как лазерным излучением (по прототипу), так и/или потоком электронов, при этом обработку производят сразу обоих колец подшипника качения, что позволяет повысить производительность обработки, особенно при использовании потока электронов (экономия времени на откачке вакуумной камеры). Способ наиболее эффективен при обработке тяжелонагруженных упорных или упорно-радиальных подшипников, используемых, например, в буровой технике. В данной области техники используются, как правило, крупногабаритные подшипники, требующие значительной толщины (несколько миллиметров) закаленного слоя дорожек качения. В этом случае с технической и экономической точек зрения более выгодно использовать потоки электронов, как более высокоэнергетические в сравнении с лазерными потоками излучения, что, однако, не исключает и использование последних.

Обработка дорожек качения колец подшипника по данному способу позволяет эффективно использовать особенности лучевой поверхностной термической обработки, в частности получение слоистой структуры в зоне обработки. Техническое решение позволяет за один цикл лучевой обработки получить на поверхности дорожки качения закаленный слой, твердость которого превышает твердость исходного материала кольца подшипника, а сопряженные с дорожкой качения зоны перехода профиля дорожки качения кольца подшипника в бортик, являющиеся зонами концентраций напряжений, подвергнуть отпуску, снижая тем самым их твердость относительно исходной твердости кольца подшипника, и соответственно в зонах расположения концентраторов напряжений увеличить пластичность и вязкость материала, что снижает вероятность разрушения материала и образование краевых сколов в этих зонах. При данном способе обработки механические свойства сердцевины кольца подшипника (основной массы материала) остаются без изменений.

На фиг.1 схематично представлены дорожки качения и термически обрабатываемые зоны внешнего и внутреннего колец упорного подшипника (вид сверху и сечение по А-А, фиг.1 соответствует пп.1,2 формулы изобретения);на фиг.2 термическая обработка при использовании потока лазерного излучения, разделенного на два потока для обработки внутреннего и внешнего колец (п.3 формулы изобретения); на фиг.3 термическая обработка колец подшипника с использованием двух потоков излучения лазерного и электронного (п.4 формулы изобретения); на фиг.4 обработка внешнего кольца с использованием лазерного излучения, а внутреннего с использованием потока электронов (п.5 формулы изобретения).

По данному способу термически обрабатывают внутренне 1 и внешнее 2 кольца подшипника, например упорного (фиг.1), где показаны зоны термообработки колец и условно тело качения 3, с которым взаимодействуют кольца в процессе работы подшипника. Каждое из колец имеет свою дорожку качения шириной H₁, закалка производится на заданной ширине слоя H₂, а отпуск осуществляется на ширине зон h₁ и h₂, расположенных с двух сторон дорожки качения, причем величины H₁, H₂, h₁, h₂, h₃ измеряются в проекции на ось X, как показано на фиг.1, сечение А-А.

Кольца подшипника устанавливают соосно и приводят во вращение относительно их оси по отношению к потоку излучения источника нагрева, например, посредством вращающегося стола или иного технологического приспособления. Термическую обработку потоком электронов 4 осуществляют в вакуумной камере (не показана). Потоком лазерного излучения 5 в среде газообразного азота производят азотацию поверхностного слоя колец подшипника. Так же возможная термическая обработка потоком лазерного излучения 5,которую, как привило, ведут вне вакуумной камеры, на открытом воздухе при использовании обдува колец одним из инертных газов, например аргоном, для предотвращения появления на дорожках оксидной пленки.

При использовании потока электронов 4 с помощью электронного блока развертки пучка задают распределение плотности мощности в кадре 6 развертки на дорожках качения внутреннего 1 и внешнего кольца 2 подшипника, соответствующее получению зоны закалки шириной H₂ и отпущенных зон h₁ и h₂. Сформированным потоком электронов сканируют одновременно дорожки качения внутреннего и наружного колец подшипника до получения термообработки колец по всему их периметру.

По данному способу возможна термическая обработка и потоком лазерного излучения 5 (фиг. 1). Обработку дорожек качения H₁ ведут потоком лазерного излучения, образующего на дорожках качения пятно нагрева 7, обеспечивающего получение закаленного слоя шириной H₂. Для проведения закалки лазерное пятно нагрева 7 сначала позиционируют, например, на дорожку качения внутреннего кольца 1, затем пятно переводят (например, оптическим дефлектором) на дорожку качения внешнего кольца 2, а затем снова переводят пятно на дорожку качения внутреннего кольца и т.д. с частотой, достаточной для того, чтобы материал обоих колец воспринимал облучение как непрерывное (для сталей, например, ≈25-50 Гц). Сформированными пятнами нагрева сканируют одновременно дорожки качения внутреннего и наружного колец подшипника до получения термообработки по всему их периметру.

Следует отметить, что как потоком электронов, так и потоком лазерного излучения формируют не только закаленный слой шириной H₂, но и зон отпуска шириной H₁ и h₂ с обеих сторон закаленного слоя, соблюдая следующие соотношения: h₁+h₂+H₂≥H₁; m≅H₂/H₁<1;
1,h₂>0
где m=h₃/H₁
h₃ ширина зоны контакта тела качения (например, шарика 3) с дорожкой качения кольца подшипника в направлении, перпендикулярном направлению качения, причем указанная зона контакта лежит в пределах слоя, закаленного лучевой обработкой.

В результате проведенных исследований установлено, что наиболее приемлемым является соотношение h₁+h₂+H₂>H₁, однако и соотношение h₁+h₂+H₂=H₁ обеспечивает продление срока службы и улучшение качества подшипника качения. При выполнении последнего соотношения зоны отпуска h₁ и h₂ полностью лежат в пределах ширины дорожки качения H₁, но в силу того, что величины h₁ и h₂ составляет десятые доли миллиметра, уменьшение ширины дорожки качения на указанную величину практически не влияет на работоспособность подшипника, которая остается такой же, что и при выполнении соотношения
h₁+h₂+H₂>H₁.

Пример. Производим лазерную закалку дорожек качения колец подшипника турбобура с исходной твердостью материала 47-48HRCэ. Ширина дорожки качения внутреннего и внешнего колец составляет H₁=10мм. Формировали закаленный слой шириной H₂= 9,7 мм и симметрично зоны отпуска шириной h₁=h₂=0,30 мм. После обработки получили твердость закаленного слоя 62-64 HRCэ, а твердость отпуска 40-42HRCэ, что ниже твердости исходного материала.

При использовании для закалки электронных пучков были получены идентичные результаты.

При использовании для термической обработки одного потока лазерного излучения 8 (фиг.2) его разделяют, например, полупрозрачным зеркалом 9, или другим оптическим элементом, например вращающимся зеркалом, на два потока 10 и 11, которые направляют на соответствующие дорожки качения внутреннего 1 и внешнего 2 колец подшипника. Каждый из потоков 10 и 11 обеспечивает получение на кольцах подшипника закаленных зон шириной H₂ и зон отпуска шириной h₁ и h₂. Формирование пятен нагрева и аппаратное обеспечение в этом случае несколько проще, чем в ранее описанном, однако требует повышенной мощности источника лазерного излучения, поскольку в данном случае производится разделение энергии излучения между двумя пятнами нагрева.

Закалку и отпуск возможно производить двумя пучками излучения, для чего можно использовать два источника лазерного излучения или два источника потока электронов (фиг. 3). Каждая из дорожек качения сканируется, например, своим потоком электронов 12 и 13 на всю длину, также, дорожки качения можно сканировать и пучками 14 и 15 лазерного излучения, обеспечивая во всех случаях формирование зон закалки и отпуска.

По данному способу возможна термическая обработка радиальных и радиально-упорных подшипников, причем обработку можно вести одновременно и пучком электронов-внутреннее кольцо 16 подшипника и лазерным излучением - внешнее кольцо 17 (фиг.4). Кольца располагают соосно, как это показано на фиг.4, помещают в вакуумную камеру и приводят во вращение при жестком соединении между собой. Поток электронов 18 направляют на дорожку качения внутреннего кольца, производят закалку зоны шириной H₂ и отпуск зон h₁ и h₂.

Поток лазерного излучения 19 направляют на дорожку качения внешнего кольца и также формируют зоны H₂ и h₁, h₂ требуемой ширины.

Несомненно, что радиальные и радиально-упорные подшипники можно термически обрабатывать (внутреннее и внешнее кольца) или только лазерным излучением, или только потоком электронов, причем в последнем случае развертку потока электронов необходимо выбирать такой, чтобы отсутствовало виньетирование потока.

Способ позволяет значительно повысить качество и производительность термической обработки дорожек качения шариковых и роликовых подшипников.

Источники информации:
1. Заявка Японии N 54-519115, кл.10G4, 1979г.

2. Журнал "Нэцусери", 1984г. т.24, N 5, с.292-299 (прототип).

Формула изобретения

1. Способ поверхностной термической обработки колец подшипника, включающий лучевую закалку поверхности дорожки качения кольца подшипника с заданной шириной закаленного слоя при одновременном отпуске зон перехода профиля дорожки качения кольца подшипника в бортик на заданной ширине, отличающийся тем, что осуществляют одновременную закалку внутреннего и внешнего колец подшипника при следующих соотношениях зон закалки и отпуска:
h₁ + h₂ + H₂ ≥ H
h₁, h₂ > 0
m ≅ Н₂ / Н₁ < 1
где h₁ и h₂ ширины зон отпуска;
Н₁ ширина дорожек качения кольца подшипника;
Н₂ ширина закаленного слоя;
m h_з / H₁;
h_з ширина зоны контакта тела качения с дорожкой качения кольца подшипника в направлении, перпендикулярном направлению качения.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при обработке упорного или упорно-радиального подшипника закалку с отпуском осуществляют путем сканирования одного потока излучения.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что закалку с отпуском осуществляют при использовании лазерного излучения, разделенного на два потока, направленных на соответствующие дорожки качения с заданной плотностью мощности.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что формируют два потока излучения, направленные соответственно на дорожки качения внешнего и внутреннего колец подшипника.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что при обработке радиального или радиально-упорного подшипника зоны закалки и отпуска на дорожке качения внешнего кольца формируют потоком лазерного излучения, а на дорожке качения внутреннего кольца потоком эклектронов.

6. Способ по любому из пп.1 5, отличающийся тем, что обработку ведут в среде газообразного азота или в среде инертного газа.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4