一种滚动轴承低摩擦滚道织构化表面制备方法

技术领域

本发明涉及精密与超精密加工技术领域，是一种滚动轴承低摩擦滚道织构化表面制备方法。

背景技术

滚动轴承是将运转的轴与轴座之间的滑动摩擦变为滚动摩擦，从而减少摩擦损失的一种精密的机械元件。滚动轴承一般由内圈、外圈、滚动体和保持架四部分组成，内圈的作用是与轴相配合并与轴一起旋转；外圈作用是与轴承座相配合，起支撑作用；滚动体是借助于保持架均匀的将滚动体分布在内圈和外圈之间，其形状大小和数量直接影响着滚动轴承的使用性能和寿命；保持架能使滚动体均匀分布，引导滚动体旋转起润滑作用。

随着工业化发展，高速精密滚动轴承是决定高档机床、高铁、航空发动机、风力发电等高端装备能否实现高性能稳定运行的核心基础件，对国民经济和国家安全具有重要战略意义。

套圈滚动面是滚动轴承中的主工作面，其表面质量是决定轴承性能最核心的技术指标之一，直接影响轴承润滑性能。同时国内此类轴承实际制造中也普遍认为，当滚道表面粗糙度值过低时，在高速工况下无法有效储存润滑介质，反而影响轴承的润滑性能。因此如何解决高速精密轴承对有效储存润滑介质和超光滑低损伤工作面需求之间的矛盾，是突破限制高速精密轴承性能进一步提升瓶颈的关键，亟待解决。

发明内容

为了克服上述现有技术中的缺陷，本发明的发明目的在于提供一种滚动轴承低摩擦滚道织构化表面制备方法，该方法通过在轴承滚道设置织构化表面，使润滑介质能够储存在轴承上，提升了轴承润滑性能，有利于所述方法在精密与超精密加工技术领域的应用和推广。

为了实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案:一种滚动轴承低摩擦滚道织构化表面制备方法，包括以下步骤：步骤1、低摩擦滚道织构化表面润滑油膜分布模型建立；步骤2、反求表面织构最优尺寸分布；步骤3、激光加工表面微织构；步骤4、滚道廓形约束力流变确定性抛光；步骤5、轴承服役性能测试。

作为本发明的一种优选方案，所述低摩擦滚道织构化表面润滑油膜分布模型建立，包括以下步骤：（1）弹性变形后织构化滚道表面构建；（2）构建弹性流体动压润滑油膜厚度分布方程。

作为本发明的一种优选方案，所述弹性变形后织构化滚道表面构建，通过依据套圈滚道表面粗糙度、套圈材料特性、润滑油脂特性等变量，模拟微织构在超精密抛光后的光滑表面分布来构建。

作为本发明的一种优选方案，所述反求表面织构最优尺寸分布，包括以下步骤：（1）分析织构界面轮廓对摩擦性能影响；（2）分析织构面积率对动压效率影响；（3）滚道表面微织构特征及分布反求计算模型。

作为本发明的一种优选方案，所述激光加工表面微织构，包括以下步骤：（1）试验得到不同轴承材料的激光烧蚀阈值；（2）微织构深度、轮廓形状的精确控制；（4）表征初始（精磨）表面亚表面损伤深度，确定后续抛光余量；（5）对大面积表面微织构阵列的高质高效激光加工。

作为本发明的一种优选方案，所述激光加工为采用飞秒激光技术对精密磨削后滚道表面进行微织构加工。

作为本发明的一种优选方案，所述滚道廓形约束力流变确定性抛光，包括以下步骤：（1）制定加工损伤的抑制策略；（2）材料去除函数模型建立；（3）套圈滚道力流变抛光滚道廓形约束修正模块优化设计；（4）确定表面微织构激光加工过程中的截面轮廓补偿量；（5）高速精密滚动轴承套圈滚道的高精度低损伤加工。

作为本发明的一种优选方案，所述力流变抛光为抛光流体介质与轴承滚道的相互运动，实现轴承滚道高精度曲面的抛光。

作为本发明的一种优选方案，所述滚道廓形约束力流变确定性抛光，可以主动控制抛光流场，精确控制抛光区域内材料去除率分布，实现滚道表面材料的确定性低损伤去除，以保证套圈滚道的廓形精度。

作为本发明的一种优选方案，所述轴承服役性能测试，包括以下步骤：（1）对不同织构表面进行摩擦磨损试验；（2）对织构化后的轴承高速工况下服役性能进行测试；（3）对运转后的套圈滚道织构化表面损伤分析；（4）构建滚道表面织构特征与轴承摩擦润滑性能的量化映射关系；（5）对织构特征及分布反求计算模型进行反馈修正。

与现有技术相比，具有以下有益效果：

1.本发明中的一种滚动轴承低摩擦滚道织构化表面制备方法，通过低摩擦滚道织构化表面润滑油膜分布模型建立，反求表面织构最优尺寸分布，激光加工表面微织构，滚道廓形约束力流变确定性抛光，轴承服役性能测试等步骤在轴承滚道建立织构化表面，使润滑介质能够储存在轴承上，提升了轴承润滑性能，有利于上述制备方法在精密与超精密加工技术领域的应用和推广。

2.该方法的激光加工表面微织构为采用飞秒激光技术对精密磨削后滚道表面进行微织构加工，激光可以在轴承滚道上准确有效地加工，提升了轴承滚道织构化表面的加工精度和效率。

3.该方法的滚道廓形约束力流变确定性抛光，通过力流变抛光技术，使抛光流体介质对织构化后磨削滚道的表面研磨，使轴承滚道表面更加光滑，降低了轴承滚道表面粗糙度，实现了廓形约束下高速精密滚动轴承套圈滚道表面的高精度、低损伤加工。

附图说明

图1是实施例中一种滚动轴承低摩擦滚道织构化表面制备方法的主要实施流程图；

图2是实施例中一种滚动轴承低摩擦滚道织构化表面制备方法的实施技术路线图；

图3是实施例中一种滚动轴承低摩擦滚道织构化表面制备方法激光加工后轴承滚道表面织构的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

下面结合附图对本发明实施例作详细说明。

如图1至图3所示，一种滚动轴承低摩擦滚道织构化表面制备方法，包括以下步骤：步骤1、低摩擦滚道织构化表面润滑油膜分布模型建立；步骤2、反求表面织构最优尺寸分布；步骤3、激光加工表面微织构；步骤4、滚道廓形约束力流变确定性抛光；步骤5、轴承服役性能测试，上述轴承服役性能测试即为对获得的织构化滚道表面摩擦润滑性能分析验证。通过上述方法在轴承滚道建立织构化表面，使润滑介质能够储存在轴承上，提升了轴承润滑性能。

本实施例中的上述低摩擦滚道织构化表面润滑油膜分布模型建立和上述反求表面织构最优尺寸分布，先依据套圈滚道表面粗糙度、套圈材料特性、润滑油脂特性等变量，模拟微织构在超精密抛光后的光滑表面（表面粗糙度 Ra 值低于 10nm）分布，再对弹性流体动力润滑（简称弹流润滑）状态下弹性变形后的微织构表面进行建模，分析弹性变形对球-滚道点接触界面各形貌参数的影响；基于润滑介质的流变特性分析和变形后表面形貌，建立轴承腔内 CFD 模型，构建润滑油膜厚度分布方程，分析表面织构对润滑油膜分布的影响，探索不同微织构截面轮廓对表面的摩擦性能的影响规律，再结合轴承不同服役工况（载荷、转速、服役温度等），反求出最优的套圈滚道表面点阵微织构形状、尺寸及分布。通过上述低摩擦滚道织构化表面润滑油膜分布模型建立，为反求表面织构最优尺寸分布提供了润滑油膜基本分布模型，再通过上述反求表面织构最优尺寸分布，确定了表面织构的尺寸分布，为后续的激光加工提供了便利性。

本实施例中的低摩擦滚道织构化表面润滑油膜分布模型建立和反求表面织构最优尺寸分布具体方法为，由于在润滑剂存在的条件下，压力分布的规律不再符合赫兹理论，而是取决于剪切流动分量与压力动压分量的平衡，此两者均为几何间隙的函数。真实工况下滚动轴承中滚动体与滚道处于弹流润滑状态，接触应力达到GPa数量级，此时轴承钢表面的弹性变形比最小膜厚大好几个数量级，因此接触界面的弹性变形不能忽略，而该弹性变形必然对滚道表面的形貌产生影响，进而改变形貌参数，影响润滑油膜分布。由于接触应力较高，膜厚h本身也是压力的函数，滚动体和滚道尺寸远大于赫兹接触区大小且弹性变形量相对较小，将滚动体和滚道视为半无限弹性体，简化点接触稳态弹流润滑的雷诺方程，膜厚h可用下式表达：

其中 R(x,y,t)为表面初始形貌（形貌高度幅值为 Ai），δ(t)为油膜压力作用下的表面形变，Rx和Ry分别为接触界面在x、y方向上的当量曲率半径，E为当量弹性模量。即采用Amplitude Reduction（AR）算法，对初始表面进行快速傅里叶变换，引入完整的三维表面特征，求得变形后表面形貌幅值与初始表面形貌幅值的比值；再对变形后表面频率分量进行逆傅里叶变换，重构表面特征，可求得弹性变形后滚道表面形貌。之后基于润滑介质的流变特性分析，结合建立的CFD模型，求解弹性流体动压润滑油膜厚度分布，对比不同微织构截面轮廓对表面的摩擦性能的影响，分析出织构截面轮廓对油膜承载能力影响和织构面积率对动压效应的影响规律，反求得到最优的滚道表面微织构形状、尺寸及分布。

为了能在轴承滚道表面精确有效地加工，设置激光加工表面微织构，采用飞秒激光技术对精密磨削后滚道表面进行微织构加工。首先试验得到不同轴承材料的激光烧蚀阈值；分析不同脉冲能量和脉冲个数对织构形貌的影响，拟合得到织构深度与激光脉冲能量、个数的关系表达式，实现微织构深度的精确控制；分析激光重复频率、激光扫描速度及扫描次数对微织构形貌的影响，实现微织构横截面轮廓的精确控制；利用亚表面特征表征手段，观测确定初始表面（精密磨削表面）亚表面损伤深度，计算出后续滚道力流变精密抛光的材料去除量；探索大面积表面微织构阵列的激光加工质量、效率最优的扫描路径，实现对轴承滚道表面的激光加工，提升了轴承滚道织构化表面的加工精度和效率。

上述滚道表面微织构的飞秒激光加工具体方法为，先通过对滚道表面激光试验得到不同轴承材料的激光烧蚀阈值；分析不同脉冲能量和脉冲个数对织构形貌的影响，拟合得到织构深度与激光脉冲能量、个数的关系表达式，实现微织构深度的精确控制；分析激光重复频率、激光扫描速度、扫描次数及脉冲宽度等参数对微织构形貌的影响，建立织构轮廓演化模型，实现微织构横截面轮廓的精确控制；利用亚表面特征表征手段，观测确定初始表面（精密磨削表面）亚表面损伤深度，计算出后续滚道力流变精密抛光的材料去除量，在激光加工微织构时精确预留出抛光去除余量；得到大面积表面微织构阵列的激光加工质量、效率最优的扫描路径。具体操作为，采用高功率飞秒激光系统Pharos-15W对轴承钢（GCr15）表面进行织构加工。激光放大系统输出脉宽35fs，中心波长800nm，重复频率1kHz，光强近高斯分布，偏振方向平行于扫描速度方向，激光平均功率在0~3W内连续可调，并由功率计进行能量在线检测；光斑直径为8mm的脉冲光束通过焦距为3.1mm、数值孔径为0.45的透镜垂直聚焦到样品前表面，加工得到的微织构尺寸一致性较好，廓形均匀，具有较好的加工精度。

为了降低激光加工后的轴承滚道表面粗糙度，设置滚道廓形约束力流变确定性抛光，采用力流变抛光对织构化后磨削滚道表面进行加工，去除损伤，降低表面粗糙度。抛光过程中，以非牛顿幂律流体作为基液制备的抛光流体介质与工件的相对运动，使其受到剪切力作用发生力流变现象，固相粒子聚合成大量粒子簇，并将磨粒包裹在其中，形成柔性固着磨具，利用流体的流动性实现良好的面形适应性，完成滚道高精度曲面的抛光。该方法可以有效避免现有技术的滚道表面油石珩磨加工技术受纯机械去除原理限制，实现廓形约束下高速精密滚动轴承套圈滚道表面的高精度、低损伤加工。

上述滚道廓形约束力流变确定性抛光的关键技术包括制定加工损伤的抑制策略，材料去除函数模型建立及套圈滚道力流变抛光滚道廓形约束修正模块优化设计，具体方法为，先利用超景深显微镜、白光干涉仪等仪器评价表面织构形貌、轮廓形状和表面粗糙度，评价激光加工和力流变抛光质量；再采用角度抛光、表面横截面腐蚀观测，聚焦表面离子束切割、透射电镜观测等技术手段评价滚道亚表面损伤和激光加工热影响区域；采用X射线衍射（XRD）技术测量加工后表面残余应力，全面衡量激光加工和力流变抛光质量。同时，基于亚表面特征，对抛光过程材料损伤机理比对，在研究磨粒与工件滑擦、耕犁和切削等微观材料去除机理的基础上，得到材料去除过程对表面粗糙度、残余应力、晶相组织变化、加工硬质层等表面质量的影响规律，得出加工过程中划痕、裂纹、微疵点等损伤的产生机理和抑制策略，最终获得织构化低损伤表面。然后在力流变抛光过程中，对激光加工微织构后的表面进行加工，精确控制材料去除深度，确保最终滚道表面织构轮廓形状的准确性，得出磨粒与滚道表面材料作用机制与材料去除机理。再根据抛光介质流变特性、磨粒粒径、抛光线速度、固相粒等因素对材料去除率的影响规律，基于Preston方程构建材料去除函数，精确指定滚道表面材料去除深度，并对比优化抛光工艺参数，获得质量最优的低损伤表面。对比抛后表面织构截面轮廓变形程度，得出表面微织构激光加工过程中的截面轮廓补偿量，能确保抛后表面织构截面轮廓与反求计算结果的吻合度。

为了保证加工后的轴承滚道表面光滑度和储存润滑介质的能力，需要设置轴承服役性能测试，即织构化滚道表面摩擦润滑性能分析验证，对不同织构表面进行摩擦磨损试验，验证微织构对点接触摩擦及副摩擦特性的影响，并采用T30-70轴承高速试验机对织构化后的轴承高速工况下服役性能（寿命、振动、温升等）进行测试，评估表面织构对轴承摩擦润滑性能的提升效果，并依据测试结果对滚道表面织构分布理论计算模型进一步修正，提升理论计算模型准确性。同时，对运转后的套圈滚道表面进行显微形貌观测、表面粗糙度测量以及表面3D轮廓扫描，进行织构化滚道的表面损伤分析，评价其抗磨损特性，建立织构化滚道表面损伤演化及寿命预测模型，获得滚道表面织构特征与轴承摩擦润滑性能的量化映射关系，并据此对织构特征及分布反求计算模型进行反馈修正，实现表面织构的优化设计，最终获得摩擦润滑性能最优的滚道无损织构化表面，实现高速精密滚动轴承润滑性能的提升。

本实施例提供的一种滚动轴承低摩擦滚道织构化表面制备方法，提出了一种滚道表面微织构的反求设计方法，基于润滑介质的流变特性分析，建立弹性变形后滚道表面的润滑油膜分布模型，反求出最优的滚道表面点阵微织构形状、尺寸及分布，实现对微织构加工的指导。并且基于流场主动控制策略，提出套圈滚道廓形约束力流变确定性抛光方法，可以主动控制抛光流场，精确控制抛光区域内材料去除率分布，实现滚道表面材料的确定性低损伤去除，从而保证套圈滚道的廓形精度。最后通过对轴承服役性能特征信息的提取和服役过程中滚道织构化表面形貌退化行为的分析，量化织构化滚道表面特征与轴承服役性能之间的映射关系，定量解析织构化表面形貌对轴承滚道摩擦润滑性能的影响，从而根据量化的滚道表面特征预测出精密滚动轴承服役效果。该方法有效解决了目前高速精密轴承对有效储存润滑介质和超光滑低损伤工作面需求之间的矛盾。

本实施例中的一种滚动轴承低摩擦滚道织构化表面制备方法，通过低摩擦滚道织构化表面润滑油膜分布模型建立，反求表面织构最优尺寸分布，激光加工表面微织构，滚道廓形约束力流变确定性抛光，轴承服役性能测试等步骤在轴承滚道建立织构化表面，使润滑介质能够储存在轴承上，提升了轴承润滑性能，有利于上述制备方法在精密与超精密加工技术领域的应用和推广。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现；因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

尽管本文较多地使用了图中附图标记等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。