向球施予殘餘壓縮應力的方法與流程

2023-06-01 19:51:56

本公開涉及在球中產生殘餘壓縮應力的方法，更具體地，涉及通過在引發兩個相對的主體之間的相對運動的同時在主體之間擠壓多個球來在球中產生殘餘壓縮應力的方法。

背景技術：

常期望在球面物體(諸如球面軸承構件，在下文有時稱為「球」)中產生壓縮應力。由於已知的施予應力的方法可能會以需要重新加工的方式損壞表面光潔度(surfacefinish)，因此在球處於接近光潔的條件下，這可能是有挑戰性的。當前的用於施予壓縮應力的方法包括翻滾跌落(tumbling)和噴丸(peening)處理。

在翻滾跌落處理中，將多個球放置在水平的或傾斜的滾筒內，並使滾筒轉動使得球反覆地朝向滾筒的頂部上升和朝向滾筒的底部下落。球衝擊滾筒(或滾筒中其它的球)的力使球的衝擊滾筒或其它球的部分的特性改變。隨著球反覆上升和下落，球的不同表面吸收衝擊力，直到各球的全體表面已被施予壓縮應力的稍微均勻的分布為止。

翻滾跌落處理的缺點之一是產生的噪音量。就工業範圍而言，噪音過大以致於必須要在特定房間或隔音建築內執行這些操作，作業人員不能在沒有聽力保護的情況下進入這些建築或房間。還難以實現應力/硬度在整個球面表面上的均勻分布。

在噴丸處理中，球被重複地加速和釋放使得球衝擊固定表面或介質，諸如使冷硬鑄鐵丸加速以衝擊球的表面。這種處理也是噪音非常大的並對球的表面硬度和應力曲線僅提供有限的控制。

因此將期望提供一種用於以基本上避免前述問題的方式向球的球形表面部分施予壓縮應力的方法和設備。

技術實現要素：

這些問題和其它問題由本公開的實施方式解決，本公開的一方面包括用於向第一組多個球的至少表面部分施予殘餘壓縮應力的方法，球具有初始表面硬度。該方法包括：a)將第一組多個球放置在具有第一表面的第一主體與具有第二表面的第二主體之間，第一表面包括光滑接觸部分，光滑接觸部分基本平坦或外凸，且表面硬度大於或等於球的初始表面硬度，b)通過用力使第一主體向第二主體擠壓、或者用力使第二主體向第一主體擠壓、或者用力使第一主體和第二主體向彼此擠壓來沿著第一組多個球的第一直徑施予壓縮應力，以及c)將所述力維持在最小水平或最小水平以上，使第一表面與第二表面之間產生相對運動，以沿著第一組多個球的與第一直徑不同的其它直徑施予壓縮應力。

本公開的另一方面包括使用機器向第一組多個球的至少表面部分施予殘餘壓縮應力的方法，球具有初始表面硬度。該機器具有第一支撐件和第二支撐件，第一支撐件、或第二支撐件、或第一支撐件和第二支撐件兩者能夠圍繞著轉動軸線轉動。該方法包括將第一組多個球放置在安裝於第一支撐件的第一板中的環形槽(其中第一板以如下方式安裝於第一支撐件：環形槽的圓心位於轉動軸線上)內。該方法還包括將具有硬度大於或等於初始硬度的光滑接觸表面的第二板放置成靠抵環形槽中的第一組多個球，其中第二板被安裝於第二支撐件，接觸表面基本平坦或外凸。該方法還包括通過用力使第一支撐件向第二支撐件擠壓、或者用力使第二支撐件向第一支撐件擠壓、或者用力使第一支撐件和第二支撐件向彼此擠壓來將壓縮應力施予第一組多個球，並將所述力維持在最小水平或最小水平以上，使第一板與第二板之間產生相對轉動，以使第一組多個球圍繞環形槽產生移動。

附圖說明

在閱讀了以下具體實施方式連同附圖之後，本公開的這些和其它方面將被更好地理解。

圖1是根據本公開的一實施方式的用於施予壓縮應力的設備的立式側視圖，該設備包括頂板和底板。

圖2是能夠用於圖1的設備中的可選擇的底板的俯視平面圖。

圖3是根據本公開的另一實施方式的用於施予壓縮應力的設備的立式側視圖，該設備包括頂板和底板。

圖4是圖3的設備的底板的俯視平面圖。

圖5是壓縮應力與在不同的力施加下處理持續不同時間的多個球的深度的關係圖。

圖6是能夠用於圖3的設備中的可選擇的底板的俯視平面圖。

圖7是根據另一實施方式的用於施予壓縮應力的設備的立式側視圖。

圖8是能夠用於圖7的設備中的保持板的俯視平面圖。

具體實施方式

現參照附圖，附圖中的顯示僅僅是出於說明本公開的當前優選實施方式的目的，而不是出於限制本公開的當前優選實施方式的目的，圖1顯示了設備10，該設備10具有第一主體12，第一主體12能夠安裝在地板、工作檯(bench)或其它表面上(未圖示)。在本情況下第一主體12一般為板狀的並具有第一表面14，多個球16能夠布置在第一表面14上以用於使用設備10來進行硬化(hardening)。在本實施方式中第一表面14是光滑的且基本平坦並以周壁18為界，周壁18足夠高，即使球16在如下所述的沿著第一表面14來回移動的情況，也能夠防止球16離開第一表面14。這裡所使用的「光滑的」意思是當球在板之間擠壓和滾動時，缺乏將會使球16損壞的表面特徵。這裡所使用的「平坦」的意思是基本平坦而沒有任何溝槽，然而輕微的凸或凹總體上不會明顯妨礙設備10的工作。

設備10還包括位於第一主體12上方的第二主體20。第二主體20具有面向第一表面14的第二表面22。第二主體的第二表面22由硬度大於將使用設備10來進行處理的球16的表面硬度的材料形成。例如，第二主體的第二表面22一般將具有hrc60以上的硬度。第二主體的第二表面22也是光滑的和基本平坦。

第二主體20被驅動裝置24支撐在第一主體12上方，驅動裝置24具有連接在第二主體20的頂部28與驅動裝置24之間的螺絲26。在不超出本公開的範圍的情況下，螺絲26可以被替換為活塞或其它非螺紋的線性驅動元件。第一驅動器(或「x」驅動器)30和第二驅動器(或「y」驅動器)32也被驅動裝置24支撐。x驅動器30用於使第二主體20在x方向上移動，y驅動器32用於使第二主體20在y方向上移動；x驅動器30和y驅動器32以允許x驅動器30自身在y方向上移動和允許y驅動器32自身在x方向上移動的方式連接到驅動裝置24。。例如，x驅動器30可以被第一水平支撐件34和從第一水平支撐件34下垂的第一伸縮(telescoping)豎直支撐件36支撐，y驅動器32可以被第二水平支撐件38和從第二水平支撐件38下垂的第二伸縮豎直支撐件40支撐。第二伸縮豎直支撐件40可滑動地安裝在狹槽(slot)41內以允許y驅動器32在x驅動器30使第二主體20相對於驅動裝置24移動時相對於驅動裝置24在x方向上移動。第一伸縮豎直支撐件36安裝在圖中看不見的類似的溝槽41內。這還可以通過輸送機構代替主體12來實現，在沒有驅動器30的情況下，輸送機構移動以產生球在x方向上的轉動或產生主體12的超聲波振動。

在驅動裝置24的頂部示意地顯示的控制器42控制驅動裝置24的螺絲26的運行以及第一驅動器30和第二驅動器32的運行。可以通過有線(未圖示)或以無線的方式在控制器42與其它元件之間發送信號。控制器42可以包括微處理器或可編程邏輯控制器(未圖示)，該微處理器或可編程邏輯控制器被配置成接收輸入信號並將控制信號發送到驅動裝置24、x驅動器30和y驅動器32。

在操作時，將待被硬化的多個球16放置在第一表面14上，控制器42控制驅動裝置24使螺絲26轉動，以便使第二主體20向球16移動，直到第二主體20的第二表面22與球接觸為止。驅動裝置24繼續壓靠多個球，直到多個球中的每個球16均受到力(例如，每個球200到1500磅的力)的作用，此時，驅動裝置24被止動，並鎖定就位，以維持對球16的作用力。這時，各球16均將沿著第一直徑經受壓縮力(compressiveforce)，在該情況下，第一直徑一般是豎直且垂直於第一表面14的直徑。以眾所周知的方式，在所述過程中，該壓縮力改變了各球上的所述力所施加的位置的材料特性，硬化了所述球在該位置處的表面。

接著，在驅動裝置24維持在球16上的力的同時，控制器42控制x驅動器30和y驅動器32以使第二主體20相對於第一主體12移動。第一主體12與第二主體20之間的這種相對移動使球16在第二主體20沿著第一主體12的第一表面14的移動方向上滾動，使得第二主體20施加的力沿著不同於原始施加的力所沿著的球的直徑施加，從而改變了球16位於所述直徑的兩端的區域的材料特性。通過使第二主體20相對於第一主體12在x和y方向上移動，各球16的整個表面均能夠受到驅動裝置24的力，直到各球16的整個表面均已至少一次(優選為多次)受到驅動裝置24的力為止，從而將所有球16的表面層硬化至給定深度。

施加於球16的壓力和第二主體20相對於第一主體12移動的持續時間是基於球16的材料和期望的壓縮應力曲線(compressivestressprofile)來確定的。例如，可以使通常用作軸承中的球面滾動體的類型的球受到大約200至大約1500磅的力持續從大約5分鐘到大約20分鐘的時間。然而，用以提供期望壓縮應力曲線的實際時間和壓力在優選情況下是基於球16的材料和期待用途根據經驗來確定的。有益的是，與翻滾跌落處理(tumbling)不同(在翻滾跌落處理中，球的質量和球的跌落高度決定了能夠得到的壓縮應力的範圍)，使用本公開方案，壓縮應力曲線能夠不依賴球的質量(mass)而生成，這給予工作人員對球16的最終應力曲線以更大的控制。由於不存在翻滾跌落的球的某些隨機性，因此這種方法還提供了應力曲線上的更大的均勻度，並且比傳統的球處理方法安靜的多。

在設備10的改型中，第一主體12被替換為在圖2中圖示的有槽的主體44，該有槽的主體44具有面向第二主體20的第二表面22的基本平坦的上表面46和位於該上表面46中的槽48。槽48的直徑大約等於或略大於球16的直徑，並且槽48限定了當球16被第一主體12移動時球16將沿著行進的路徑。例如，在圖2中，槽48一般為正弦曲線形狀，可以通過控制器42驅動x驅動器30和y驅動器32來使第二主體20相對於有槽的主體44以一般正弦狀的方式移動，以使球16從槽48的第一端50移動到槽48的第二端52。

可以設置適當的供給和接收機構(未圖示)來將單個球16插入到槽48的第一端50和在球離開槽48的第二端52時接收球16。有益地，槽48限制球16並控制球16沿著路徑的移動。此外，第二主體20相對於有槽的主體44的正弦狀移動使球16在通過槽48時轉動，由於施加的力所沿著的直徑將隨著球16沿著槽48滾動而變化，因此這有助於導引(induce)應力進入球16的不同部分。可以通過多次沿著槽48傳遞球16來提供額外的應力，即，通過獲取(taking)已從槽48的第二端52離開的球16並將球16一次或多次重新引入槽48的第一端50來提供額外的應力。出於圖示的目的顯示了相對短的槽。可以在不超出本公開的範圍的情況下採用較長的槽和/或具有不同形狀的槽。

圖3顯示了根據本公開的另一實施方式的用於硬化球16的設備60。設備60包括第一主體62，第一主體62能夠安裝在地板、工作檯或其它表面上(未示出)。第一主體62具有第一表面64和形成於第一表面64的環形槽66，該環形槽66的槽直徑大約等於或略大於待被在設備60中加壓的球16的直徑。設備60還包括位於第一主體62上方的第二主體68。第二主體68具有第二表面70，第二表面70面向第一表面64，並在槽66的上方。第二表面70由具有至少與球16的表面硬度相同的硬度(例如，hrc60以上)的材料形成並且為光滑的和基本平坦的。第二主體68還包括位於外側面74的周槽72，優選地，該外側面74也是圓形的。

馬達76鄰近第一主體62安裝，驅動帶78使馬達76與第二主體68中的周槽72連接。馬達76被構造成出於下述原因使第二主體68繞著轉動軸線80轉動。

第二主體68被驅動裝置82支撐在第一主體62上方，驅動裝置82具有連接在第二主體68的頂部88與驅動裝置82之間的螺絲84。在不超出本公開的範圍的情況下，螺絲84可以被替換為活塞或其它非螺紋的線性驅動元件。螺絲84的轉動軸線與第二主體68的轉動軸線80同軸，並穿過環形槽66所在的圓的中心。能夠操作驅動裝置82來使第二主體68朝向和遠離環形槽66中的多個球16移動以及以可控制的力使多個球16壓靠第一主體62。

在驅動裝置82的上方示意地顯示了控制器90，控制器90控制驅動裝置82的螺絲84的運行和馬達76的運行。可以通過有線(未圖示)或以無線的方式在控制器90與其它元件之間發送信號。控制器90可以包括微處理器或可編程邏輯控制器(未圖示)，該微處理器或可編程邏輯控制器被配置成接收輸入信號並將控制信號發送到驅動裝置82和馬達76。

在操作時，將待被加壓的多個球16放置在環形槽66中，控制器90控制驅動裝置82使螺絲84轉動，以便使第二主體68向球16移動，直到第二主體68的第二表面70與球16接觸為止。驅動裝置82繼續壓靠多個球16，直到多個球中的每個球16均受到力(例如，每個球200到1500磅的力)的作用，此時驅動裝置82被止動，並鎖定就位，以維持球16的作用力。這時，各球16均將沿著第一直徑經受壓縮力，在該情況下，第一直徑一般是豎直且垂直於第一表面64的直徑。該力與螺絲84的轉動軸線大致平行，因而與球16的第一直徑大致平行。施加力的方向還可以被描述為與環形槽66的中央底部的法線平行。然後操作馬達76以使第二主體68相對於第一主體62轉動，第二主體68的該轉動圍繞環形槽66驅動多個球16。

由於球16與槽66之間以及球16與第二主體68之間的摩擦，因此球16的取向(orientation，球直徑的方向和角度)發生改變，使得力沿著除了前述第一直徑以外的直徑施加。以這種方式，隨著球16圍繞槽66移動，球16的外表面的不同部分被加壓，在足夠的運行時間之後，得到了多個球16中的所有球均大致一致的期望的應力曲線。

在可選擇的實施方式(未圖示)中，除了使第二主體68朝向和遠離第一主體62移動以外，驅動裝置82可以被構造成使第二主體68轉動。在這種情況下，將不需要採用馬達76。在進一步的實施方式中，能夠通過驅動鏈(未圖示)使第二主體68轉動，或者能夠通過被適於構造成直驅馬達(未圖示)的軸直接驅動第二主體68。

圖5顯示了使用與圖3的設備60大致類似的設備得到的各種深度曲線。這些深度曲線示出了存在於各球的不同深度處的壓縮應力的水平(level)以及在施加不同力持續不同的時間量的狀態下壓縮應力水平如何隨著深度變化。與球1、球2、球3、球4、球5、球6、球7和球8相關的圖線(plot)在圖5中被標記為b1…b8。壓縮應力的程度以千磅每平方英寸(ksi)為單位測量，深度以英寸為單位測量。

這些數據顯示，改變用於在第一主體與第二主體之間擠壓球16的力的量和改變力施加的持續時間均會影響深度曲線，即，均會影響球在的不同深度處的壓縮應力的量。例如，球3、4、5和6都受到775lbf(球3和4持續10分鐘，球5和6持續15分鐘)。圖線b3、b4、b5和b6顯示時間和壓力兩者均影響深度曲線。此外，顯示了受到500lbf持續15分鐘的球的深度曲線的圖線b1和b2與受到1250lbf持續10分鐘的球7和8的深度曲線不同。因而應能夠實現可以適合用於各種應用的各種各樣的深度曲線。重要的是，圖5顯示了：與能夠利用傳統的球翻滾處理裝置得到的相比，使用本公開的設備能夠實現更加多種多樣的深度曲線，原因至少是能夠獨立於被處理的球的質量來設定施加的力。

上述第一設備10和第二設備60本質上是批量處理設備，即，在開始第一主體12或62上沒有球16、添加給定數量的球16、施加壓力並使球在第一和第二主體之間滾動持續給定量的時間。另一方面，圖2的有槽的主體44可以允許連續的處理，即，將球添加到槽48的第一端50並沿著槽48移動到槽48的第二端52，同時在槽48內消耗的時間期間對球加壓。未經處理和/或之前處理過的球可被添加到槽48的第一端50，而已經受處理的球則被從槽48的第二端52取走。

設備還可以被設置成能夠以基本連續的方式處理多個批次的球16，從而對壓力施加於球期間的時間量提供更多的控制。這種設備與圖3的設備60基本相同，因此圖6僅顯示了變型的第一主體94，而其它構件與圖3所圖示的構件相同。第一主體94包括環形槽96。入口坡道98在第一位置處通向環形槽96，出口槽100從第二位置離開環形槽96。第一門102設置在第一位置處並能夠在第一工位(在圖6中以實線圖示)與第二工位之間切換，在第一工位時第一門102形成槽96的側壁的一部分，阻斷入口坡道98，使得入口坡道98上的球無法進入槽96；當處於第二工位(在圖6中以虛線表示)，第一門102第二工位允許入口坡道98上的球16滾動到槽96內。第二門104設置在第二位置處，能夠在第一工位(在圖6中以實線圖示)與第二工位(在圖6中以虛線圖示)之間切換。在第一工位時，第二門104形成槽96的側壁的一部分，阻斷出口槽100，使得在環形槽96中流轉的球16無法到達出口槽100；在第二工位時，第二門104開啟出口槽100，將在環形槽96中流轉的球引導進入出口槽100內，從而離開第一主體94。

入口坡道98的高度小於球16存在於環形槽96時的高度，因此當第二主體(圖6中未圖示)下壓在環形槽96中的球16上時，坡道98不會被第二主體接觸。

在操作時，開始槽96是空的、將多個球16放置在入口坡道98上並打開第一門102以允許球16進入環形槽96。使第二主體(未圖示)轉動以幫助將球16拖入槽內。當環形槽96裝滿或基本裝滿了球16時，關閉第一門102以防止額外的球16進入環形槽96且形成環形槽96的側壁部。然後使第二主體移動靠抵環形槽96中的球16並如上述與圖3的實施方式相應地進行處理。在預定的處理時間之後，減小第二主體對球16施加的力並在第二主體繼續使圍繞環形槽96的球16向出口槽100移動的同時打開第二門104以允許環形槽96中的球進入出口槽100。然後可以對相同數量的球或新的數量的球重複進行該處理。

為了建立合適水平(appropriatelevel)的初始力(firstforce)，槽96可以首先充滿(filledwith)多個與球16具有不同屬性的啟動球(starterball)(未圖示)。因而，例如，可以將多個硬橡膠球放置在槽96中並可以將用於處理球16的力施加於啟動球。當槽96充滿啟動球時，使第二主體轉動以使啟動球向出口槽100移動，同時通過第二主體的轉動來使待處理的球16移動到環形槽96中。以這種方式，不再需要對槽中的一個或少量的球施加力，即，當施加處理力時，槽96基本將一直充滿球。還可以將所謂的啟動球用於批次的末端，並在當一些球16完成被移除出口槽100時添加到槽96。

圖7和圖8圖示了本公開的另一實施方式。在本實施方式中，設備106包括基板108、中心板110和頂板112，基板108能夠安裝在地面或其它支撐面上。馬達114安裝在基板108上，驅動帶116使馬達114與中心板110上的周向槽118連接以使中心板110轉動。優選地，基板108和頂板112兩者相對於馬達114轉動地固定。頂板112通過螺絲122連接到驅動裝置120，控制器124被設置用於控制驅動裝置120和馬達114。這三個板的使用允許同時處理兩個層(level)的球，即，位於基板108與中心板110之間的第一組多個球126和位於中心板110與頂板112之間的第二組多個球128。驅動裝置120被構造成使頂板112向中心板110擠壓，當頂板112與中心板110之間存在第二組多個球128時，由驅動裝置120產生的向下力還使中心板110向基板108擠壓。

壓靠第一組多個球126和第二組多個球128的表面中的至少一者應是光滑的和大致平坦的。因而例如，頂板112的底表面130和基板108的頂表面132均可以是光滑的。中心板110的上表面136可以設置有第一槽134，中心板110的下表面140可以設置有第二槽138，以便在通過驅動裝置120使中心板110轉動時沿圓形路徑幫助引導第一組多個球和第二組多個球。然而，在所有的實施方式中，使用槽可以不是必要的。例如，本實施方式還包括開孔引導板142，開孔引導板142具有圓形的上部144和下部146，開孔式引導板(aperturedguideplate)142被構造成即使在基板108、中心板110和/或頂板112中的任一者中沒有槽的情況下也能夠沿著圓形路徑引導第一組多個球和第二組多個球。無論板中的任一者中是否存在槽，均可以使用引導板142。

在圖8的俯視平面圖中圖示出了引導板142的圓形上部144，引導板142具有多個孔150，各孔150的直徑均略大於待處理的球的直徑。引導板142包括中心柱152，上部144和下部146安裝於中心柱152，中心柱152被安裝成用於相對於基板108轉動。

為了裝載設備106，將頂板112上升到距引導板142的上部144的最大間隔，並沿著中心柱152在軸向上移動中心板110直到其接觸頂板112的底表面130，使得第一組多個球126能夠被插入到引導板142的下部146中的孔150內。當所有孔150裝滿時(可以設置多於圖示的四個示例孔150)，將中心板112下降到第一組多個球126的頂表面，並將第二組多個球128放置在引導板142的上部144的孔150內。然後操作驅動裝置120使上板112靠抵第二組多個球128，並施加力以壓縮位於上板112與基板108之間的第一組多個球126、第二組多個球128和中心板110。然後控制器124引發馬達使中心板110轉動，並如上述與早前的實施方式相應地以給定的力持續期望的時間來執行處理。這種構造允許在相對小的空間內處理較大數量的球。

根據本公開的向第一組多個球(其中球具有初始表面應力)的至少表面部分施予壓縮應力的第一方法包括將第一組多個球放置在具有第一表面的第一主體與具有第二表面的第二主體之間。第一表面包括光滑接觸部分，該光滑接觸部分是大致平坦或外凸並具有比球的初始表面硬度大的表面硬度。該方法還包括：通過用力使第一主體向第二主體擠壓、使第二主體向第一主體擠壓或者使第一主體和第二主體向彼此擠壓來沿著第一組多個球的第一直徑施予壓縮應力，並在維持力在最小水平或最小水平以上的情況下使第一表面與第二表面之間相對移動，以沿著第一組多個球的與第一直徑不同的其它直徑施予壓縮應力。

向第一組多個球(球具有初始表面硬度)的至少表面部分施予壓縮應力的另一方法包括使用具有第一支撐件和第二支撐件的機器。第一支撐件、或第二支撐件、或第一支撐件和第二支撐件兩者能夠圍繞著轉動軸線轉動。該方法包括將第一組多個球放置在安裝於第一支撐件的第一板中的環形槽(其中第一板以如下方式安裝於第一支撐件：環形槽的圓心位於轉動軸線上)內，將具有硬度大於初始硬度的光滑接觸表面的第二板放置成靠抵環形槽中的第一組多個球。第二板被安裝於第二支撐件，接觸表面是基本平坦或外凸。該方法還包括通過用力使第一支撐件向第二支撐件擠壓、或者用力使第二支撐件向第一支撐件擠壓、或者用力使第一支撐件和第二支撐件向彼此擠壓來向第一組多個球施予壓縮應力，並在維持力在最小水平或最小水平以上的情況下使第一板與第二板之間相對轉動，以使第一組多個球圍繞環形槽移動。

以上具體實施方式中公開的特徵和步驟的組合可能不一定是在最寬泛的意義上實現本發明，而僅僅是教示了特別說明本發明的代表性示例。此外，上述代表性示例的各種特徵和各獨立和從屬權利要求可以以不特別或明確列舉的方式組合以便提供本教示的另外有用的實施方式。

這裡已經按照當前優選實施方式說明了本發明。在審閱前述公開的基礎上，這些實施方式的補充和修改對於本領域技術人員將變得明顯。意在所有這些修改和補充在落入所附權利要求的範圍內的程度上形成本發明的一部分。