高精度熱壓氮化矽陶瓷球軸承及其製造方法
2023-05-18 14:33:21
專利名稱：高精度熱壓氮化矽陶瓷球軸承及其製造方法
技術領域：
本發明涉及一種高精度角接觸球軸承，特別是涉及一種高精度熱壓氮化矽陶瓷球軸承及其製造方法，屬於軸承製作技術，適於安裝在高精度、高轉速、高檔數控工具機和加工中心主軸上。
背景技術：
數控工具機是國民經濟的重要基礎裝備，它體現一個國家的綜合實力水平。而數控工具機主軸的核心支承是高速精密球軸承，該球軸承中的鋼球滾動體被一鋼製的保持架所橫向保持，鋼球排列在也由鋼製成的內外圈的滾道中。這些已知軸承的主要缺點是高轉速下的壽命受到了限制。這是因為具有摩擦作用的表面的不良性能使得鋼球與也是由鋼製成的兩個圈相接觸，在高速運轉條件下，將導致軸承溫升迅速升高，其結果是導致軸承性能迅速下降，此外，也損壞潤滑油脂和油，導致軸承的壽命縮短。
為此，世界各國一直在研製新一代的高速精密球軸承----高性能的陶瓷軸承，自從美國NASA公司1972年研製成功第一套陶瓷軸承開始，高精度熱壓氮化矽陶瓷球軸承一直是世界上各工業強國競相研究的熱點和難點。這是鑑於熱壓氮化矽具有密度好、硬度高、熱膨脹係數小、彈性模量大、抗壓強度高、耐腐蝕等優良物理特性，據報導，日本NSK公司計劃在未來的幾年內將計算機的高速硬碟軸承全部改用陶瓷球軸承，以提高硬碟的轉速和主機的穩定性；牧野、森精、新瀉、Kyocers等公司紛紛展出了採用陶瓷球軸承的高速工具機和加工中心；德國的FAG在七十年代中期就致力於陶瓷軸承主軸單元的開發；美國Norton公司採用HIP法生產的陶瓷球滾動體在國際上堪稱一流水平，SKF也曾多次報導在陶瓷球軸承方面的研究成果。法國的SNFA公司遞交的中國發明專利申請00812640.2號，也給出了一種《具有陶瓷滾珠和鋼圈的混合球軸承》，它包括由鋼製成的一內圈和一外圈，內圈和外圈分別具有球軸承槽；設置在球軸承槽之間並與之接觸的諸滾珠；一設置在內外圈之間以保持滾珠的滾珠隔離圈；以及基本上在兩圈之間徑向延伸的兩個環形密封件，用以將潤滑劑保持在含有滾珠和隔離圈的容積中，並將潤滑劑限定在兩圈與兩密封件之間，其特徵在於滾珠由陶瓷燒結而成。由於這種混合球軸承專用於航空業，尤其是應用於直升機尾部齒輪箱，用於驅動直升機尾部旋轉翼，因而其結構和精度均不適於應用在高精度、高轉速、高檔數控工具機和加工中心主軸上。在國內，對陶瓷軸承的研究還在處於試驗階段。其中主要原因是對高精度熱壓氮化矽陶瓷球的批量生產工藝和高效加工技術研究不足，對高精度陶瓷球軸承的結構設計、優化和軸承零件的加工技術缺乏研究，更缺乏工程實際應用和產業化方面的研究。
由於熱壓氮化矽材料屬於極難加工的硬脆材料，目前國際市場上只能有限制的提供10級以下的陶瓷球。G5級和G3級陶瓷球無處購買，相應的高精度陶瓷軸承也無法購買。因此，發展數控工具機及其關鍵共性技術已列入國家「十五」科技發展計劃。儘早研製出具有我國自主智慧財產權的高精度熱壓氮化矽陶瓷球軸承是當務之急。
發明內容
本發明的目的在於克服現有技術的上述不足，通過研究改進，給出了一種運轉精度高、性能價格比合理、使用方便、可靠性高的高精度熱壓氮化矽陶瓷球軸承及其製造方法，這種球軸承能夠在高轉速運轉條件下，極大地延長軸承的壽命，並且能保持球軸承高精度和高穩定性的特點，從而降低維修保養的成本。
本發明給出的技術方案是這種高精度熱壓氮化矽陶瓷球軸承，包括由鋼製成的一個內圈和一個外圈，內圈和外圈分別具有球軸承圓弧滾道；設置在內外圈球軸承滾道之間並與之接觸的陶瓷球滾動體，陶瓷球滾動體由錐形研磨加工工藝和技術設備獲得，其精度至少達到G5級；一個設置在內外圈之間以保持陶瓷球的滾動體隔離圈，即保持架。
由於所述的滾動體由陶瓷燒結而成並且其精度至少達到G5級，即球直徑變動量VDWS不超過0.13，球形誤差Δδ不超過0.013，表面粗糙度Ra不超過0.020。因此，本發明的特點是一種角接觸型的混合球軸承，其在具有摩擦作用的表面的性能通過彼此接觸的、用於製造圈的鋼和製造滾動體的陶瓷材料配對，使得在滾動體與圈之間的接觸得到改進。與傳統的軸承相比，由於降低了接觸部分的發熱，決定於軸承磨損和發熱的接觸體的性能得到了改進並從而導致潤滑油脂的衰減降低，因此，可以降低軸承的潤滑成本，同時，由於軸承的溫升下降，從而提高了軸承的穩定性，延長了軸承的壽命，使軸承的壽命提高到約3倍左右，從而大大提高了軸承高精度和高速穩定性能，並大大降低了維修保養的成本。
為更好的實現本發明的目的，所述的由陶瓷燒結而成的滾動體至少部分由Si3N4構成，餘量可是ZrO2或Al2O3，當然，也可全部採用Si3N4或ZrO2或Al2O3。這是因為陶瓷材料有多種，目前已開發的陶瓷材料有氮化矽(Si3N4)、碳化矽(SiC)、碳化鈦(TiC)、氧化鋯(ZrO2)、氧化鋁(Al2O3)及纖維增強玻璃與玻璃陶瓷基複合材料等，其顯微組織和性能各不相同，因此，並不是所有的陶瓷材料都適合用來製造軸承。陶瓷材料作為滾動軸承材料的主要目的，是為了減少高速旋轉的滾動體的離心力和慣性力，以適應軸承的高速化和高溫化的要求。因此，首先考慮的是作為軸承材料的低密度和為滿足高溫工況條件下使用所具有高強度和高硬度特性，此外，作為軸承材料還必須具有在不同溫度下的尺寸穩定性，以保證軸承在溫度變化工況條件下，保持精密的尺寸和精確的配合，在特殊環境下還必須具備抗腐蝕、抗分解能力。從目前的研究情況來看，氮化矽是目前最適合用來製造滾動軸承的陶瓷材料。與幾種陶瓷材料和軸承鋼相比，它的優點主要表現在低密度、中等彈性模量、高熱壓強度、低熱膨脹係數及其優良的內在化學特性。
為更好的實現本發明的目的，所述的軸承內圈和外圈的鋼可從如下的鋼材中選擇傳統軸承鋼，較佳的是M50或100C6；不鏽鋼，較佳的是440C或XD15N；結構滲氮或表面淬硬鋼，較佳的是32CDV13或M50NIL。
為更好的實現本發明的目的，所述的保持架由聚合物材料注塑成型，較好的是聚醚乙酮PEEK。現有的保持架由兩個相對於一徑向平面對稱的半隔離圈構成，沿該平面一個半隔離圈抵靠在另一個半隔離圈上，每一個隔離圈都是花冠形式，這些半隔離圈通過形成容納滾動體的護罩的、半隔離圈的若干互補凹部之間的軸向鉚釘而彼此軸向相對地組合在一起，這樣，隔離圈在內圈定中心，從而可對隔離圈進行維修保養。其主要缺點是，結構較複雜，在高溫環境下使用不利。而聚合物保持架與金屬保持架相比不僅因為價格便宜，而且性能優異，其主要特點是密度低，彈性好，耐腐蝕，抗化學腐蝕，抗震性好，滑動性好。同時由於聚合物保持架能注塑成型，其幾何形狀設計十分有利於軸承的工作。聚醚乙酮PEEK(Polyetheretherkerone)是用於陶瓷軸承的最好的保持架材料。PEEK與礙HIPSN間的摩擦係數最小為0.028，且幾乎沒有被磨損。而且，在整體陶瓷軸承實驗中，證明其能滿足高速要求。採用油潤滑的高速主軸軸承，通常採用薄形的聚合物保持架。該保持架質量輕，運轉過程中離心力小，軸承振動小，且強度高。薄形保持架與內圈擋邊間保持較大空隙，有利於軸承的潤滑。油脂潤滑型軸承的保持架應適當厚一點。為增加軸承自身儲油能力，應在保持架上開出相應的油溝。
為更好的實現本發明的目的，所述的保持架採用外圈引導結構的保持架。這是因為高速主軸軸承正常運轉時，保持架運轉速度遠低於軸承內圈運轉速度。由固定不動的外圈擋邊引導保持架，可大大減少保持架與引導面間的碰擦與振動，使軸承的工作更為穩定。高速主軸軸承內圈散熱條件差，應得到更為充分的冷卻與潤滑。採用外圈引導保持架，有利於使軸承得到充分的潤滑。潤滑油從內圈與保持架之間的空隙噴入，使內圈溝道得到充分的冷卻與潤滑。隨球的轉動，送入軸承內圈溝道的潤滑油在球體的帶動下和自身離心力的作用下，被不斷拋入外圈溝道，使引導面和溝道都得到良好的潤滑。故在同等潤滑條件下，外圈引導保持架的軸承壽命要長於內圈引導保持架的普通軸承。
本發明給出的技術方案中也包括有高精度熱壓氮化矽陶瓷球軸承的製造方法，該製造方法為錐形研磨法，由下列工序構成1.粗研首先將陶瓷球坯按最大直徑分組，在研磨壓力(N/球)8～15，研磨速度(r/min)800～2500，磨粒粒度170#～200#條件下研磨，以消除球坯表面較大的製備缺陷，減少球形誤差，統一球徑並高效去除餘量以滿足球徑要求，其精度測試結果為批直徑變動量(μm)2～2.5，直徑變動量(μm)2～2.5，球形誤差(μm)2，波紋度(μm)0.15～3，粗糙度(μm)0.8；2.半精研將粗研後的陶瓷球，在研磨壓力(N/球)6～10，研磨速度(r/min)450～800，磨粒粒度W40、W10條件下研磨，以修正球形誤差，提高整體加工效率及加工質量，其精度測試結果為批直徑變動量(μm)0.8，直徑變動量(μm)0.7～1.0，球形誤差(μm)0.8，波紋度(μm)0.05～0.07，粗糙度(μm)0.2；3.精研將半精研後的陶瓷球，在研磨壓力(N/球)3～6，研磨速度(r/min)160～270，磨粒粒度W5條件下研磨，以提高球的精度和表面質量，其精度測試結果為批直徑變動量(μm)0.4，直徑變動量(μm)0.4～0.5，球形誤差(μm)0.4，波紋度(μm)0.02～0.03，粗糙度(μm)0.05；4.超精研將精研後的陶瓷球，在研磨壓力(N/球)1～2，研磨速度(r/min)＜160，磨粒粒度W1、W0.5條件下研磨，以提高球的精度和表面質量，並保證足夠的加工餘量以使精度逐步提高，其精度測試結果為批直徑變動量(μm)0.13，直徑變動量(μm)0.1，球形誤差(μm)0.1，波紋度(μm)0.009，粗糙度(μm)0.02～0.03；5.拋光將超精研後的陶瓷球，在研磨壓力(N/球)0.5～1，研磨速度(r/min)＜160，磨粒粒度Fe2O3件下研磨，以提高表面粗糙度，其精度測試結果為批直徑變動量(μm)0.13，直徑變動量(μm)0.1，球形誤差(μm)0.1，波紋度(μm)0.009，粗糙度(μm)0.01～0.02，檢試合格後即為成品陶瓷球滾動體，其精度水平至少達到鋼球的G5級精度。
在上述工藝中，研磨壓力與研磨盤轉速這兩個參數是緊密相關的，並同時影響研磨精度和研磨效率，因此，在確定其具體值時，必須同時考慮，相互兼顧。
(1)選擇研磨壓力P時要兼顧陶瓷球的研磨精度和研磨效率如側重於研磨精度(精研時)，P應小一些；如側重於研磨效率(粗研時)，P可大一些；(2)選擇研磨盤轉速ω時也要兼顧陶瓷球的研磨精度和研磨效率如側重於研磨精度(精研時)，ω應小一些；如側重於研磨效率(粗研時)，ω可大一些；(3)P和ω的最後確定，還必須通過大量的陶瓷球研磨的現場實驗，以取得最佳的研磨效果。
由於陶瓷屬於脆性材料，在磨粒的作用下，表面會產生不同的裂紋，所以，陶瓷球滾動體的研磨加工要分步進行，由粗到精分多道工序來完成。工序多時輔助時間長，加工時間短，球的清洗取放時間長，最大優點是可以合理分配加工餘量，每道工序效率高。工序少時輔助時間短，加工時間長，磨料粒度差別大，必須保證足夠的加工餘量才能去除前道工序所留缺陷及逐漸提高加工精度。工序的劃分要根據加工批量、球坯餘量、誤差大小等綜合確定，批量較大時，工序劃分有助於整體效率的提高。
在粗研時應首先將球坯按最大直徑分組，縮短研磨初期的不穩定過程，並儘量減少其跳動以提高研磨效率，陶瓷球坯有稜角，因此，在加工起始，應當低速，轉速過高所造成振動大，也可能出現轉速高時，摩擦力大，由於球不圓而造成上研磨盤被卡住轉不動的現象，這都影響加工。因此，轉速不能太高，壓力可適當加大，在此條件下加工至把稜角去掉，球坯呈一定球形為止。然後可以考慮提高加工效率，從實際加工效果來看，在高速情況下，幾種壓力的去除率都較高，因此，轉速可以大幅度提高。但轉速過高，壓力大時，振動很大，因此，在保證加工效率的前提下，可考慮適當降低壓力，減小振動。
在半精研時由於半精研這道工序是用以過渡到精研，主要考慮加工效率，兼以考慮球形誤差。因此，不宜使用過高轉速、過大的壓力，用以修正球形誤差(因為在低速、低壓力下球形誤差的修正比高速、高壓力下好)，提高整體加工效率及加工質量。
在精研時本道工序的目的是提高球的精度和表面質量。去除量大小應保證消除前道工序所留缺陷。因此，轉速與壓力都要適當，一次添加磨料後加工時間也應有所考慮。
在超精研時本道工序不只是提高球的精度和表面質量，還應保證足夠的加工餘量以使精度逐步提高，餘量太小，無法達到高精度。因此，轉速與壓力比精研時的轉速與壓力要低些，一次添加磨料後，加工時間要較長，能逐步提高加工精度及表面質量。
在拋光時拋光的目的是提高表面粗糙度。從實際效果來看，用比陶瓷硬度低的軟磨料氧化鉻+精研油拋光效果較好，在低速、低壓力條件下，加工數小時後球徑極少變化，表面粗糙度Ra可以達到0.01μm或更小。
按照所定的各道工序加工HIPSN陶瓷球，每批可加工陶瓷球60~100個，共用時30h左右，成品陶瓷球可達G5、G3級水平。
為保證研磨效率和精度，應根據批量大小、球坯的餘量合理安排工序，由粗到精逐步減小研磨壓力和轉速。研磨裝置的精度對研磨效率和精度的提高有很大影響，主要應保證上、下研磨盤的平行度、垂直度、偏心及導向精度，這直接關係到球的受力及運動狀態。
研磨磨料可以使用金剛石磨料，也可以使用SiC、B4C磨料，金剛石磨料成本較高，加工效率高。調配合理的研磨劑有助於提高研磨精度和效率。需採取措施使磨料在研磨液中懸浮，研磨劑的添加要遵循少量多次的原則。粗研時，去除量大，磨屑多，容易堵塞研磨盤溝道，影響陶瓷球的自旋運動，使加工精度和加工效率都得不到保證。因此，必須及時清除殘液，填充研磨劑。實驗證明，據此可提高效率20％左右，減少加工時間8小時/批左右。
粗研時，研磨盤材料要選用軟鋼，如45#鋼、鑄鐵，有助於球軌道形成，快速統一球徑。精研時，研磨盤材料宜選用硬鋼，為長時間保持運動精度，如淬火鋼。研磨盤在粗、精研的使用期限大致為80h，120h。
本發明給出的技術方案中還包括有在高精度熱壓氮化矽陶瓷球軸承的製造方法中所使用的陶瓷球研磨機構，該研磨機構包括有上研磨盤與下研磨盤，其中上研磨盤安裝在傳動軸的一端，傳動軸的另一端與工具機主軸之間採用柔性件連接，並帶動上研磨盤隨工具機主軸一起以角速度旋轉，傳動軸的中部還設有角接觸球軸承，該角接觸球軸承的兩端端蓋上設有螺拴穿過套筒，該套筒的另一端穿進位於上、下研磨盤兩側的導柱上的軸套，軸套之上設有圓螺母、墊片和彈簧，可以改變研磨壓力，下研磨盤安裝在工具機的底座上固定不動，導柱也固定在工具機的底座上，待研磨的陶瓷球置於上研磨盤與下研磨盤之間的溝槽之中。
所述的工具機主軸可以是鑽床主軸或是銑床的立銑頭，要求工具機主軸能在100～5000轉/分之間進行有級或無級調速，並能使上研磨盤對陶瓷球施加向下的研磨壓力，該研磨壓力能隨不同的研磨要求進行調節。
與現有技術相比，本發明的有益效果為1).極限運轉速度高；2).運轉精度高；3).耐高溫，且可無潤滑運轉；4).重量輕；5).在一些高腐蝕性介質中可長期穩定工作；6).標準化程度高，便於維修、互換；7).對工具機結構改動小，便於維護保養。
8).應用在工具機主軸單元上，在運轉過程中的壽命比傳統的鋼球軸承提高了3倍以上，並可在運轉過程無須添加潤滑油脂。
9).錐形研磨加工工藝的工序劃分科學，由粗到精逐步減小研磨壓力和轉速，餘量合理分配，每道工序效率高，其加工效率高於傳統的V形槽研磨法。
10).為高速高精度工具機主軸系統及自動化生產線提供關鍵的基礎零件，加快了數控工具機向著高速、高效、高精度發展的步伐，促進軸承廠、發動機廠、齒輪廠等大中型機械加工企業的設備改造，並使我國在該領域的研究達到國際領先水平。
圖1是球軸承的比例放大的徑向剖面圖；圖2是圖1軸承的兩個圈的比例放大的橫剖面圖；圖3是圖1軸承保持架的中等比例的徑向剖面圖；圖4是圖3的左視圖；圖5是陶瓷球研磨過程中，陶瓷球的運動學分析圖；圖6是應用熱壓氮化矽陶瓷球軸承的數控工具機電主軸單元結構簡圖；圖7是陶瓷球研磨機構結構示意圖；圖中標號1.外圈，2.內圈，3.陶瓷球滾動體，4.保持架，5.外滾道，6.內滾道，7.圓形孔，8.密封圈，9.調整墊片，10.角接觸球軸承，11.上研磨盤，12.圓螺母，13.下研磨盤，15.主軸，16.圓螺母，17.墊片，18.軸套，19.彈簧，20.軸套，21.螺栓，22.軸承蓋，23.高精度熱壓氮化矽陶瓷球軸承，24.主軸，25.冷卻水入口，26.冷卻水出口，27.油霧入口。
具體實施例方式
下面結合實施例對本發明的具體技術方案做進一步說明如圖1～圖4所示的高精密熱壓氮化矽陶瓷球軸承包括由鋼製成的一內圈2和一外圈1，內圈2和外圈1分別具有一個彼此面對面的兩圓弧形滾道之一的圓弧滾道5、6；設置在內外圈的滾道5、6之間並與之接觸的若干陶瓷球滾動體3；一設置在內外圈1、2之間以保持陶瓷球滾動體3的滾動體隔離圈，即保持架4。該球軸承是角接觸型的，也就是說，外圈1和內圈2分別有一個各自的外滾道5和內滾道6，它們彼此面對面，各自的凹面朝著對方，在該例子中，外圈1帶有鎖口，使得軸承經裝配好後不可分離。該球軸承的裝配採用外圈加熱膨脹，以進行裝配。陶瓷球滾動體3設置在滾道5和6之間，並在徑向與設計成基本上承受徑向力和一定軸向負荷的軸承中的這些滾道5和6滾動接觸。陶瓷球滾動體3由Si3N4陶瓷燒結而成，其精度水平至少達到鋼球的G5級精度，部分達到鋼球的G3級精度。兩個圈1和2由例如M50或100C6型的傳統軸承鋼製成。
保持架4採用薄形的聚合物保持架，聚合物材料為聚醚乙酮PEEK，該保持架4注塑成型，保持架4與陶瓷球滾動體3之間的摩擦係數最小為0.028，且幾乎沒有被磨損，能夠滿足高速、高溫的運轉要求。由固定不動的外圈擋邊引導保持架，可大大減少保持架與引導面間的碰擦與振動，使軸承的工作更為穩定。此外，該結構還便於軸承的潤滑和清洗。
該實施例中的陶瓷球的製造方法為錐形研磨法，其研磨條件如下表所列
研磨時，應使用本發明給出的包括有上研磨盤與下研磨盤的陶瓷球研磨機構，如圖7所示，這種陶瓷球研磨機構包括有上研磨盤11與下研磨盤13，其中上研磨盤11安裝在傳動軸的一端，傳動軸的另一端與工具機主軸15之間採用柔性件連接，並帶動上研磨盤11隨工具機主軸15一起以角速度旋轉，傳動軸的中部還設有角接觸球軸承10，該角接觸球軸承10的軸承蓋22兩端端蓋上設有螺拴21穿過套筒，該套筒的另一端穿進位於上、下研磨盤兩側的導柱上的軸套20，軸套20之上設有圓螺母12和16、墊片17和彈簧19，可以改變研磨壓力，下研磨盤1安裝在工具機的底座上固定不動，導柱也固定在工具機的底座上，該工具機主軸是鑽床主軸，該主軸能在100～5000轉/分之間進行有級或無級調速，並能使上研磨盤對陶瓷球施加向下的研磨壓力，該研磨壓力能隨不同工序的研磨要求進行調節。當然，在滿足研磨要求的前提下也可採用現有的其它研磨設備對從市場上購得的陶瓷球坯進行研磨加工。研磨裝置的精度對研磨效率和精度的提高有很大影響，主要應保證上、下研磨盤的平行度、垂直度、偏心及導向精度，這直接關係到球的受力及運動狀態。
採用的錐形研磨法包括有下列工序1).粗研 首先將從市場上購得的陶瓷球坯按最大直徑分組，在研磨壓力(N/球)8～15，研磨速度(r/min)800～2500，磨粒粒度170#～200#條件下研磨，以消除球坯表面較大的製備缺陷，減少球形誤差，統一球徑並高效去除餘量以滿足球徑要求；2).半精研將粗研後的陶瓷球，在研磨壓力(N/球)6～10，研磨速度(r/min)450～800，磨粒粒度W40、W10條件下研磨，以修正球形誤差，提高整體加工效率及加工質量；3).精研將半精研後的陶瓷球，在研磨壓力(N/球)3～6，研磨速度(r/min)160～270，磨粒粒度W5條件下研磨，以提高球的精度和表面質量；4).超精研將精研後的陶瓷球，在研磨壓力(N/球)1～2，研磨速度(r/min)＜160，磨粒粒度W1、W0.5條件下研磨，以提高球的精度和表面質量，並保證足夠的加工餘量以使精度逐步提高；5).拋光將超精研後的陶瓷球，在研磨壓力(N/球)0.5～1，研磨速度(r/min)＜160，磨粒粒度Fe2O3條件下研磨，以提高表面粗糙度，經檢試合格後即為成品陶瓷球。
下面列出的是各工序精度測試結果和成品陶瓷球的檢測結果，其中成品陶瓷球的檢測結果由國家軸承質量監督檢驗中心進行檢驗後給出。
從檢測結果看加工出的陶瓷球的精度水平已達到鋼球的G5級精度，部分球達到G3級精度。按照上述各道工序加工陶瓷球，每批可加工的成品陶瓷球60～100個，共用時30h左右。
到目前，還沒有專門的陶瓷球的形狀公差和表面粗糙度的規定，因此，陶瓷球的精度等級仍參考鋼球精度等級的規定。
上述提及的鋼球的公差等級按GBT308-1989規定，鋼球按製造的尺寸、形狀公差分成3、5、10、16、20、28、40、60、100、200十個級別，精度依次由高到低。各等級鋼球的形狀公差和表面粗糙度按下表規定。
鋼球公差等級，用符號G加數字表示。
球直徑變動量一個球的實測最大和最小單一直徑之差；球形誤差在任一徑向平面內，球輪廓面的外接球體與球輪廓面上任一點之間的最大徑向距離。
成品陶瓷球檢測結果(μm)
各工序精度測試
鋼球的公差等級
如圖5所示，在研磨過程中單個陶瓷球的研磨運動學分析設上、下研磨盤與陶瓷球的接觸點分別為A、B、C。陶瓷球只受研磨盤的作用，下研磨盤固定，上研磨盤通過與陶瓷球的接觸點無滑動地帶動陶瓷球做研磨運動。上研磨盤的角速度為ω，三接觸點的公轉半徑分別為RA、RB、RC，陶瓷球半徑為r。陶瓷球的無打滑研磨運動由公轉和自轉組成，公轉角速度Ω(繞公轉軸)，自轉角速度ωb(繞陶瓷球自轉軸)。對陶瓷球的無打滑研磨運動，陶瓷球的自轉軸恆保持在陶瓷球經度剖面大圓平面上，自轉角速度ωb矢量在此平面上的方向由θ表示。其中，研磨盤參數為RA＝132.5，RB＝140，RC＝129，φ＝30。
如圖6所示，本發明給出的熱壓氮化矽陶瓷球軸承，安裝在數控工具機電主軸單元上的情況。其中，23為高精度熱壓氮化矽陶瓷球軸承，24為主軸，25為冷卻水入口，26為冷卻水出口，27為油霧入口。電主軸單元作為高速數控工具機最關鍵的核心部件，其性能好壞在很大程度上決定了整臺高速工具機的加工精度和生產效率，而高速電主軸的核心支承部件是高速精密軸承，試驗表明，軸承滾動體的離心力將隨轉速提高而快速上升，使滾動體與滾道接觸表面的滑動摩擦加劇，導致軸承壽命急劇下降。而氮化矽陶瓷混合球軸承的壽命比鋼球軸承的壽命提高三倍以上。氮化矽陶瓷材料的密度大約是鋼軸承的40％，低密度的氮化矽在輕載高速運行時，滾動體的離心力大大減小，由離心力引起的自旋運動也大為降低。這樣，混合陶瓷球軸承的極限轉速得到提高。計算表明，在高速輕載條件下，混合陶瓷球軸承的極限轉速可比鋼球軸承的極限轉速提高60％左右。在給出的應用實例中，陶瓷軸承大功率高速電主軸單元的內孔徑向跳動1um、端面跳動1.5um、30000rpm運行時振動值0.5mm/s，提高了精密軸承套圈的加工精度和效率，滿足了高速、超高速精密加工工具機的需要。
權利要求
1.一種高精度熱壓氮化矽陶瓷球軸承，包括由鋼製成的一個內圈和一個外圈，內圈和外圈分別具有球軸承圓弧滾道；設置在內外圈球軸承滾道之間並與之接觸的陶瓷球滾動體；一個設置在內外圈之間以保持陶瓷球的滾動體隔離圈，即保持架；其特徵在於所述的陶瓷球滾動體的精度至少達到鋼球的G5級精度，即球直徑變動量VDWS不超過0.13，球形誤差Δδ不超過0.013，表面粗糙度Ra不超過0.020。
2.根據權利要求1所述的高精度熱壓氮化矽陶瓷球軸承，其特徵在於由陶瓷球滾動體至少部分由Si3N4構成，餘量為ZrO2或Al2O3。
3.根據權利要求1所述的高精度熱壓氮化矽陶瓷球軸承，其特徵在於軸承內圈和外圈的鋼為傳統軸承鋼或不鏽鋼或結構滲氮鋼或表面淬硬鋼。
4.根據權利要求1所述的高精度熱壓氮化矽陶瓷球軸承，其特徵在於保持架由聚醚乙酮PEEK注塑成型，保持架為外圈引導結構。
5.根據權利要求1或2或3或4所述的高精度熱壓氮化矽陶瓷球軸承，其特徵在於熱壓氮化矽陶瓷球軸承安裝在數控工具機電主軸單元上。
6.製造高精度熱壓氮化矽陶瓷球軸承的方法，其特徵在於由下列工序構成(1).粗研首先將陶瓷球坯按最大直徑分組，在研磨壓力(N/球)8～15，研磨速度(r/min)800～2500，磨粒粒度170#～200#條件下研磨，以消除球坯表面較大的製備缺陷，減少球形誤差，統一球徑並高效去除餘量以滿足球徑要求，其精度測試結果為批直徑變動量(μm)2～2.5，直徑變動量(μm)2～2.5，球形誤差(μm)2，波紋度(μm)0.15～3，粗糙度(μm)0.8；(2).半精研將粗研後的陶瓷球，在研磨壓力(N/球)6～10，研磨速度(r/min)450～800，磨粒粒度W40、W10條件下研磨，以修正球形誤差，提高整體加工效率及加工質量，其精度測試結果為批直徑變動量(μm)0.8，直徑變動量(μm)0.7～1.0，球形誤差(μm)0.8，波紋度(μm)0.05～0.07，粗糙度(μm)0.2；(3).精研將半精研後的陶瓷球，在研磨壓力(N/球)3～6，研磨速度(r/min)160～270，磨粒粒度W5條件下研磨，以提高球的精度和表面質量，其精度測試結果為批直徑變動量(μm)0.4，直徑變動量(μm)0.4～0.5，球形誤差(μm)0.4，波紋度(μm)0.02～0.03，粗糙度(μm)0.05；(4).超精研將精研後的陶瓷球，在研磨壓力(N/球)1～2，研磨速度(r/min)＜160，磨粒粒度W1、W0.5條件下研磨，以提高球的精度和表面質量，並保證足夠的加工餘量以使精度逐步提高，其精度測試結果為批直徑變動量(μm)0.13，直徑變動量(μm)0.1，球形誤差(μm)0.1，波紋度(μm)0.009，粗糙度(μm)0.02～0.03；(5).拋光將超精研後的陶瓷球，在研磨壓力(N/球)0.5～1，研磨速度(r/min)＜160，磨粒粒度Fe2O3條件下研磨，以提高表面粗糙度，其精度測試結果為批直徑變動量(μm)0.13，直徑變動量(μm)0.1，球形誤差(μm)0.1，波紋度(μm)0.009，粗糙度(μm)0.01～0.02，檢試合格後即為成品陶瓷球滾動體，其精度水平至少達到鋼球的G5級精度。
7.製造高精度熱壓氮化矽陶瓷球軸承所用的陶瓷球研磨機構，其特徵在於所述的陶瓷球研磨機構包括有上研磨盤與下研磨盤，其中上研磨盤安裝在傳動軸的一端，傳動軸的另一端與工具機主軸之間採用柔性件連接，並帶動上研磨盤隨工具機主軸一起以角速度旋轉，傳動軸的中部還設有角接觸球軸承，該角接觸球軸承軸承蓋的兩端端蓋上設有螺拴穿過套筒，該套筒的另一端穿進位於上、下研磨盤兩側的導柱上的軸套，軸套之上設有圓螺母、墊片和彈簧，下研磨盤安裝在工具機的底座上，導柱也固定在工具機的底座上。
8.根據權利要求7所述的製造高精度熱壓氮化矽陶瓷球軸承所用的陶瓷球研磨機構，其特徵在於所述的工具機主軸是鑽床主軸或銑床的立銑頭。
全文摘要
一種高精度熱壓氮化矽陶瓷球軸承及其製造方法，屬於軸承製作技術，適於安裝在高精度、高轉速、高檔數控工具機和加工中心主軸上，本發明給出的高精度熱壓氮化矽陶瓷球軸承，包括由鋼製成的一個內圈和一個外圈，內圈和外圈分別具有球軸承圓弧滾道；設置在內外圈球軸承滾道之間並與之接觸的陶瓷球滾動體；一個設置在內外圈之間以保持陶瓷球的滾動體隔離圈，即保持架；其特點是所述的陶瓷球滾動體由錐形研磨加工工藝和技術設備獲得，其精度達到G5、G3級。本發明的特點是極限運轉速度高；運轉精度高；耐高溫，且可無潤滑運轉；重量輕；在一些高腐蝕性介質中可長期穩定工作；標準化程度高，便於維修、互換。
文檔編號F16C33/32GK1619171SQ20041008885
公開日2005年5月25日 申請日期2004年11月8日 優先權日2004年7月8日
發明者吳玉厚, 張珂 申請人:瀋陽建築大學