專利名稱：一種無內(nèi)圈式熱等靜壓氮化硅全陶瓷球軸承及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種機械配件，特別是涉及一種高速高精密主軸用的無內(nèi)圈式熱等靜壓氮化硅全陶瓷球軸承及其制造方法。
背景技術(shù)：
氮化硅陶瓷具有比重輕、耐磨、耐高溫、高彈性模量、高抗壓強度及韌性、無磁性、絕緣等優(yōu)良的綜合特性，特別適于制造陶瓷球軸承和陶瓷主軸等高速機床陶瓷部件，并在機械、電子、航空航天、化工等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。與主軸配合的軸承是數(shù)控機床的關(guān)鍵部件，軸承精度的高低以及使用壽命都與生產(chǎn)密切相關(guān)，故高精度長壽命的軸承是實際生產(chǎn)中所需要的。
自從1972年第一套陶瓷軸承研制成功開始，世界上的各工業(yè)強國就一直在競相開發(fā)、研制新一代更高性能的陶瓷軸承，從產(chǎn)業(yè)化入手，進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)備、工藝、工裝等一系列的開發(fā)、研制，在材料制備、產(chǎn)品加工、生產(chǎn)組織及大規(guī)模實用化工藝開發(fā)等方面，投入了大量的人力、物力。從應(yīng)用結(jié)果上看，最突出的效果是較大幅度地提高了軸承的使用壽命和極限轉(zhuǎn)速，為發(fā)展高速和超高速精密機床提供了基礎(chǔ)零部件。除此以外，在高溫、腐蝕、絕緣、真空等行業(yè)的應(yīng)用也已取得了良好效果。如在高速主軸部件中，陶瓷軸承的Dm·n值已達(dá)到212～250萬；在高溫領(lǐng)域，陶瓷軸承耐高溫已達(dá)到800℃；可在強酸、強堿、鹽等一些高腐蝕性介質(zhì)中長期穩(wěn)定地工作。當(dāng)今世界上著名的軸承巨頭們無一不在開發(fā)、生產(chǎn)陶瓷軸承，而產(chǎn)品質(zhì)量的高低，已成為衡量其企業(yè)實力的一個重要標(biāo)志。
通常，陶瓷球軸承可分為混合式陶瓷球軸承(Hybrid Ceramic BallBearing)和全陶瓷球軸承(All-ceramic Ball Bearing)兩種。目前，國內(nèi)絕大多數(shù)科研機構(gòu)和企業(yè)對于陶瓷軸承的研究還僅限于混合式陶瓷球軸承，而且許多研究單位還處于試驗研究階段。而對于全陶瓷球軸承的研究在我國才剛剛起步，除極少數(shù)單位做了些基礎(chǔ)研究之外，還沒有進(jìn)行更多的試驗和產(chǎn)業(yè)化工作。當(dāng)前，國內(nèi)能夠形成產(chǎn)業(yè)化規(guī)模，生產(chǎn)陶瓷球軸承的企業(yè)非常少，陶瓷球軸承型號不全，品種較少，而能研制并生產(chǎn)特種無內(nèi)圈全陶瓷球軸承的單位更是沒有。目前，國際上發(fā)展應(yīng)用的高速陶瓷軸承主要是混合型，即滾動體用陶瓷材料制造，內(nèi)外圈仍用軸承鋼材料制造。由于生產(chǎn)工藝、成本價格等方面的因素，全陶瓷軸承的應(yīng)用受到了一定的限制。但是，由于工程陶瓷所具有許多優(yōu)良的性能，如較高的硬度和強度、很強的耐腐蝕、耐磨損、耐高溫能力和良好的化學(xué)惰性等，以及全陶瓷球軸承的設(shè)計制造技術(shù)進(jìn)一步成熟，其必將在機械、航空航天、化工、軍事、電子電器以及精密制造等領(lǐng)域得到日益廣泛的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種無內(nèi)圈式熱等靜壓氮化硅全陶瓷球軸承及其制造方法，該無內(nèi)圈全陶瓷球軸承與機床主軸進(jìn)行裝配，可提高軸承的轉(zhuǎn)速和數(shù)控機床高速主軸的剛度、精度、使用壽命，達(dá)到高速高精密的加工目的。
本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的一種無內(nèi)圈式熱等靜壓氮化硅全陶瓷球軸承，包括有陶瓷外圈、保持架、陶瓷球及高精度機床主軸，該球軸承為角接觸型，外圈和主軸分別設(shè)有一個各自的外滾道和內(nèi)滾道，彼此面對面，各自的凹面朝著對方，外圈帶有鎖口，滾動體陶瓷球設(shè)置在滾道之間，主軸和陶瓷球、陶瓷軸承外圈裝配成一體，軸承和機床主軸為分離式安裝。
如上所述的一種無內(nèi)圈式熱等靜壓氮化硅全陶瓷球軸承，其陶瓷球為氮化硅陶瓷燒結(jié)而成；保持架采用全陶瓷保持架或聚醚乙酮材料制成，采用外圈引導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
如上所述的一種無內(nèi)圈式熱等靜壓氮化硅全陶瓷球軸承，該軸承的主要的參數(shù)如陶瓷球直徑、陶瓷球數(shù)目、溝道曲率半徑、外圈溝道直徑、外圈溝位置、鎖口高度，可通過優(yōu)化設(shè)計軟件或程序進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。
一種無內(nèi)圈式熱等靜壓氮化硅全陶瓷球軸承的制造方法，高精度無內(nèi)圈全陶瓷軸承加工工藝步驟可分為粗研、半精研、精研、超精研、拋光，由粗到精分多道工序來完成，軸承圈以及主軸上的溝道采用金剛石定型砂輪進(jìn)行高速精密研磨；加工陶瓷球的制造方法為錐形研磨法；外圈需要用金剛石定型砂輪進(jìn)行溝道的磨削加工，其溝道的加工分成由粗到精的階段，需要相應(yīng)粒度的金剛石定型砂輪和選擇相應(yīng)的磨削速度進(jìn)行加工，最后拋光階段用超精密磨削進(jìn)行加工。
如上所述的一種無內(nèi)圈式熱等靜壓氮化硅全陶瓷球軸承的制造方法，其陶瓷球的研磨分為粗研、半精研、精研、超精研、拋光階段。
本發(fā)明的優(yōu)點與效果是1.本發(fā)明的軸承本身采用陶瓷材料，其結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，耐高溫，極限運轉(zhuǎn)速度高。
2.本發(fā)明是一種可裝配的角接觸型的全陶瓷球軸承，與傳統(tǒng)的軸承相比，在滾動中產(chǎn)生的熱量較少，彈性變形小，運轉(zhuǎn)精度高。
3.本發(fā)明的軸承受熱量影響小，延長了軸承的壽命、提高了軸承高精度和高速穩(wěn)定性能，并大大降低了維修保養(yǎng)的成本。
4.本發(fā)明為全陶瓷球軸承，應(yīng)用在機床主軸單元上，在運轉(zhuǎn)過程中的壽命比傳統(tǒng)的鋼球軸承提高了3倍以上，并可在無須添加潤滑油脂的情況下正常運轉(zhuǎn)。
5.本發(fā)明將傳統(tǒng)的陶瓷內(nèi)圈屏棄，取而代之的采用將主軸上加工出軸承溝道，將主軸和陶瓷球、陶瓷軸承外圈裝配成一體，不但能實現(xiàn)原來傳統(tǒng)軸承的支撐作用，而且較原來相比結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、轉(zhuǎn)速高。


圖1為本發(fā)明無內(nèi)圈陶瓷軸承與主軸配合示意圖；圖2為本發(fā)明無內(nèi)圈陶瓷軸承結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明保持架主視圖；圖4為本發(fā)明保持架左視圖；圖5為本發(fā)明錐形陶瓷球研磨裝置示意圖；圖6為本發(fā)明陶瓷外圈加工示意圖。
具體實施例方式
高速高精度無內(nèi)圈全陶瓷軸承包括由熱壓氮化硅制成的外圈1和陶瓷球3，由PEEK(聚醚乙酮)制成的保持架4、由鋼制成的帶溝道的主軸2。其中內(nèi)圈已由機床主軸代替，可以實現(xiàn)高速的轉(zhuǎn)動，而陶瓷外圈則按傳統(tǒng)軸承的安裝方式固定在軸承座內(nèi)，由于結(jié)構(gòu)的特殊性，本發(fā)明采用可裝配式的軸承設(shè)計安裝方式。
該球軸承是角接觸型的，也就是說，外圈1和主軸2分別有一個各自的外滾道和內(nèi)滾道，他們彼此面對面，各自的凹面朝著對方，外圈1帶有鎖口，使得軸承經(jīng)裝配好后不可分離。該球軸承的裝配采用外圈1加熱膨脹，以進(jìn)行裝配。陶瓷球滾動體3設(shè)置在滾道之間，并在徑向與設(shè)計成基本承受徑向和一定軸向負(fù)荷的軸承中的這些滾道滾動接觸。陶瓷球3由氮化硅陶瓷燒結(jié)而成，其精度水平至少達(dá)到鋼球的G5級精度，部分達(dá)到鋼球的G3級精度。
由于軸承外圈和軸承球均采用熱壓氮化硅做為材料，其加工表面會產(chǎn)生不同的裂紋，故本發(fā)明給出的高精度無內(nèi)圈全陶瓷軸承加工工藝可分為粗研、半精研、精研、超精研、拋光等幾個步驟，由粗到精分多道工序來完成。軸承圈以及主軸上的溝道采用金剛石定型砂輪進(jìn)行高速精密研磨。陶瓷軸承裝配后達(dá)到P4級水平。主軸上加工出的溝道要進(jìn)行精密的研磨加工，并進(jìn)行后期處理才能和陶瓷球進(jìn)行裝配，以延長其使用壽命。因為陶瓷球的硬度大，不能和主軸材料直接接觸。需要進(jìn)行表面處理，達(dá)到理想的接觸摩擦狀態(tài)。軸承球采用錐形研磨加工工藝，由于工藝劃分科學(xué)，故研磨效率高、陶瓷球精度高。加工后的陶瓷球精度可達(dá)到G3、G5級水平。圓度≤0.08μm，表面粗糙度≤0.01μm。
陶瓷球3的制造方法為錐形研磨法。研磨時，上研磨盤5安裝在傳動軸上，傳動軸與機床主軸之間采用柔性件連接，并帶動上研磨盤隨機床主軸一起以角速度旋轉(zhuǎn)，下研磨盤6安裝在機床的底座上固定不動，待研磨的陶瓷球置于上研磨盤與下研磨盤之間的溝槽之中。該機床主軸是鉆床主軸，該主軸能在100～1200轉(zhuǎn)/分之間進(jìn)行有級或無級調(diào)速，并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(jìn)行調(diào)節(jié)。陶瓷球的研磨也分粗研、半精研、精研、超精研、拋光等階段，這是因為陶瓷球的要求比較高，表面的研磨質(zhì)量直接關(guān)系到軸承的精度和使用壽命等方面。
外圈1的加工與球的不同，外圈需要用金剛石定型砂輪7進(jìn)行溝道的磨削加工。溝道的加工也要分成由粗到精的階段。這就需要不同粒度的金剛石定型砂輪7和選擇不同的磨削速度進(jìn)行加工。尤其到最后的拋光階段，這關(guān)系到軸承套圈的使用壽命。所以要用超精密磨削進(jìn)行加工。
本發(fā)明由于在高速的條件下運行，故本發(fā)明采用外圈引導(dǎo)結(jié)構(gòu)的保持架。這是因為高速主軸軸承正常運轉(zhuǎn)時，保持架運轉(zhuǎn)速度遠(yuǎn)低于軸的運轉(zhuǎn)速度。由固定不動的外圈擋邊引導(dǎo)保持架，可大大減少保持架與引導(dǎo)面間的碰擦與振動，使軸承的工作更穩(wěn)定。高速主軸軸承內(nèi)圈散熱條件差，更應(yīng)得到更為充分的潤滑。采用外圈引導(dǎo)保持架，有利于使軸承得到充分的冷卻與潤滑。隨球的轉(zhuǎn)動，送入軸承內(nèi)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(dǎo)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(dǎo)保持架的軸承壽命要長于內(nèi)圈引導(dǎo)保持間的軸承。保持架采用全陶瓷保持架或PEEK材料制成的實體保持架，采用外圈引導(dǎo)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)還便于軸承的潤滑和清洗。其中PEEK(聚醚乙酮)是用于陶瓷軸承的最好的保持架材料。PEEK與HIPSN之間的摩擦系數(shù)最小為0.028。而且，在整體陶瓷軸承實驗中，證明能滿足高速要求。為增加軸承自身儲油能力，應(yīng)在保持架上開出相應(yīng)的油溝。
本發(fā)明設(shè)計過程中當(dāng)軸承內(nèi)徑、外徑和內(nèi)圈寬度確定后，對其他參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。使軸承性能最佳，壽命最長。其中主要的參數(shù)溝道曲率半徑、內(nèi)外圈溝道的設(shè)計等參數(shù)上進(jìn)行了反復(fù)的優(yōu)化，例如外圈溝道直徑、外圈溝位置、鎖口高度等，以達(dá)到最佳的運動狀態(tài)。
權(quán)利要求
1.一種無內(nèi)圈式熱等靜壓氮化硅全陶瓷球軸承，包括有陶瓷外圈、保持架、陶瓷球及高精度機床主軸，其特征在于，該球軸承為角接觸型，外圈(1)和主軸(2)分別設(shè)有一個各自的外滾道和內(nèi)滾道，彼此面對面，各自的凹面朝著對方，外圈(1)帶有鎖口，滾動體陶瓷球(3)設(shè)置在滾道之間，主軸和陶瓷球、陶瓷軸承外圈裝配成一體，軸承和機床主軸(2)為分離式安裝。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無內(nèi)圈式熱等靜壓氮化硅全陶瓷球軸承，其特征在于，陶瓷球(3)為氮化硅陶瓷燒結(jié)而成；保持架(4)采用全陶瓷保持架或聚醚乙酮材料制成，采用外圈引導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無內(nèi)圈式熱等靜壓氮化硅全陶瓷球軸承，其特征在于，該軸承的主要的參數(shù)如陶瓷球直徑、陶瓷球數(shù)目、溝道曲率半徑、外圈溝道直徑、外圈溝位置、鎖口高度，可通過優(yōu)化設(shè)計軟件或程序進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。
4.一種無內(nèi)圈式熱等靜壓氮化硅全陶瓷球軸承的制造方法，其特征在于，高精度無內(nèi)圈全陶瓷軸承加工工藝步驟可分為粗研、半精研、精研、超精研、拋光，由粗到精分多道工序來完成，軸承圈以及主軸上的溝道采用金剛石定型砂輪(7)進(jìn)行高速精密研磨；加工陶瓷球(3)的制造方法為錐形研磨法；外圈(1)需要用金剛石定型砂輪(7)進(jìn)行溝道的磨削加工，其溝道的加工分成由粗到精的階段，需要相應(yīng)粒度的金剛石定型砂輪(7)和選擇相應(yīng)的磨削速度進(jìn)行加工，最后拋光階段用超精密磨削進(jìn)行加工。
5.如權(quán)利要求4所述的一種無內(nèi)圈式熱等靜壓氮化硅全陶瓷球軸承的制造方法，其特征在于，陶瓷球(3)的研磨分為粗研、半精研、精研、超精研、拋光階段。
全文摘要
一種無內(nèi)圈式熱等靜壓氮化硅全陶瓷球軸承及其制造方法，涉及一種機械配件，包括有陶瓷外圈、保持架、陶瓷球及高精度機床主軸，該球軸承為角接觸型，外圈和主軸分別設(shè)有一個各自的外滾道和內(nèi)滾道，彼此面對面，各自的凹面朝著對方，外圈帶有鎖口，滾動體陶瓷球設(shè)置在滾道之間，主軸和陶瓷球、陶瓷軸承外圈裝配成一體，軸承和機床主軸為分離式安裝。高精度無內(nèi)圈全陶瓷軸承加工工藝步驟可分為粗研、半精研、精研、超精研、拋光，本發(fā)明應(yīng)用在機床主軸單元上，其軸承本身采用陶瓷材料，結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，耐高溫，極限運轉(zhuǎn)速度高。
文檔編號F16C33/30GK1948771SQ200610134118
公開日2007年4月18日 申請日期2006年11月2日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月2日
發(fā)明者吳玉厚, 李頌華 申請人:沈陽建筑大學(xué)