陶瓷軸承技術的新進展

1國外陶瓷球加工設備和工藝自20世紀80年代以來，發達國家在氮化硅粉制造技術、氮化硅陶瓷粒徑、致密化和陶瓷制造技術等方面取得了進展。90年代，不同的軸承制造公司對陶瓷制造和陶瓷承載能力的試驗和應用技術進行了大量的開發。世界著名軸承公司生產的陶瓷球軸承已進入國際市場,如德國的FAG公司、SNS公司,法國的GEIS公司,日本的NSK公司、KOYO公司,瑞典的SKF公司等。國外陶瓷球制造與加工一般按專業化分工,陶瓷制造商負責毛坯球的制造,陶瓷球的加工和陶瓷球軸承的制造由軸承制造商來完成。早期瑞典SKF公司陶瓷球的加工采用熱壓氮化硅板材或棒材,用金剛石鋸和金剛石砂輪等工具加工陶瓷球,效率低且精度也難保證,隨之而來的陶瓷球價格也十分昂貴,每粒球價格為100美元。隨著研究的深入,目前先進工業國家已掌握陶瓷球批量加工技術,其應用領域也不斷擴大。2粗磨、精磨、研磨和超研磨FAG公司從七十年代開始陶瓷球加工技術,目前該公司宣稱已經掌握陶瓷球的高效加工技術。陶瓷球毛坯由于受制造技術的限制,陶瓷球坯近似球形,由于表面存在松質層,必需留足夠的加工余量,一般為0.5～1.2mm。為此軸承公司要對陶瓷球進行粗磨、精磨、精研等加工。該公司采用金剛石砂輪和鑄鐵磨盤,由于氮化硅硬度高于一般砂輪硬度,消耗較快。加工中出現的廢品主要是陶瓷球表面產生裂紋,為克服裂紋的產生,在精磨、精研中要逐步改用粒度較小的磨料,保證其加工精度和表面質量。FAG公司陶瓷球的粗磨加工在剛玉(AlFAG公司陶瓷球的研磨加工所用研磨盤為高硬度(HB>220)耐磨鑄鐵,在載荷作用下,陶瓷球被鋒利硬度高的磨料切削。其研磨效率與磨料種類、粒度、潤滑劑等有關。FAG公司粗磨、精研磨料如表1、表2。FAG公司認為,陶瓷球的加工與磨料、壓力、轉速等因素有關,在選擇磨料時,通常不是粒度,而只是磨料種類和磨料硬度起決定作用,如果磨料使用過多或過少,都會降低加工精度和研磨效率,只有采用與相應加工工序相協調的磨料和研磨液配比量,才能得到理想的加工效率。同時磨料粒度、加入量及與研磨液混合比例、研磨壓力和研磨加工時間的正確選擇、研磨機床設計參數、研磨盤材質、溝槽加工精度對陶瓷球加工也有重要影響。陶瓷球加工工序可分為粗磨、精磨、精研和超精研。所用磨料也有變化,粗磨時選用碳化硅、碳化硼,精研時選用剛玉、氧化鐵、氧化鉻、碳化硼、人造金剛石微粉或天然金剛石粉。精研后的氮化硅陶瓷球的球形誤差達0.04μm(相當于我國G3級球)。FAG公司70年代試制出第一批氮化硅陶瓷球,九十年代陶瓷球作為商品進入市場。3日本陶瓷球加工技術日本有關陶瓷球與軸承的文章發表很多,從事陶瓷球與滾子、軸承制造的公司有NSK公司、KOYO公司、TOSHIBA公司與NTK公司等。日本陶瓷球加工技術條件如表3、表4所示。日本NSK公司陶瓷球加工方法未見報導,根據出國考察人員分析,其設備采用臥式球磨機,磨料采用碳化硼、剛玉、金剛砂。該公司是日本銷售陶瓷球軸承最多的公司。法國、德國陶瓷球加工設備型號、規格、加工精度如表5、表6所示。4國外陶瓷球加工新技術4.1自回轉控制研磨法日本金澤大學報導的自回轉控制研磨法是在傳統研磨方法的基礎上加以改進的。因為傳統研磨方法受已有研磨盤結構限制,不能改變球自旋角。自回轉控制研磨法使上研盤和下研盤(分離成內側研盤和外側研盤)同時轉動,來達到控制球自旋回轉的目的。在研磨過程中可以適當改變上研磨盤和下研磨盤內外兩側研磨盤的轉速,強制改變球自旋角,使整個球表面快速地被研磨,提高研磨效率,同時還能降低球形誤差。4.2磁懸浮化學機械拋光工藝傳統的陶瓷球拋光一般采用金剛石磨料作為拋光介質,拋光轉速較低,在高載荷下使用金剛石磨料會在陶瓷球表面產生凹坑、劃傷和微裂紋。為減少陶瓷球這些表面缺陷,需要一個較“溫和”的拋光環境,即采用低而可控的載荷,低硬度的磨料,較高的拋光轉速,更高的磨削率和更短的拋光周期的磁懸浮化學機械拋光工藝。磁懸浮化學機械拋光技術利用磁流體在磁場作用下可懸浮包含磨料在內的非磁物的磁流體動力學性能,通過懸浮的聚丙烯材料下板,對陶瓷球實現一個軟支撐加工,采用硬度低于被加工氮化硅材料的CeO5陶瓷東北部發達國家對陶瓷球及陶瓷球軸承應用與開發非常重視,已開發出一定規模的市場,并繼續對陶瓷球軸承的基礎性能進行研究,如潤滑方式、潤滑劑的選擇、接觸疲勞壽命等;在產品開發上擴大應用范圍、提高陶瓷球軸承轉速;對角接觸陶瓷球軸承進行優化設計。KOYO公司、NSK公司、FAG公司、SKF公司認為陶瓷球軸承在下述領域有一定潛在市場。耐腐蝕工業方面:紡織、化工、鋼鐵、食品、一般產業機械、電機、機床等。耐高溫工業方面:鋼鐵、化學、汽車、真空設備,一般機械、電機等。高轉速機械行