復合材料軸承設(shè)計與制造技術(shù)的應(yīng)用

摘要:本文主要介紹作為新型軸承材料的聚酰亞胺(PI)和短纖維填充聚四氟乙烯(PTFE)基復合材料的力學性能和摩擦磨損性能，舉例闡述了高速轉(zhuǎn)動軸承的設(shè)計要點、制造技術(shù)及應(yīng)用。

關(guān)鍵詞:復合材料;軸承;聚四氟乙烯

高速轉(zhuǎn)動軸承常采用在真空、高速、高溫等嚴苛條件，高速轉(zhuǎn)動軸承的工作情況決定了所要采用的復合材料應(yīng)該具有優(yōu)越的摩擦磨損性能、阻尼性能、導熱性能、耐腐蝕性能等特點。由于性能的多樣性，一般的材料是不能滿足這些性能的，需要選取可以部分滿足這些性能指標的常用材料合成新的復合材料。

一、復合材料的性能指標

高速轉(zhuǎn)動軸承的性能跟所采用材料的磨損量、摩擦系數(shù)、損耗因子和高度都有直接關(guān)系，總結(jié)分析性能較好的高速轉(zhuǎn)動軸承的采用材料應(yīng)該具有以下幾個性能:

(1)摩擦系數(shù)。摩擦系數(shù)對高速轉(zhuǎn)動軸承的影響很大，特別是在玻璃化溫度范圍外。

(2)粘彈性能。粘彈性能主要體現(xiàn)在較大的平均損耗因子和較大的損耗因子峰值、較寬的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度范圍。同時，在經(jīng)濟成本允許的情況下，材料的動態(tài)力學性能最低值不能低于0.05。

(3)導熱、耐熱性能。復合材料能在高溫下工作，快速有效地排出減振過程產(chǎn)生的熱能。

(4)耐磨性能。良好的耐磨性能可以延長材料的使用壽命，減少軸承的拆卸次數(shù)，提高生產(chǎn)效率。因此，磨損率越低越好。

(5)耐腐蝕性能。復合材料軸承可以適應(yīng)油污等惡劣的工作環(huán)境。

二、復合材料軸承的設(shè)計

(一)復合材料的選取

根據(jù)高速轉(zhuǎn)動軸承的性能指標，采用的基體材料是滿足條件的具有化學惰性、自潤滑、耐高低溫、摩擦系數(shù)穩(wěn)定的聚四氟乙烯(PTFE)。為了改善聚四氟乙烯的耐磨損差、導熱性不好的等缺點，可以用短纖維，如玻璃纖維和碳纖維，填充PTFE可以減小磨損、提高摩擦系數(shù)和改善導熱性。由于短纖維的自身特點，填充后的復合材料的摩擦系數(shù)變得不穩(wěn)定，需要添加摩擦系數(shù)較大、力學性能優(yōu)良的聚酰亞胺(PI)。這樣不僅可以避免摩擦系數(shù)不穩(wěn)定，PTFE和PI混合之后還可以改善聚四氟乙烯的粘彈性能、擴大復合材料的使用溫度區(qū)間。

(1)聚四氟乙烯(PTFE)。聚四氟乙烯的相對密度為2.17~2.19，分解溫度為400℃，熔點為327℃，其可在260℃以下的環(huán)境里持續(xù)長期使用，摩擦系數(shù)較小，具有優(yōu)良的耐腐蝕性。由于聚四氟乙烯熔融化粘度很大，要采用冷壓和燒結(jié)結(jié)合的成型方式。

(2)聚酰亞胺(PI)。聚酰亞胺的長期使用溫度范圍在-200~300℃之間，具有高絕緣性能、無明顯熔點、耐腐蝕、耐高輻射、耐火焰和吸水性差等特點，被認為是一種綜合性能良好的有極高分子材料。PI雖然具有較高且穩(wěn)定的摩擦系數(shù)、優(yōu)良的耐磨性能，但是其韌性較差，目前使用成本較高。

(3)玻璃纖維(CF)。玻璃纖維是一種常用的短纖維。CF的密度比鋁小、強度比鋼大，同時具有耐腐蝕性、耐高溫和良好的導電性能。是一種具有熱學、電學和力學性能的優(yōu)良材料。

(二)復合材料軸承模具設(shè)計

模具尺寸和形狀主要根據(jù)軸承成型收縮率來確定。影響成型收縮率的主要因素包括成型溫度、成型壓力、成型保壓時間、模具溫度、制件形狀、塑料含量等。

針對復合材料軸承， 設(shè)計模具時重點應(yīng)考慮以下幾點:

(1)澆注流程平直而短，系統(tǒng)界面要大，以利于粉料的分散。

(2)針對壁厚及軸承形狀應(yīng)特別考慮料的有利流暢通填充型腔。

(3)為使塑粉料分散，進料口增大，其長度取短。

試驗表明，采用冷壓和燒結(jié)結(jié)合制備工藝制造的模具，能滿足該復合材料的設(shè)計要求和特點。構(gòu)成動模和定模組成了型腔，主流道則設(shè)在定模一層。在軸承外圈，受定模上的凸形環(huán)的影響，制品應(yīng)留在動模一側(cè)，并且利用塑料的熱膨脹性，快速從動模上取下來。在軸承內(nèi)圈，開模后，無論模腔內(nèi)的一對嵌件留在定模還是動模上只要將其拔出，就可以取出制件。

采用上述成型工藝，經(jīng)過噪聲試驗和疲勞試驗，用所設(shè)計的復合材料軸承模具制備的試件完全滿足軸承的性能指標，而且具有更顯著的優(yōu)點。

三、復合材料的制造技術(shù)

根據(jù)該復合材料的特性，應(yīng)采用冷壓和燒結(jié)結(jié)合的制備工藝。具體步驟如下:

(1)原料干燥處理。將聚四氟乙烯粉料在120℃以下的烘焙箱中干燥處理8h，出去顆粒之間的水分。聚酰亞胺粉料在烘焙箱中干燥處理2h以上。短纖維也要經(jīng)過干燥處理，便于與原料均勻混合。

(2)稱重。按照規(guī)定的配比，用電子稱選取適當?shù)母鞣N粉末。

(3)混料。在高速攪拌機中，將粉料攪拌約10分鐘，使粉料混合均勻。

(4)壓制成型。按所需軸承尺寸大小稱取混合均勻的粉料填入模具，將液壓機設(shè)定合適的壓力壓制成型。整個過程分兩次卸壓，并保壓10分鐘，確保氣體從粉料中即使排出，這樣制造的制品干燥密實。

(5)燒結(jié)固化。將燒結(jié)爐提前設(shè)定好燒結(jié)工藝，把壓制好的制品放入燒結(jié)爐使制品燒制成型。

四、復合材料的應(yīng)用

復合材料不僅僅在高速轉(zhuǎn)動軸承中得以應(yīng)用。在其他機械制造行業(yè)中也得到了廣泛的應(yīng)用。青島第六橡膠廠首次在Φ610×1730橡膠機械上使用GS材料，獲得了較為理想的使用效果和良好的耐磨性能，引起了橡膠機械制造、設(shè)計人員以及誰被管理人的極大熱情和興趣。之后，許多橡膠廠也開始研制這種復合軸承，也取得了一些較為滿意的結(jié)果。

復合材料軸承早就在橡膠行業(yè)中大量應(yīng)用，采用這種軸承的橡膠廠，對該產(chǎn)品有極高的評價，一致認為在橡膠機械的滑動摩擦部件和軸承上使用復合材料，能減少潤滑油的使用量和達到間斷，解決漏油;保證產(chǎn)品質(zhì)量和節(jié)約潤滑油;實現(xiàn)安全文明生產(chǎn)。

繼青島第六橡膠廠之后，肥城橡膠廠采用復合材料取代銅瓦解決三輥壓延機漏油問題。棗莊橡膠廠也在開煉機、三輥壓延機和四輥壓延機上采用復合材料軸承。在壓延機采用復合軸承，有效的避免了因電流過高造成的跳閘停電，使得銅瓦因發(fā)熱而造成的燒瓦問題。使用復合軸承后，電流也大幅度下降，從使用前的800~1000A，降低到400~500A，確保正常生產(chǎn)。

隨著，復合材料軸承穩(wěn)定性加強，越來越多的橡膠機械廠也開始在新機中使用復合材料軸承，取代原來的銅套或銅瓦。例如，桂林橡膠機械廠在硫化機和其他橡膠機上采用復合材料軸承，并且在該廠的其他產(chǎn)品中逐步擴大使用量。大連橡膠機械廠也將復合材料軸承取代了雙模定型硫化機中的銅套。

由于復合材料軸承具自身獨特的使用性能，可以取代許多機械設(shè)備上的金屬、非金屬的滑動、滾動軸承。下面舉幾例可供參考借鑒。

(1)應(yīng)用在汽車上。汽車的傳動軸萬向節(jié)軸承、方向機、減震器等都可以采用復合材料軸承。由于每輛汽車約使用數(shù)十件部件，汽車工業(yè)中對復合材的使用量比較大。

(2)應(yīng)用在高壓齒輪泵上。高壓齒輪泵采用復合材料軸承代替原來的滾針軸承，可以使泵的工作壓力提升約25%，由16MPa提高到20MPa以上。與此同時，高壓齒輪泵的壽命也提高3倍以上。

(3)應(yīng)用在穿孔機萬向節(jié)上。穿孔萬向節(jié)采用復合材料軸承取代原來的滾柱軸承，使使用壽命達到一年以上，每臺穿孔機年增效益近15萬。

(4)應(yīng)用在鍛壓機床上。鍛壓機場采用復合材料軸承比較廣泛、時間也較長。

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