混合陶瓷圓柱滾子軸承的設計

范雨晴，馬瑩，孫東,寧晉，胡敬原

(1.洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039；2.河南省高性能軸承技術重點實驗室，河南 洛陽 471039；3.滾動軸承產(chǎn)業(yè)技術創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，河南 洛陽 471039)

圓柱滾子軸承的內(nèi)外圈和圓柱滾子通常采用高碳鉻軸承鋼制造，常用于轉(zhuǎn)速相對低的中、大型機床，但不適用于要求高轉(zhuǎn)速、高剛度、耐磨、低溫升、長壽命以及高可靠性等的工況條件。

為滿足高速中、重型精密機械高轉(zhuǎn)速、高剛度和長壽命等性能的要求，國外軸承公司[1-3]開發(fā)出混合陶瓷圓柱滾子軸承，內(nèi)外圈材料為高硬度的軸承鋼，滾子材料為陶瓷，與同結(jié)構、同尺寸的標準鋼制圓柱滾子軸承相比，具有高速性能好、剛度高、摩擦發(fā)熱少、壽命長和可靠性高等優(yōu)點，可顯著提高精密機械的轉(zhuǎn)速、剛性、可靠性，并顯著減少主軸的摩擦發(fā)熱、延長主機的使用壽命等。

隨著國內(nèi)高速中、大型機床，高鐵，風力發(fā)電機以及軍工精密設備的發(fā)展，高速精密混合陶瓷圓柱滾子軸承的需求量越來越大。因此，有必要自主研制滿足我國高速中、重型精密機械需要的該類軸承。

1 技術難題

為獲得高速和長壽命的混合陶瓷圓柱滾子軸承，需要解決以下問題：

1)高速下圓柱滾子端面與套圈擋邊的摩擦磨損、發(fā)熱和卡死；

2)高速下保持架強度不足，且高溫對保持架材料具有更高的使用要求；

3)潤滑不均勻產(chǎn)生的不規(guī)則熱量。

2 結(jié)構改進與優(yōu)化設計

2.1 套圈

針對高速、高剛度、耐磨損和長壽命的性能要求，對混合陶瓷圓柱滾子軸承擋邊結(jié)構以及滾子端面與擋邊之間的間隙進行改進，以降低摩擦磨損，減小滾子端面與擋邊摩擦升溫。具體可通過以下2個方面進行改進：

1)擋邊與滾子端面為面面接觸，可將擋邊設計為斜面，如圖1所示，同時提高斜擋邊的表面質(zhì)量，使軸承運轉(zhuǎn)時滾子端面與擋邊間容易形成潤滑油膜，提高軸承的潤滑性能和轉(zhuǎn)速。

圖1 內(nèi)圈結(jié)構改進

2)壓縮滾子端面與擋邊之間的間隙，控制滾子在運轉(zhuǎn)時傾斜的自由度。

改進設計后的內(nèi)圈結(jié)構如圖1b所示。為提高耐磨性和防止圓柱滾子傾斜引起卡死，滾道和擋邊硬度要求高；軸承內(nèi)圈超高速旋轉(zhuǎn)時受高環(huán)向應力的影響比較大，材料要求能夠抵抗較高的環(huán)向應力。因此，需對軸承鋼進行特殊處理(滲氮、滲碳或碳氮共滲)，以提高套圈擋邊的硬度、耐磨和耐高溫性能。

2.2 保持架

由于該軸承轉(zhuǎn)速高,保持架引導方式采用外引導。保持架兜孔的設計要考慮材料強度、材料變形、極限溫度和轉(zhuǎn)速等對保持架的變形量和潤滑的影響。同時保持架在高速下受離心力影響大且摩擦溫升高，要求保持架材料具有機械強度高、耐高溫、耐沖擊、耐磨、耐疲勞和質(zhì)量輕等性能。因此，選用耐高溫和高強度的PEEK材料。改進前后的保持架結(jié)構如圖2所示。

2.3 陶瓷圓柱滾子

根據(jù)氮化硅陶瓷材料的彈性模量、泊松比、應力強度和硬度等性能，對主參數(shù)優(yōu)化，設計出圓弧修正線素線修形或?qū)?shù)素線修形的滾子凸度。

圖2 保持架結(jié)構改進

2.4 潤滑結(jié)構及潤滑方式

普通圓柱滾子軸承的潤滑為噴油或脂潤滑。根據(jù)高速混合陶瓷圓柱滾子軸承實際工況，采用油氣潤滑或最小滴油潤滑解決了軸承在高速情況下潤滑不均勻?qū)е虏灰?guī)則熱量產(chǎn)生的問題。

3 加工工藝改進

套圈：擋邊磨削時用主動測量儀保證精確的擋邊寬度；對擋邊進行超精(磨削前要考慮3～5 μm的超精量)，改善擋邊的表面質(zhì)量。

保持架：根據(jù)保持架材料的物理性能，對注塑溫度、壓模時間和拔模溫度進行精確試驗，確保保持架的動平衡性良好。

陶瓷圓柱滾子：Si3N4陶瓷材料的基本單元為四面體結(jié)構，具有較高的硬度和沖擊性，故選用金剛砂粉的研磨劑提高圓弧修正線素線修形凸度滾子的形貌和精度。

4 設計實例

以N1014K/P4為樣本，開發(fā)了2種精密混合陶瓷圓柱滾子軸承，分別是Ⅰ型和Ⅱ型，基本情況見表1，內(nèi)圈和保持架結(jié)構分別如圖3、圖4所示。N1014K/P4主參數(shù)：內(nèi)徑為70 mm，外徑為110 mm，寬度為20 mm，滾子尺寸為φ10 mm×10 mm，滾子數(shù)量為20。

表1 軸承樣本情況

圖3 內(nèi)圈結(jié)構示意圖

圖4 外引導PEEK保持架結(jié)構示意圖

5 試驗驗證

5.1 極限轉(zhuǎn)速試驗

試驗方法：一定的試驗條件下，起始轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，每20 min以500 r/min為階梯逐漸增大轉(zhuǎn)速，當達到某一轉(zhuǎn)速時，外圈溫度恒定在設定的試驗上限溫度，此轉(zhuǎn)速即為該條件下的極限轉(zhuǎn)速。

試驗條件：徑向載荷為6 kN，外圈試驗上限溫度為70 ℃，潤滑方式為油氣潤滑。試驗結(jié)果見表2。

表2 極限轉(zhuǎn)速試驗結(jié)果

5.2 壽命試驗

試驗方法：一定的試驗條件下，軸承運轉(zhuǎn)直至失效，失效前的總轉(zhuǎn)數(shù)即為軸承使用壽命。

試驗條件：徑向載荷為60 kN，試驗轉(zhuǎn)速為6 000 r/min，潤滑方式為油氣潤滑。試驗結(jié)果見表3。

表3 壽命試驗結(jié)果

5.3 結(jié)果分析

由表2可知，Ⅰ,Ⅱ型軸承的極限轉(zhuǎn)速分別為原軸承的2.65倍和2.47倍，Ⅰ型略優(yōu)于Ⅱ型。

由表3可知，Ⅰ,Ⅱ型軸承的使用壽命分別為原軸承的1.92倍和2.38倍，Ⅱ型優(yōu)于Ⅰ型。

由此可見， 2種精密混合陶瓷圓柱滾子軸承均滿足高轉(zhuǎn)速、長壽命的設計要求。

6 結(jié)束語

為提高圓柱滾子軸承的極限轉(zhuǎn)速和使用壽命，對圓柱滾子軸承進行結(jié)構改進和優(yōu)化設計，開發(fā)出了2種混合陶瓷圓柱滾子軸承。通過試驗驗證了其在極限轉(zhuǎn)速和使用壽命方面的優(yōu)越性，同時也進一步驗證了對軸承結(jié)構改進、選材優(yōu)化和制造技術改進等關鍵技術設計思路的正確性。