陶瓷球軸承實(shí)用教案

1、 陶瓷軸承介紹 性能比較 制作(zhzu)加工 國(guó)內(nèi)外技術(shù)第1頁(yè)/共26頁(yè)第一頁(yè)，共26頁(yè)。 高速數(shù)控機(jī)床是裝備制造業(yè)的技術(shù)(jsh)基礎(chǔ)和發(fā)展方向之一。隨著高速切削技術(shù)(jsh)的發(fā)展，對(duì)軸承的要求也越來越高。 傳統(tǒng)鋼制軸承由于自身材料的原因，密度大，在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中存在較大的離心力，抗疲勞壽命短， 所以不太適用于高速機(jī)床。 目前，國(guó)內(nèi)外數(shù)控機(jī)床采用較多的支承形式有磁懸浮軸承、動(dòng)靜壓軸承和陶瓷軸承，其中應(yīng)用最廣泛的是陶瓷軸承。第2頁(yè)/共26頁(yè)第二頁(yè)，共26頁(yè)。陶瓷(toc)軸承介紹 陶瓷(toc)軸承是近三十年來興起、發(fā)展并逐步走向工程應(yīng)用的一種高性能產(chǎn)品。 分為全陶瓷(toc)軸承(套圈、滾動(dòng)

2、體均為陶瓷(toc)和復(fù)合陶瓷(toc)軸承(僅滾動(dòng)體為陶瓷(toc)，套圈為金屬)兩種。第3頁(yè)/共26頁(yè)第三頁(yè)，共26頁(yè)。幾種陶瓷材料和軸承鋼材(gngci)性能對(duì)比Si3N4ZrO2Al2O3SiCTiC軸承鋼密度(kg/m3)楊式模量(GPa) 抗壓強(qiáng)度(100MPa)維氏硬度(GPa)韌性(MPam-2)熱膨脹系數(shù)(10-2/K)熱傳導(dǎo)率(W/mk)比熱(J/kgK)泊松比電阻率(mm2/m)使用上限溫度(K)抗熱沖擊解除疲勞失效形式32503103514-185-83208000.2610181050高剝落59002052010-138121024000.311018750中等剝落/

3、斷裂390039020-2718-203-58308800.2210181250低斷裂310042020-2520-242-441007000.251250低斷裂490037020-3913-222-59255000.23800低7800210816-2512304500.300.1-1400-600很高剝落第4頁(yè)/共26頁(yè)第四頁(yè)，共26頁(yè)。 陶瓷軸承具有以下特點(diǎn)： (1)由于陶瓷耐腐蝕，所以，陶瓷滾動(dòng)軸承適宜用于在帶腐蝕性介質(zhì)的惡劣環(huán)境，例如中等酸 、中等堿、海水等。 (2)由于陶瓷的密度(6.00gcm)比鋼低，重量輕，可減少因離心力產(chǎn)生(chnshng)的動(dòng)體載荷的增加和打滑，進(jìn)而使用壽

4、命大大延長(zhǎng)。 (3)陶瓷硬度是鋼軸承的1倍，耐磨性高，可減少因高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生(chnshng)的溝道表面損傷。 (4)陶瓷的彈性模量高于鋼軸承1.5倍，受力彈性小，可減少因載荷大所產(chǎn)生(chnshng)的變形，因此有利于提高工作速度，并達(dá)到較高的精度。 (5)陶瓷的摩擦系數(shù)小于鋼軸承30，可減少因摩擦產(chǎn)生(chnshng)的熱量，可減少因高溫引起的軸承提前剝落失效。 (6)熱膨脹系數(shù)小于鋼軸承20。陶瓷受熱脹冷縮的影響比鋼小，因而在軸承的間隙一定時(shí)，可允許軸承在溫差變化較為劇烈的環(huán)境中工作。第5頁(yè)/共26頁(yè)第五頁(yè)，共26頁(yè)。 高速旋轉(zhuǎn)：金屬加工機(jī)床主軸、燃?xì)廨啓C(jī)、離心分離器、高速電機(jī)主軸； 耐腐

5、蝕：半導(dǎo)體制造設(shè)備、電鍍(dind)裝置、化工制藥設(shè)備、海洋機(jī)械； 高真空：航空航天、真空機(jī)器； 耐高溫：各種熱處理爐、加熱輥、醫(yī)療滅菌裝置、化學(xué)纖維機(jī)械、發(fā)動(dòng)機(jī)； 非磁性：半導(dǎo)體制造設(shè)備、超導(dǎo)裝置、原子能發(fā)電設(shè)備； 重量輕：摩托車(賽車)曲軸、航空發(fā)動(dòng)機(jī)、宇航相關(guān)機(jī)器 高剛性：金屬加工機(jī)床主軸； 絕緣：電鍍(dind)裝置、鐵路機(jī)車索引電機(jī)、各種電機(jī)。第6頁(yè)/共26頁(yè)第六頁(yè)，共26頁(yè)。陶瓷球的制備(zhbi)簡(jiǎn)介 陶瓷球的制備(zhbi)主要包括混料、成型、燒成、加工、裝配等5個(gè)工序，其中加工工序?yàn)樘沾奢S承制備(zhbi)過程中的技術(shù)難點(diǎn)，是影響批量化生產(chǎn)的關(guān)鍵因素。氮化硅微粉燒結(jié)(shoj

6、i)助劑添加劑混合料造粒料素 坯合格毛坯合格零部件 陶瓷軸承 合格產(chǎn)品 成品庫(kù)成型成型 加工加工裝配裝配檢測(cè)檢測(cè)檢測(cè)檢測(cè)燒結(jié)燒結(jié)第7頁(yè)/共26頁(yè)第七頁(yè)，共26頁(yè)。 一般采用熱等靜壓成型技術(shù)生產(chǎn)陶瓷球坯。 合理的陶瓷球加工工序?yàn)椋捍盅邪刖芯谐袙伖狻?研磨磨料使用金剛石磨料，也可以使用SiC、B4C磨料。 陶瓷軸承零部件的材料及生產(chǎn)過程決定了它比鋼制軸承零部件更容易產(chǎn)生(chnshng)偶然性缺陷。因此需要根據(jù)零件的大小和用途采取不同的檢測(cè)手段和檢測(cè)方法。 陶瓷球的檢測(cè)方法：1)目測(cè)或光學(xué)顯微鏡檢測(cè)；2)熒光染著色檢測(cè)；3)超聲波檢測(cè)技術(shù)。第8頁(yè)/共26頁(yè)第八頁(yè)，共26頁(yè)。陶瓷球的額定(

7、dng)靜負(fù)荷 在設(shè)計(jì)和選擇軸承時(shí)，最重要的依據(jù)是其額定靜載荷和額定動(dòng)載荷。前者是軸承所能承受的最大靜載荷，后者則涉及軸承的滾動(dòng)疲勞(plo)壽命。 圖為日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JISB1501中 所規(guī)定的測(cè)量球體壓碎負(fù)荷的 試驗(yàn)方法。第9頁(yè)/共26頁(yè)第九頁(yè)，共26頁(yè)。 本試驗(yàn)試驗(yàn)球分別為3.1753、3.6988、4.7625、5、5.9531、6.5和7.5mm氮化硅精密球,精密陶瓷球精度G5 級(jí)；所用鋼球?yàn)橥?guī)格的軍甲鋼(ZGCr15) 球。 試驗(yàn)時(shí)采用兩種方法, 一種(y zhn)為三粒 試球均為陶瓷球,另一種(y zhn)為上下兩 粒試球?yàn)殇撉?中間試球?yàn)樘沾汕颍?以考察在同等接觸面積下陶瓷球的

8、 承載能力。鋼球的壓碎載荷采用標(biāo) 準(zhǔn)值。第10頁(yè)/共26頁(yè)第十頁(yè)，共26頁(yè)。 氮化硅精密陶瓷球壓碎載荷試驗(yàn)(shyn)結(jié)果(3 粒試球均為陶瓷球)第11頁(yè)/共26頁(yè)第十一頁(yè)，共26頁(yè)。 氮化硅精密陶瓷球壓碎載荷試驗(yàn)結(jié)果 注: (1) 實(shí)測(cè)接觸圓直徑(zhjng)是未破碎鋼球的壓痕直徑(zhjng)。(2)“- ”表示陶瓷球未壓碎。(3) 上下試球?yàn)殇撉?中間試球?yàn)樘沾汕?。?2頁(yè)/共26頁(yè)第十二頁(yè)，共26頁(yè)。 結(jié)論 1)單純比較壓碎負(fù)荷時(shí)，陶瓷球的最小壓碎負(fù)荷約為鋼球的1/2-1/3。這是因?yàn)殇撉蛩苄宰冃我鸬慕佑|面增大，導(dǎo)致其壓碎負(fù)荷較大。 2)在基本相同的接觸狀態(tài)下，陶瓷球比鋼球有更高的壓

9、碎載荷。 3)根據(jù)陶瓷球的壓碎負(fù)荷值，可以計(jì)算出其破壞時(shí)的最大接觸應(yīng)力約為ISO-TC4標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的6-7倍，這不僅證明陶瓷球用于滾動(dòng)軸承是安全的，而且也說明它完全可以承受(chngshu)比鋼軸承更大的靜負(fù)荷。第13頁(yè)/共26頁(yè)第十三頁(yè)，共26頁(yè)。陶瓷球的額定( dng)動(dòng)載荷 圖為日本光洋精工和東芝公司 采用的推力負(fù)荷型球軸承疲勞 試驗(yàn)機(jī)。 表中所列是其試驗(yàn)條件。在這 樣的試驗(yàn)條件下，氮化硅試驗(yàn) 片與鋼球之間所產(chǎn)生(chnshng)的最大接 觸應(yīng)力為605kg/mm。第14頁(yè)/共26頁(yè)第十四頁(yè)，共26頁(yè)。 從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出：氮化硅陶 瓷比高碳鉻軸承鋼的滾動(dòng)疲勞壽 命長(zhǎng)。 對(duì)于深溝球或角

10、接觸球軸承，其 疲勞壽命與球和套圈滾道間的最 大接觸應(yīng)力有關(guān)。這一接觸應(yīng)力， 一方面來自正常的工作載荷，另一方面來自滾動(dòng)體的離心力。由于陶瓷的密度大約為鋼的40%，所以(suy)在高速條件下使用陶瓷球軸承，可以大大降低球與套圈滾道間的接觸應(yīng)力，從而延長(zhǎng)軸承的使用壽命。第15頁(yè)/共26頁(yè)第十五頁(yè)，共26頁(yè)。三種類型軸承的比較(bjio)試驗(yàn) 試驗(yàn)用軸承為結(jié)構(gòu)與參數(shù)(cnsh)完全相同的深溝球軸承，類型分別為混合陶瓷軸承、全陶瓷軸承與全鋼軸承。第16頁(yè)/共26頁(yè)第十六頁(yè)，共26頁(yè)。 轉(zhuǎn)速對(duì)振動(dòng)的影響(yngxing) 軸向載荷對(duì)振動(dòng)的影響(yngxing)第17頁(yè)/共26頁(yè)第十七頁(yè)，共26頁(yè)。三種

11、類型軸承的疲勞壽命試驗(yàn)結(jié)果 全陶瓷、混合陶瓷軸承與全鋼軸承的滾動(dòng)接觸疲勞剝落形式相同；盡管相同載荷條件下陶瓷軸承比全鋼軸承產(chǎn)生相對(duì)較高的最大接觸應(yīng)力，它們的滾動(dòng)接觸疲勞壽命仍與全鋼軸承相當(dāng)或更長(zhǎng)。 此外，單個(gè)陶瓷軸承的壽命有較大的分散性，這與陶瓷球本身的缺陷有關(guān)，所以盡量避免陶瓷球的內(nèi)部及表面缺陷，是提高(t go)陶瓷軸承可靠性的關(guān)鍵之一。第18頁(yè)/共26頁(yè)第十八頁(yè)，共26頁(yè)。陶瓷球軸承靜態(tài)摩擦力矩平均值比同型號(hào)的鋼制球軸承小。陶瓷球軸承加速度振動(dòng)(zhndng)平均值和同型號(hào)鋼制球軸承相當(dāng)，前者比后者略大。第19頁(yè)/共26頁(yè)第十九頁(yè)，共26頁(yè)。 軸承(zhuchng)發(fā)熱對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果 軸承

12、(zhuchng)摩擦功耗對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果第20頁(yè)/共26頁(yè)第二十頁(yè)，共26頁(yè)。 結(jié)論 1)陶瓷球軸承的靜態(tài)摩擦力矩、高速運(yùn)轉(zhuǎn)下的發(fā)熱和摩擦功耗均小于鋼制球軸承。 2) 陶瓷球軸承的加速度振動(dòng)(zhndng)值和鋼制球軸承相當(dāng)；而在整體速度振動(dòng)(zhndng)方面，全陶瓷球軸承的表現(xiàn)最好，混合陶瓷球軸承振動(dòng)(zhndng)最大。 3)混合陶瓷球軸承的疲勞壽命高于其他兩種。 選用陶瓷軸承時(shí)，在振動(dòng)(zhndng)合乎要求的情況下，考慮壽命和經(jīng)濟(jì)性因素，可以優(yōu)先選用混合陶瓷球軸承。第21頁(yè)/共26頁(yè)第二十一頁(yè)，共26頁(yè)。國(guó)內(nèi)、外陶瓷軸承發(fā)展(fzhn)概況 自從1972年美國(guó)NASA公司研制成功世界上

13、第一套陶瓷(toc)軸承之后，世界上各工業(yè)強(qiáng)國(guó)就一直在競(jìng)相研制、生產(chǎn)更高性能的陶瓷(toc)軸承。 目前，世界各國(guó)研究陶瓷(toc)軸承處于領(lǐng)先水平的主要公司有瑞典的SKF、法國(guó)的圣戈班戒、日本的NSK和KOYO、美國(guó)的Temken和Norton、俄羅斯的ROSV、德國(guó)的FAG等。第22頁(yè)/共26頁(yè)第二十二頁(yè)，共26頁(yè)。 我國(guó)在陶瓷軸承研究方面起步較晚，國(guó)家于1985年開始將陶瓷球軸承研究與開發(fā)列入科技攻關(guān)項(xiàng)目，1990年第一套陶瓷球軸承在黑龍江晶體公司問世。之后，一些大專院校和研究院所開始了陶瓷軸承的基礎(chǔ)研究工作。 目前，我國(guó)氮化硅陶瓷球性能指標(biāo)、加工精度都已經(jīng)達(dá)到國(guó)外先進(jìn)水平，但批量化生產(chǎn)

14、(shngchn)的能力不足；而且由于受氮化硅陶瓷材料可靠性制備技術(shù)、陶瓷內(nèi)外圈精加工技術(shù)、陶瓷軸承設(shè)計(jì)與裝配技術(shù)等限制，我國(guó)在氮化硅全陶瓷軸承的研究及應(yīng)用方面還處于剛剛起步階段，有待進(jìn)一步發(fā)展。第23頁(yè)/共26頁(yè)第二十三頁(yè)，共26頁(yè)。參考文獻(xiàn)1李建華,李軍林,郭向東,張錫昌.陶瓷球軸承性能分析與試驗(yàn)研究.軸承.2001,12:32-352張文軒,任成祖.陶瓷球軸承性能分析.佛山陶瓷.2003,04(73):34-363張永乾,孫永安,李縣輝.陶瓷球壓碎載荷試驗(yàn)分析.軸承.2001,05:23-254Hiroyuki Ohta. Shinya Satake. Vibrations of the All-Ceramic Ball Bearing. Journal of Tribology. 2002,07(124):448-4605金衛(wèi)東,任成祖,王太勇.氮化硅混合陶瓷球軸承滾動(dòng)接觸疲勞性能.軸承.2004,02:34-386吳玉厚.數(shù)控機(jī)床電主軸單元技術(shù)機(jī)械.工業(yè)(gngy)出版社.2006