专利名称：高精度热压氮化硅陶瓷球轴承及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种高精度角接触球轴承，特别是涉及一种高精度热压氮化硅陶瓷球轴承及其制造方法，属于轴承制作技术，适于安装在高精度、高转速、高档数控机床和加工中心主轴上。
背景技术：
数控机床是国民经济的重要基础装备，它体现一个国家的综合实力水平。而数控机床主轴的核心支承是高速精密球轴承，该球轴承中的钢球滚动体被一钢制的保持架所横向保持，钢球排列在也由钢制成的内外圈的滚道中。这些已知轴承的主要缺点是高转速下的寿命受到了限制。这是因为具有摩擦作用的表面的不良性能使得钢球与也是由钢制成的两个圈相接触，在高速运转条件下，将导致轴承温升迅速升高，其结果是导致轴承性能迅速下降，此外，也损坏润滑油脂和油，导致轴承的寿命缩短。
为此，世界各国一直在研制新一代的高速精密球轴承----高性能的陶瓷轴承，自从美国NASA公司1972年研制成功第一套陶瓷轴承开始，高精度热压氮化硅陶瓷球轴承一直是世界上各工业强国竞相研究的热点和难点。这是鉴于热压氮化硅具有密度好、硬度高、热膨胀系数小、弹性模量大、抗压强度高、耐腐蚀等优良物理特性，据报道，日本NSK公司计划在未来的几年内将计算机的高速硬盘轴承全部改用陶瓷球轴承，以提高硬盘的转速和主机的稳定性；牧野、森精、新泻、Kyocers等公司纷纷展出了采用陶瓷球轴承的高速机床和加工中心；德国的FAG在七十年代中期就致力于陶瓷轴承主轴单元的开发；美国Norton公司采用HIP法生产的陶瓷球滚动体在国际上堪称一流水平，SKF也曾多次报道在陶瓷球轴承方面的研究成果。法国的SNFA公司递交的中国发明专利申请00812640.2号，也给出了一种《具有陶瓷滚珠和钢圈的混合球轴承》，它包括由钢制成的一内圈和一外圈，内圈和外圈分别具有球轴承槽；设置在球轴承槽之间并与之接触的诸滚珠；一设置在内外圈之间以保持滚珠的滚珠隔离圈；以及基本上在两圈之间径向延伸的两个环形密封件，用以将润滑剂保持在含有滚珠和隔离圈的容积中，并将润滑剂限定在两圈与两密封件之间，其特征在于滚珠由陶瓷烧结而成。由于这种混合球轴承专用于航空业，尤其是应用于直升机尾部齿轮箱，用于驱动直升机尾部旋转翼，因而其结构和精度均不适于应用在高精度、高转速、高档数控机床和加工中心主轴上。在国内，对陶瓷轴承的研究还在处于试验阶段。其中主要原因是对高精度热压氮化硅陶瓷球的批量生产工艺和高效加工技术研究不足，对高精度陶瓷球轴承的结构设计、优化和轴承零件的加工技术缺乏研究，更缺乏工程实际应用和产业化方面的研究。
由于热压氮化硅材料属于极难加工的硬脆材料，目前国际市场上只能有限制的提供10级以下的陶瓷球。G5级和G3级陶瓷球无处购买，相应的高精度陶瓷轴承也无法购买。因此，发展数控机床及其关键共性技术已列入国家“十五”科技发展计划。尽早研制出具有我国自主知识产权的高精度热压氮化硅陶瓷球轴承是当务之急。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，通过研究改进，给出了一种运转精度高、性能价格比合理、使用方便、可靠性高的高精度热压氮化硅陶瓷球轴承及其制造方法，这种球轴承能够在高转速运转条件下，极大地延长轴承的寿命，并且能保持球轴承高精度和高稳定性的特点，从而降低维修保养的成本。
本发明给出的技术方案是这种高精度热压氮化硅陶瓷球轴承，包括由钢制成的一个内圈和一个外圈，内圈和外圈分别具有球轴承圆弧滚道；设置在内外圈球轴承滚道之间并与之接触的陶瓷球滚动体，陶瓷球滚动体由锥形研磨加工工艺和技术设备获得，其精度至少达到G5级；一个设置在内外圈之间以保持陶瓷球的滚动体隔离圈，即保持架。
由于所述的滚动体由陶瓷烧结而成并且其精度至少达到G5级，即球直径变动量VDWS不超过0.13，球形误差Δδ不超过0.013，表面粗糙度Ra不超过0.020。因此，本发明的特点是一种角接触型的混合球轴承，其在具有摩擦作用的表面的性能通过彼此接触的、用于制造圈的钢和制造滚动体的陶瓷材料配对，使得在滚动体与圈之间的接触得到改进。与传统的轴承相比，由于降低了接触部分的发热，决定于轴承磨损和发热的接触体的性能得到了改进并从而导致润滑油脂的衰减降低，因此，可以降低轴承的润滑成本，同时，由于轴承的温升下降，从而提高了轴承的稳定性，延长了轴承的寿命，使轴承的寿命提高到约3倍左右，从而大大提高了轴承高精度和高速稳定性能，并大大降低了维修保养的成本。
为更好的实现本发明的目的，所述的由陶瓷烧结而成的滚动体至少部分由Si3N4构成，余量可是ZrO2或Al2O3，当然，也可全部采用Si3N4或ZrO2或Al2O3。这是因为陶瓷材料有多种，目前已开发的陶瓷材料有氮化硅(Si3N4)、碳化硅(SiC)、碳化钛(TiC)、氧化锆(ZrO2)、氧化铝(Al2O3)及纤维增强玻璃与玻璃陶瓷基复合材料等，其显微组织和性能各不相同，因此，并不是所有的陶瓷材料都适合用来制造轴承。陶瓷材料作为滚动轴承材料的主要目的，是为了减少高速旋转的滚动体的离心力和惯性力，以适应轴承的高速化和高温化的要求。因此，首先考虑的是作为轴承材料的低密度和为满足高温工况条件下使用所具有高强度和高硬度特性，此外，作为轴承材料还必须具有在不同温度下的尺寸稳定性，以保证轴承在温度变化工况条件下，保持精密的尺寸和精确的配合，在特殊环境下还必须具备抗腐蚀、抗分解能力。从目前的研究情况来看，氮化硅是目前最适合用来制造滚动轴承的陶瓷材料。与几种陶瓷材料和轴承钢相比，它的优点主要表现在低密度、中等弹性模量、高热压强度、低热膨胀系数及其优良的内在化学特性。
为更好的实现本发明的目的，所述的轴承内圈和外圈的钢可从如下的钢材中选择传统轴承钢，较佳的是M50或100C6；不锈钢，较佳的是440C或XD15N；结构渗氮或表面淬硬钢，较佳的是32CDV13或M50NIL。
为更好的实现本发明的目的，所述的保持架由聚合物材料注塑成型，较好的是聚醚乙酮PEEK。现有的保持架由两个相对于一径向平面对称的半隔离圈构成，沿该平面一个半隔离圈抵靠在另一个半隔离圈上，每一个隔离圈都是花冠形式，这些半隔离圈通过形成容纳滚动体的护罩的、半隔离圈的若干互补凹部之间的轴向铆钉而彼此轴向相对地组合在一起，这样，隔离圈在内圈定中心，从而可对隔离圈进行维修保养。其主要缺点是，结构较复杂，在高温环境下使用不利。而聚合物保持架与金属保持架相比不仅因为价格便宜，而且性能优异，其主要特点是密度低，弹性好，耐腐蚀，抗化学腐蚀，抗震性好，滑动性好。同时由于聚合物保持架能注塑成型，其几何形状设计十分有利于轴承的工作。聚醚乙酮PEEK(Polyetheretherkerone)是用于陶瓷轴承的最好的保持架材料。PEEK与碍HIPSN间的摩擦系数最小为0.028，且几乎没有被磨损。而且，在整体陶瓷轴承实验中，证明其能满足高速要求。采用油润滑的高速主轴轴承，通常采用薄形的聚合物保持架。该保持架质量轻，运转过程中离心力小，轴承振动小，且强度高。薄形保持架与内圈挡边间保持较大空隙，有利于轴承的润滑。油脂润滑型轴承的保持架应适当厚一点。为增加轴承自身储油能力，应在保持架上开出相应的油沟。
为更好的实现本发明的目的，所述的保持架采用外圈引导结构的保持架。这是因为高速主轴轴承正常运转时，保持架运转速度远低于轴承内圈运转速度。由固定不动的外圈挡边引导保持架，可大大减少保持架与引导面间的碰擦与振动，使轴承的工作更为稳定。高速主轴轴承内圈散热条件差，应得到更为充分的冷却与润滑。采用外圈引导保持架，有利于使轴承得到充分的润滑。润滑油从内圈与保持架之间的空隙喷入，使内圈沟道得到充分的冷却与润滑。随球的转动，送入轴承内圈沟道的润滑油在球体的带动下和自身离心力的作用下，被不断抛入外圈沟道，使引导面和沟道都得到良好的润滑。故在同等润滑条件下，外圈引导保持架的轴承寿命要长于内圈引导保持架的普通轴承。
本发明给出的技术方案中也包括有高精度热压氮化硅陶瓷球轴承的制造方法，该制造方法为锥形研磨法，由下列工序构成1.粗研首先将陶瓷球坯按最大直径分组，在研磨压力(N/球)8～15，研磨速度(r/min)800～2500，磨粒粒度170#～200#条件下研磨，以消除球坯表面较大的制备缺陷，减少球形误差，统一球径并高效去除余量以满足球径要求，其精度测试结果为批直径变动量(μm)2～2.5，直径变动量(μm)2～2.5，球形误差(μm)2，波纹度(μm)0.15～3，粗糙度(μm)0.8；2.半精研将粗研后的陶瓷球，在研磨压力(N/球)6～10，研磨速度(r/min)450～800，磨粒粒度W40、W10条件下研磨，以修正球形误差，提高整体加工效率及加工质量，其精度测试结果为批直径变动量(μm)0.8，直径变动量(μm)0.7～1.0，球形误差(μm)0.8，波纹度(μm)0.05～0.07，粗糙度(μm)0.2；3.精研将半精研后的陶瓷球，在研磨压力(N/球)3～6，研磨速度(r/min)160～270，磨粒粒度W5条件下研磨，以提高球的精度和表面质量，其精度测试结果为批直径变动量(μm)0.4，直径变动量(μm)0.4～0.5，球形误差(μm)0.4，波纹度(μm)0.02～0.03，粗糙度(μm)0.05；4.超精研将精研后的陶瓷球，在研磨压力(N/球)1～2，研磨速度(r/min)＜160，磨粒粒度W1、W0.5条件下研磨，以提高球的精度和表面质量，并保证足够的加工余量以使精度逐步提高，其精度测试结果为批直径变动量(μm)0.13，直径变动量(μm)0.1，球形误差(μm)0.1，波纹度(μm)0.009，粗糙度(μm)0.02～0.03；5.抛光将超精研后的陶瓷球，在研磨压力(N/球)0.5～1，研磨速度(r/min)＜160，磨粒粒度Fe2O3件下研磨，以提高表面粗糙度，其精度测试结果为批直径变动量(μm)0.13，直径变动量(μm)0.1，球形误差(μm)0.1，波纹度(μm)0.009，粗糙度(μm)0.01～0.02，检试合格后即为成品陶瓷球滚动体，其精度水平至少达到钢球的G5级精度。
在上述工艺中，研磨压力与研磨盘转速这两个参数是紧密相关的，并同时影响研磨精度和研磨效率，因此，在确定其具体值时，必须同时考虑，相互兼顾。
(1)选择研磨压力P时要兼顾陶瓷球的研磨精度和研磨效率如侧重于研磨精度(精研时)，P应小一些；如侧重于研磨效率(粗研时)，P可大一些；(2)选择研磨盘转速ω时也要兼顾陶瓷球的研磨精度和研磨效率如侧重于研磨精度(精研时)，ω应小一些；如侧重于研磨效率(粗研时)，ω可大一些；(3)P和ω的最后确定，还必须通过大量的陶瓷球研磨的现场实验，以取得最佳的研磨效果。
由于陶瓷属于脆性材料，在磨粒的作用下，表面会产生不同的裂纹，所以，陶瓷球滚动体的研磨加工要分步进行，由粗到精分多道工序来完成。工序多时辅助时间长，加工时间短，球的清洗取放时间长，最大优点是可以合理分配加工余量，每道工序效率高。工序少时辅助时间短，加工时间长，磨料粒度差别大，必须保证足够的加工余量才能去除前道工序所留缺陷及逐渐提高加工精度。工序的划分要根据加工批量、球坯余量、误差大小等综合确定，批量较大时，工序划分有助于整体效率的提高。
在粗研时应首先将球坯按最大直径分组，缩短研磨初期的不稳定过程，并尽量减少其跳动以提高研磨效率，陶瓷球坯有棱角，因此，在加工起始，应当低速，转速过高所造成振动大，也可能出现转速高时，摩擦力大，由于球不圆而造成上研磨盘被卡住转不动的现象，这都影响加工。因此，转速不能太高，压力可适当加大，在此条件下加工至把棱角去掉，球坯呈一定球形为止。然后可以考虑提高加工效率，从实际加工效果来看，在高速情况下，几种压力的去除率都较高，因此，转速可以大幅度提高。但转速过高，压力大时，振动很大，因此，在保证加工效率的前提下，可考虑适当降低压力，减小振动。
在半精研时由于半精研这道工序是用以过渡到精研，主要考虑加工效率，兼以考虑球形误差。因此，不宜使用过高转速、过大的压力，用以修正球形误差(因为在低速、低压力下球形误差的修正比高速、高压力下好)，提高整体加工效率及加工质量。
在精研时本道工序的目的是提高球的精度和表面质量。去除量大小应保证消除前道工序所留缺陷。因此，转速与压力都要适当，一次添加磨料后加工时间也应有所考虑。
在超精研时本道工序不只是提高球的精度和表面质量，还应保证足够的加工余量以使精度逐步提高，余量太小，无法达到高精度。因此，转速与压力比精研时的转速与压力要低些，一次添加磨料后，加工时间要较长，能逐步提高加工精度及表面质量。
在抛光时抛光的目的是提高表面粗糙度。从实际效果来看，用比陶瓷硬度低的软磨料氧化铬+精研油抛光效果较好，在低速、低压力条件下，加工数小时后球径极少变化，表面粗糙度Ra可以达到0.01μm或更小。
按照所定的各道工序加工HIPSN陶瓷球，每批可加工陶瓷球60~100个，共用时30h左右，成品陶瓷球可达G5、G3级水平。
为保证研磨效率和精度，应根据批量大小、球坯的余量合理安排工序，由粗到精逐步减小研磨压力和转速。研磨装置的精度对研磨效率和精度的提高有很大影响，主要应保证上、下研磨盘的平行度、垂直度、偏心及导向精度，这直接关系到球的受力及运动状态。
研磨磨料可以使用金刚石磨料，也可以使用SiC、B4C磨料，金刚石磨料成本较高，加工效率高。调配合理的研磨剂有助于提高研磨精度和效率。需采取措施使磨料在研磨液中悬浮，研磨剂的添加要遵循少量多次的原则。粗研时，去除量大，磨屑多，容易堵塞研磨盘沟道，影响陶瓷球的自旋运动，使加工精度和加工效率都得不到保证。因此，必须及时清除残液，填充研磨剂。实验证明，据此可提高效率20％左右，减少加工时间8小时/批左右。
粗研时，研磨盘材料要选用软钢，如45#钢、铸铁，有助于球轨道形成，快速统一球径。精研时，研磨盘材料宜选用硬钢，为长时间保持运动精度，如淬火钢。研磨盘在粗、精研的使用期限大致为80h，120h。
本发明给出的技术方案中还包括有在高精度热压氮化硅陶瓷球轴承的制造方法中所使用的陶瓷球研磨机构，该研磨机构包括有上研磨盘与下研磨盘，其中上研磨盘安装在传动轴的一端，传动轴的另一端与机床主轴之间采用柔性件连接，并带动上研磨盘随机床主轴一起以角速度旋转，传动轴的中部还设有角接触球轴承，该角接触球轴承的两端端盖上设有螺拴穿过套筒，该套筒的另一端穿进位于上、下研磨盘两侧的导柱上的轴套，轴套之上设有圆螺母、垫片和弹簧，可以改变研磨压力，下研磨盘安装在机床的底座上固定不动，导柱也固定在机床的底座上，待研磨的陶瓷球置于上研磨盘与下研磨盘之间的沟槽之中。
所述的机床主轴可以是钻床主轴或是铣床的立铣头，要求机床主轴能在100～5000转/分之间进行有级或无级调速，并能使上研磨盘对陶瓷球施加向下的研磨压力，该研磨压力能随不同的研磨要求进行调节。
与现有技术相比，本发明的有益效果为1).极限运转速度高；2).运转精度高；3).耐高温，且可无润滑运转；4).重量轻；5).在一些高腐蚀性介质中可长期稳定工作；6).标准化程度高，便于维修、互换；7).对机床结构改动小，便于维护保养。
8).应用在机床主轴单元上，在运转过程中的寿命比传统的钢球轴承提高了3倍以上，并可在运转过程无须添加润滑油脂。
9).锥形研磨加工工艺的工序划分科学，由粗到精逐步减小研磨压力和转速，余量合理分配，每道工序效率高，其加工效率高于传统的V形槽研磨法。
10).为高速高精度机床主轴系统及自动化生产线提供关键的基础零件，加快了数控机床向着高速、高效、高精度发展的步伐，促进轴承厂、发动机厂、齿轮厂等大中型机械加工企业的设备改造，并使我国在该领域的研究达到国际领先水平。
图1是球轴承的比例放大的径向剖面图；图2是图1轴承的两个圈的比例放大的横剖面图；图3是图1轴承保持架的中等比例的径向剖面图；图4是图3的左视图；图5是陶瓷球研磨过程中，陶瓷球的运动学分析图；图6是应用热压氮化硅陶瓷球轴承的数控机床电主轴单元结构简图；图7是陶瓷球研磨机构结构示意图；图中标号1.外圈，2.内圈，3.陶瓷球滚动体，4.保持架，5.外滚道，6.内滚道，7.圆形孔，8.密封圈，9.调整垫片，10.角接触球轴承，11.上研磨盘，12.圆螺母，13.下研磨盘，15.主轴，16.圆螺母，17.垫片，18.轴套，19.弹簧，20.轴套，21.螺栓，22.轴承盖，23.高精度热压氮化硅陶瓷球轴承，24.主轴，25.冷却水入口，26.冷却水出口，27.油雾入口。
具体实施例方式
下面结合实施例对本发明的具体技术方案做进一步说明如图1～图4所示的高精密热压氮化硅陶瓷球轴承包括由钢制成的一内圈2和一外圈1，内圈2和外圈1分别具有一个彼此面对面的两圆弧形滚道之一的圆弧滚道5、6；设置在内外圈的滚道5、6之间并与之接触的若干陶瓷球滚动体3；一设置在内外圈1、2之间以保持陶瓷球滚动体3的滚动体隔离圈，即保持架4。该球轴承是角接触型的，也就是说，外圈1和内圈2分别有一个各自的外滚道5和内滚道6，它们彼此面对面，各自的凹面朝着对方，在该例子中，外圈1带有锁口，使得轴承经装配好后不可分离。该球轴承的装配采用外圈加热膨胀，以进行装配。陶瓷球滚动体3设置在滚道5和6之间，并在径向与设计成基本上承受径向力和一定轴向负荷的轴承中的这些滚道5和6滚动接触。陶瓷球滚动体3由Si3N4陶瓷烧结而成，其精度水平至少达到钢球的G5级精度，部分达到钢球的G3级精度。两个圈1和2由例如M50或100C6型的传统轴承钢制成。
保持架4采用薄形的聚合物保持架，聚合物材料为聚醚乙酮PEEK，该保持架4注塑成型，保持架4与陶瓷球滚动体3之间的摩擦系数最小为0.028，且几乎没有被磨损，能够满足高速、高温的运转要求。由固定不动的外圈挡边引导保持架，可大大减少保持架与引导面间的碰擦与振动，使轴承的工作更为稳定。此外，该结构还便于轴承的润滑和清洗。
该实施例中的陶瓷球的制造方法为锥形研磨法，其研磨条件如下表所列
研磨时，应使用本发明给出的包括有上研磨盘与下研磨盘的陶瓷球研磨机构，如图7所示，这种陶瓷球研磨机构包括有上研磨盘11与下研磨盘13，其中上研磨盘11安装在传动轴的一端，传动轴的另一端与机床主轴15之间采用柔性件连接，并带动上研磨盘11随机床主轴15一起以角速度旋转，传动轴的中部还设有角接触球轴承10，该角接触球轴承10的轴承盖22两端端盖上设有螺拴21穿过套筒，该套筒的另一端穿进位于上、下研磨盘两侧的导柱上的轴套20，轴套20之上设有圆螺母12和16、垫片17和弹簧19，可以改变研磨压力，下研磨盘1安装在机床的底座上固定不动，导柱也固定在机床的底座上，该机床主轴是钻床主轴，该主轴能在100～5000转/分之间进行有级或无级调速，并能使上研磨盘对陶瓷球施加向下的研磨压力，该研磨压力能随不同工序的研磨要求进行调节。当然，在满足研磨要求的前提下也可采用现有的其它研磨设备对从市场上购得的陶瓷球坯进行研磨加工。研磨装置的精度对研磨效率和精度的提高有很大影响，主要应保证上、下研磨盘的平行度、垂直度、偏心及导向精度，这直接关系到球的受力及运动状态。
采用的锥形研磨法包括有下列工序1).粗研 首先将从市场上购得的陶瓷球坯按最大直径分组，在研磨压力(N/球)8～15，研磨速度(r/min)800～2500，磨粒粒度170#～200#条件下研磨，以消除球坯表面较大的制备缺陷，减少球形误差，统一球径并高效去除余量以满足球径要求；2).半精研将粗研后的陶瓷球，在研磨压力(N/球)6～10，研磨速度(r/min)450～800，磨粒粒度W40、W10条件下研磨，以修正球形误差，提高整体加工效率及加工质量；3).精研将半精研后的陶瓷球，在研磨压力(N/球)3～6，研磨速度(r/min)160～270，磨粒粒度W5条件下研磨，以提高球的精度和表面质量；4).超精研将精研后的陶瓷球，在研磨压力(N/球)1～2，研磨速度(r/min)＜160，磨粒粒度W1、W0.5条件下研磨，以提高球的精度和表面质量，并保证足够的加工余量以使精度逐步提高；5).抛光将超精研后的陶瓷球，在研磨压力(N/球)0.5～1，研磨速度(r/min)＜160，磨粒粒度Fe2O3条件下研磨，以提高表面粗糙度，经检试合格后即为成品陶瓷球。
下面列出的是各工序精度测试结果和成品陶瓷球的检测结果，其中成品陶瓷球的检测结果由国家轴承质量监督检验中心进行检验后给出。
从检测结果看加工出的陶瓷球的精度水平已达到钢球的G5级精度，部分球达到G3级精度。按照上述各道工序加工陶瓷球，每批可加工的成品陶瓷球60～100个，共用时30h左右。
到目前，还没有专门的陶瓷球的形状公差和表面粗糙度的规定，因此，陶瓷球的精度等级仍参考钢球精度等级的规定。
上述提及的钢球的公差等级按GBT308-1989规定，钢球按制造的尺寸、形状公差分成3、5、10、16、20、28、40、60、100、200十个级别，精度依次由高到低。各等级钢球的形状公差和表面粗糙度按下表规定。
钢球公差等级，用符号G加数字表示。
球直径变动量一个球的实测最大和最小单一直径之差；球形误差在任一径向平面内，球轮廓面的外接球体与球轮廓面上任一点之间的最大径向距离。
成品陶瓷球检测结果(μm)
各工序精度测试
钢球的公差等级
如图5所示，在研磨过程中单个陶瓷球的研磨运动学分析设上、下研磨盘与陶瓷球的接触点分别为A、B、C。陶瓷球只受研磨盘的作用，下研磨盘固定，上研磨盘通过与陶瓷球的接触点无滑动地带动陶瓷球做研磨运动。上研磨盘的角速度为ω，三接触点的公转半径分别为RA、RB、RC，陶瓷球半径为r。陶瓷球的无打滑研磨运动由公转和自转组成，公转角速度Ω(绕公转轴)，自转角速度ωb(绕陶瓷球自转轴)。对陶瓷球的无打滑研磨运动，陶瓷球的自转轴恒保持在陶瓷球经度剖面大圆平面上，自转角速度ωb矢量在此平面上的方向由θ表示。其中，研磨盘参数为RA＝132.5，RB＝140，RC＝129，φ＝30。
如图6所示，本发明给出的热压氮化硅陶瓷球轴承，安装在数控机床电主轴单元上的情况。其中，23为高精度热压氮化硅陶瓷球轴承，24为主轴，25为冷却水入口，26为冷却水出口，27为油雾入口。电主轴单元作为高速数控机床最关键的核心部件，其性能好坏在很大程度上决定了整台高速机床的加工精度和生产效率，而高速电主轴的核心支承部件是高速精密轴承，试验表明，轴承滚动体的离心力将随转速提高而快速上升，使滚动体与滚道接触表面的滑动摩擦加剧，导致轴承寿命急剧下降。而氮化硅陶瓷混合球轴承的寿命比钢球轴承的寿命提高三倍以上。氮化硅陶瓷材料的密度大约是钢轴承的40％，低密度的氮化硅在轻载高速运行时，滚动体的离心力大大减小，由离心力引起的自旋运动也大为降低。这样，混合陶瓷球轴承的极限转速得到提高。计算表明，在高速轻载条件下，混合陶瓷球轴承的极限转速可比钢球轴承的极限转速提高60％左右。在给出的应用实例中，陶瓷轴承大功率高速电主轴单元的内孔径向跳动1um、端面跳动1.5um、30000rpm运行时振动值0.5mm/s，提高了精密轴承套圈的加工精度和效率，满足了高速、超高速精密加工机床的需要。
权利要求
1.一种高精度热压氮化硅陶瓷球轴承，包括由钢制成的一个内圈和一个外圈，内圈和外圈分别具有球轴承圆弧滚道；设置在内外圈球轴承滚道之间并与之接触的陶瓷球滚动体；一个设置在内外圈之间以保持陶瓷球的滚动体隔离圈，即保持架；其特征在于所述的陶瓷球滚动体的精度至少达到钢球的G5级精度，即球直径变动量VDWS不超过0.13，球形误差Δδ不超过0.013，表面粗糙度Ra不超过0.020。
2.根据权利要求1所述的高精度热压氮化硅陶瓷球轴承，其特征在于由陶瓷球滚动体至少部分由Si3N4构成，余量为ZrO2或Al2O3。
3.根据权利要求1所述的高精度热压氮化硅陶瓷球轴承，其特征在于轴承内圈和外圈的钢为传统轴承钢或不锈钢或结构渗氮钢或表面淬硬钢。
4.根据权利要求1所述的高精度热压氮化硅陶瓷球轴承，其特征在于保持架由聚醚乙酮PEEK注塑成型，保持架为外圈引导结构。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的高精度热压氮化硅陶瓷球轴承，其特征在于热压氮化硅陶瓷球轴承安装在数控机床电主轴单元上。
6.制造高精度热压氮化硅陶瓷球轴承的方法，其特征在于由下列工序构成(1).粗研首先将陶瓷球坯按最大直径分组，在研磨压力(N/球)8～15，研磨速度(r/min)800～2500，磨粒粒度170#～200#条件下研磨，以消除球坯表面较大的制备缺陷，减少球形误差，统一球径并高效去除余量以满足球径要求，其精度测试结果为批直径变动量(μm)2～2.5，直径变动量(μm)2～2.5，球形误差(μm)2，波纹度(μm)0.15～3，粗糙度(μm)0.8；(2).半精研将粗研后的陶瓷球，在研磨压力(N/球)6～10，研磨速度(r/min)450～800，磨粒粒度W40、W10条件下研磨，以修正球形误差，提高整体加工效率及加工质量，其精度测试结果为批直径变动量(μm)0.8，直径变动量(μm)0.7～1.0，球形误差(μm)0.8，波纹度(μm)0.05～0.07，粗糙度(μm)0.2；(3).精研将半精研后的陶瓷球，在研磨压力(N/球)3～6，研磨速度(r/min)160～270，磨粒粒度W5条件下研磨，以提高球的精度和表面质量，其精度测试结果为批直径变动量(μm)0.4，直径变动量(μm)0.4～0.5，球形误差(μm)0.4，波纹度(μm)0.02～0.03，粗糙度(μm)0.05；(4).超精研将精研后的陶瓷球，在研磨压力(N/球)1～2，研磨速度(r/min)＜160，磨粒粒度W1、W0.5条件下研磨，以提高球的精度和表面质量，并保证足够的加工余量以使精度逐步提高，其精度测试结果为批直径变动量(μm)0.13，直径变动量(μm)0.1，球形误差(μm)0.1，波纹度(μm)0.009，粗糙度(μm)0.02～0.03；(5).抛光将超精研后的陶瓷球，在研磨压力(N/球)0.5～1，研磨速度(r/min)＜160，磨粒粒度Fe2O3条件下研磨，以提高表面粗糙度，其精度测试结果为批直径变动量(μm)0.13，直径变动量(μm)0.1，球形误差(μm)0.1，波纹度(μm)0.009，粗糙度(μm)0.01～0.02，检试合格后即为成品陶瓷球滚动体，其精度水平至少达到钢球的G5级精度。
7.制造高精度热压氮化硅陶瓷球轴承所用的陶瓷球研磨机构，其特征在于所述的陶瓷球研磨机构包括有上研磨盘与下研磨盘，其中上研磨盘安装在传动轴的一端，传动轴的另一端与机床主轴之间采用柔性件连接，并带动上研磨盘随机床主轴一起以角速度旋转，传动轴的中部还设有角接触球轴承，该角接触球轴承轴承盖的两端端盖上设有螺拴穿过套筒，该套筒的另一端穿进位于上、下研磨盘两侧的导柱上的轴套，轴套之上设有圆螺母、垫片和弹簧，下研磨盘安装在机床的底座上，导柱也固定在机床的底座上。
8.根据权利要求7所述的制造高精度热压氮化硅陶瓷球轴承所用的陶瓷球研磨机构，其特征在于所述的机床主轴是钻床主轴或铣床的立铣头。
全文摘要
一种高精度热压氮化硅陶瓷球轴承及其制造方法，属于轴承制作技术，适于安装在高精度、高转速、高档数控机床和加工中心主轴上，本发明给出的高精度热压氮化硅陶瓷球轴承，包括由钢制成的一个内圈和一个外圈，内圈和外圈分别具有球轴承圆弧滚道；设置在内外圈球轴承滚道之间并与之接触的陶瓷球滚动体；一个设置在内外圈之间以保持陶瓷球的滚动体隔离圈，即保持架；其特点是所述的陶瓷球滚动体由锥形研磨加工工艺和技术设备获得，其精度达到G5、G3级。本发明的特点是极限运转速度高；运转精度高；耐高温，且可无润滑运转；重量轻；在一些高腐蚀性介质中可长期稳定工作；标准化程度高，便于维修、互换。
文档编号F16C33/32GK1619171SQ20041008885
公开日2005年5月25日 申请日期2004年11月8日 优先权日2004年7月8日
发明者吴玉厚, 张珂 申请人:沈阳建筑大学