一种超高速磨钻用微型球轴承的设计方法
【专利摘要】一种超高速磨钻用微型球轴承的设计方法，涉及轴承【技术领域】，包括轴承内圈（1）、轴承外圈（2）、保持架（3）、兜孔间隙（4）、引导间隙（5）和滚动体（6），所述轴承内圈（1）和轴承外圈（2）的材质为Cronidur30不锈钢，所述滚动体（6）的材质为Si3N4陶瓷球，所述保持架（3）的材质为聚酰亚胺复合材料，并采用ADAMS系统CMD语言开发参数化角接触球轴承刚柔多休动力学仿真模块，通过分析保持架的载荷、变形、温度的参数，确定兜孔间隙（4）与引导间隙（5）的比值为D/Y=1.5，兜孔间隙（4）和陶瓷球直径的比值为D/T=0.09；本发明使超高速轴承的寿命由平均40小时提高到200小时以上，满足了医疗手术动力装置的要求，且提高超高速轴承寿命的目的。
【专利说明】一种超高速磨钻用微型球轴承的设计方法
[0001]【【技术领域】】
本发明涉及轴承【技术领域】，具体地说本发明涉及一种超高速磨钻用微型球轴承的设计方法。
[0002]【【背景技术】】
公知的，高速磨钻微型轴承在工作运转中，手持式高速磨钻微型轴承工作转速为8万转/分~30万转/分，要求轴承在2秒之内能够达到最高转速30万转/分，单次使用时间3飞小时，累积寿命大于200小时，在手术过程中有生理盐水、人体体液、血液渗入到轴承位置，轴承能耐受酶清洗液浸泡后清水冲洗；能耐受高温压力蒸汽(150°C)消毒、消毒液(戊二醛等)浸泡消毒、低温等离子体消毒环境灭菌后其性能，寿命，耐腐性无影响；轴承受力为随机交变载荷，轴承噪音< 60dB，由于轴承工作条件十分苛刻，在实际使用过程中轴承出现了以下几种失效模式:
①无法达到最高转速；
②高速下轴承保持架运动不稳定导致轴承掉速以及保持架剧烈磨损甚至断裂；
③轴承在冲击载 荷作用下滚道破坏，无法达到要求的寿命；
④高速条件下轴承接触点温度过高出现表面烧伤；
⑤普通不锈钢轴承在反复使用及消毒过程中出现了轻微生锈的现象；
【
【发明内容】
】
为了克服【背景技术】中的不足，本发明公开了一种超高速磨钻用微型球轴承的设计方法，实现了超高速轴承的寿命由平均40小时提高到200小时以上，满足了医疗手术动力装置的要求，且提高超高速轴承寿命的目的。
[0003]为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案:
一种超高速磨钻用微型球轴承的设计方法，包括轴承内圈、轴承外圈、保持架、兜孔间隙、引导间隙和滚动体，在轴承内圈的外部设有轴承外圈，多个滚动体设置在轴承内圈与轴承外圈之间的滚道内，所述保持架将多个滚动体一一隔开，所述轴承内圈和轴承外圈的材质为Cronidur30不锈钢，所述滚动体的材质为Si3N4陶瓷球,所述保持架的材质为聚酰亚胺复合材料，并采用ADAMS系统CMD语言开发参数化角接触球轴承刚柔多休动力学仿真模块，通过分析保持架的载荷、变形、温度的参数，确定兜孔间隙与引导间隙的比值为D/Y=L 5，兜孔间隙和陶瓷球直径的比值为D/T=0.09。
[0004]所述的超高速磨钻用微型球轴承的设计方法，所述D/Y=l.5中的D为兜孔间隙，Y为引导间隙，所述D/T=0.09中的T为陶瓷球直径。
[0005]由于采用了上述技术方案，本发明具有如下优越性:
1、轴承内圈I和轴承外圈2的材质为Cronidur30不锈钢材质，由于Cronidur30是一种高氮铬合金钢，其中的铬提高了材料的耐腐蚀性，钥可以防止麻点产生，氮能够显著提高耐腐蚀性能，其抗腐蚀性是原轴承内外套圈材料9Crl8不锈钢的100倍；碳和氮又能增加钢的硬度和耐磨性，其疲劳磨损寿命是普通9Crl8不锈钢的4倍；通过轴承内圈I和轴承外圈2材质的改进，解决了轴承在冲击载荷作用下由于滚道破坏，而无法达到要求的寿命以及轻微生锈的现象，有效提高了套圈的承载能力，且满足了轴承内圈I和轴承外圈2在交变载荷下的工作可靠性，使超高速轴承的寿命由平均40小时提高到200小时以上，满足了医疗手术动力装置的要求；
2、将滚动体的材质选用Si3N4陶瓷球，由于陶瓷材料的硬度可达到9Crl8不锈钢的两倍，弹性模量是原钢球9Crl8的1.5倍，因此陶瓷球的承载能力也大大高于不锈钢球的承载能力，提高了轴承抗交变载荷的能力；由于陶瓷球轴承的工作转速达到了 9Crl8不锈钢极限转速的1.3倍以上，且解决了不锈钢轴承经常达不到最高转速的难题；陶瓷球轴承在30万转/分转速下运转时的温升约为9Crl8不锈钢轴承温升的60%，在运行中摩擦温升小，陶瓷球的质量约为不锈钢的40%，超高速运转时，滚动体所受离心力和陀螺力矩小，自旋滑动小，因此摩擦损失明显低于不锈钢轴承；Si3N4陶瓷球能抵抗各类无机酸、有机酸的腐蚀，大大提高了轴承的耐腐蚀性；陶瓷球轴承可实现自润滑，从而提高了对恶劣润滑环境的适应性；通过滚动体的材质的改进,解决了滚道接触点温度过高出现表面烧伤、轴承无法达到最高转速及轻微生锈的现象，提高了超高速轴承在恶劣工作环境中的适应性；
3、保持架的材质为聚酰亚胺复合材料，所述材料有非常好的耐蠕变性能、低而稳定的摩擦系数、非常好的尺寸稳定性和生理惰性(适合与食品级润滑脂接触)和良好的加工性能，解决了高速下轴承保持架运动不稳定导致轴承掉速以及保持架剧烈磨损甚至断裂的现象；且利用ADAMS系统CMD语言开发参数化角接触球轴承刚柔多休动力学仿真模块；通过分析保持架的载荷、变形、温度等参数，最终确定最佳的兜孔间隙(D)和引导间隙(Y)比值为D/Y=l.5时，会获得最小的球兜孔力，获得最佳的质心轨迹，其中兜孔间隙(D)和陶瓷球直径(T)之比为D/T=0.09，根据仿真分析确定了性能比较好的保持架结构参数(保持架兜孔间隙和引导间隙)，并通过轴承试验验证了保持架结构优化的合理性，提高了保持架在超高速环境下的稳定性，减小了保持架异常磨损。
[0006]【【专利附图】
【附图说明】】
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明30万转/分无优化保持架质心运动轨迹；
图3是本发明30万转/分无优化保持架质心运动轨迹；
在图中:1、轴承内圈；2、轴承外圈；3、保持架；4、兜孔间隙；5、引导间隙；6、滚动体。
[0007]【【具体实施方式】】
通过下面的实施例可以更详细的解释本发明，本发明并不局限于下面的实施例；
结合附图1所述的超高速磨钻用微型球轴承的设计方法，包括轴承内圈1、轴承外圈2、保持架3、兜孔间隙4、引导间隙5和滚动体6，在轴承内圈I的外部设有轴承外圈2，多个滚动体6设置在轴承内圈I与轴承外圈2之间的滚道内，所述保持架3将多个滚动体6 —一隔开，所述轴承内圈I和轴承外圈2的材质为Cronidur30不锈钢，所述滚动体6的材质为Si3N4陶瓷球，所述保持架3的材质为聚酰亚胺复合材料，并采用ADAMS系统CMD语言开发参数化角接触球轴承刚柔多休动力学仿真模块，通过分析保持架的载荷、变形、温度的参数，确定兜孔间隙4与引导间隙5的比值为D/Y=l.5，兜孔间隙和陶瓷球直径的比值为D/T=0.09。
[0008]所述的超高速磨钻用微型球轴承的设计方法，所述D/Y=l.5中的D为兜孔间隙，Y为引导间隙，所述D/T=0.09中的T为陶瓷球直径。[0009]实施本发明所述的超高速磨钻用微型球轴承的设计方法，将轴承内圈I和轴承外圈2材料改为Cronidur30不锈钢，由于原轴承内外套圈材料使用9Crl8不锈钢，9Crl8不锈钢虽然有较强的抗腐蚀性，但在血液、生理盐水的反复作用下，也出现了轻微的锈蚀痕迹，另外9Crl8耐磨性较差，在手术环境的冲击载荷作用下，出现了套圈滚道破坏甚至断裂的情况；综合以上情况，将轴承内圈I和轴承外圈2材料改为Cronidur30不锈钢，Cronidur30是一种高氮铬合金钢，其中的铬提高了材料的耐腐蚀性，钥可以防止麻点产生，氮能够显著提高耐腐蚀性能，其抗腐蚀性是9Crl8不锈钢的100倍，碳和氮又能增加钢的硬度和耐磨性，其疲劳磨损寿命是普通9Crl8不锈钢的4倍，通过套圈改进材料，解决了轴承在冲击载荷作用下滚道破坏，无法达到要求的寿命以及轻微生锈的现象。
[0010]将滚动体6的材料设计改为Si3N4陶瓷球:原轴承滚动体材料使用9Cr 18钢球，在高速条件下，轴承接触点温度过高出现了钢球与套圈表面烧伤的现象，另外，轴承还经常达不到最高转速，综合考虑，将9Crl8钢球改为Si3N4陶瓷球，采用陶瓷球后有如下优点:
A、承载能力高:陶瓷材料的硬度可达到9Crl8不锈钢的两倍，弹性模量是9Crl8的1.5倍，因此陶瓷球的承载能力也大大高于不锈钢球的承载能力，提高了轴承抗交变载荷的能力。
[0011]B、极限转速高:陶瓷球轴承的工作转速达到了 9Crl8不锈钢极限转速的1.3倍以上。解决了不锈钢轴承经常达不到最高转速的难题。
[0012]C、摩擦温升小:陶瓷球轴承在30万转/分转速下运转时的温升约为9Crl8不锈钢轴承温升的60%。
[0013]D、摩擦损失小:陶瓷球的质量约为不锈钢的40%，超高速运转时，滚动体所受离心力和陀螺力矩小，自旋滑动小，因此摩擦损失明显低于不锈钢轴承。
[0014]E、耐腐蚀性好:Si3N4陶瓷球能抵抗各类无机酸、有机酸的腐蚀，大大提高了轴承的耐腐蚀性。
[0015]F、自润滑性能好:陶瓷球轴承可实现自润滑，从而提高了对恶劣润滑环境的适应性。
[0016]通过滚动体的改进，解决了滚道接触点温度过高出现表面烧伤、轴承无法达到最高转速及轻微生锈的现象，提高了超高速轴承在恶劣工作环境中的适应性。
[0017]保持架作为轴承中最薄弱的一个环节，轴承转速越高，轴承保持架所受到的冲击力就越大，保持架运转的稳定性也就越不好，解决保持架运动不稳定导致的失效主要通过保持架的尺寸优化设计和试验，提高保持架的高速稳定性，以往由于缺乏保持架动态仿真分析手段，所以轴承保持架的尺寸只能在轴承试制完成后，才能换用不同的结构参数的保持架进行轴承动态试验，来确定最终的保持架尺寸，本发明采用轴承动态仿真分析软件可以对轴承保持架质心轨迹进行高速动态仿真，同时根据仿真结果进行了轴承保持架优化设计。
[0018]原轴承使用ICrlSN1Ti钢制保持架，钢制保持架虽然强度高，但在超高速环境下，其质心轨迹也较为紊乱且钢制保持架与食品级润滑脂匹配性较差从而极大影响了保持架的高速稳定性，导致轴承掉速甚至出现了保持架剧烈磨损甚至断裂的现象；针对以上现象，保持架做了如下两方面的改进:
A、保持架3材料:材料由lCrl8Ni9Ti钢改为聚酰亚胺复合材料，该材料有非常好的耐蠕变性能、低而稳定的摩擦系数、非常好的尺寸稳定性和生理惰性(适合与食品级润滑脂接触)、良好的加工性能,通过改进材料,解决了高速下轴承保持架运动不稳定导致轴承掉速以及保持架剧烈磨损甚至断裂的现象。
[0019]B、优化保持架参数:保持架3最重要的两个参数是兜孔间隙4和引导间隙5，它们的不同组合会极大的影响球兜孔力和磨损，利用ADAMS系统CMD语言开发参数化角接触球轴承刚柔多休动力学仿真模块；通过分析保持架的载荷、变形、温度等参数，最终确定最佳的兜孔间隙(D)和引导间隙(Y)比值:D/Y=1.5时，会获得最小的球兜孔力，获得最佳的质心轨迹。其中兜孔间隙(D)和陶瓷球直径(T)之比为:D/T=0.09，附图2为30万转/分无优化保持架质心运动轨迹示意图，附图3为30万转/分优化后保持架质心运动轨迹示意图，可以根据仿真分析确定了性能比较好的保持架结构参数:保持架兜孔间隙和引导间隙，并通过轴承试验验证了保持架结构优化的合理性，提高了保持架在超高速环境下的稳定性，减小了保持架异常磨损。
[0020]本发明未详述部分为现有技术。
[0021]为了公开本发明的发明目的而在本文中选用的实施例，当前认为是适宜的，但是，应了解的是，本发明旨在包括一切属于本构思和发明范围内的实施例的所有变化和改进。
【权利要求】
1.一种超高速磨钻用微型球轴承的设计方法，包括轴承内圈(I)、轴承外圈(2)、保持架(3)、兜孔间隙(4)、引导间隙(5)和滚动体(6)，在轴承内圈(I)的外部设有轴承外圈(2)，多个滚动体(6)设置在轴承内圈(I)与轴承外圈(2)之间的滚道内，所述保持架(3)将多个滚动体(6)—一隔开，其特征是:所述轴承内圈(I)和轴承外圈(2)的材质为Cronidur30不锈钢,所述滚动体(6)的材质为Si3N4陶瓷球,所述保持架(3)的材质为聚酰亚胺复合材料，并采用ADAMS系统CMD语言开发参数化角接触球轴承刚柔多休动力学仿真模块，通过分析保持架的载荷、变形、温度的参数，确定兜孔间隙(4)与引导间隙(5)的比值为D/Y=l.5，兜孔间隙(4)和陶瓷球直径的比值为D/T=0.09。
2.根据权利要求1所述的超高速磨钻用微型球轴承的设计方法，其特征是:所述D/Y=L 5中的D为兜孔间隙，Y为引导间隙，所述D/T=0.09中的T为陶瓷球直径。
【文档编号】F16C33/62GK104033488SQ201410272016
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年6月18日 优先权日:2014年6月18日
【发明者】孙北奇, 葛世东, 程俊景, 于晓凯, 马小梅, 韩涛, 张文涛, 屈驰飞 申请人:洛阳轴研科技股份有限公司