专利名称：滚动轴承保持架的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于滚动轴承、特别是用于滚珠轴承的保持架， 具有保持架的滚动轴承，以及保持架在具有特征速度值
nxdm〉l，000,000mm/min的高速:;衮动4由7 义、净争另'J是用于工业心 轴轴承应用中以及在医疗器械中、尤其是在牙科技术中的用途， 其中n对应于内圏速度且dm对应于平均轴承直径，其中平均轴 承直径d m由外径和内径之和的 一 半计算。
背景技术：
在现有技术中，描述了复合材料如织物补强的酚醛树脂， 该复合材料具有关于摩擦和磨损的足够性能以达到在高速滚珠 轴承应用中非常好的寿命值。如果另外将油引入该棉织物中， 该材料的有益性质能得到改进，这另外延长其中缺乏润滑的应 用中的寿命。在复合材料例如具有细织制棉织物的织物补强酚 醛树脂制成的保持架中的主要问题之一是，这些材料通常仅高 至约120。C是热稳定的，因此在例如136。C下的蒸汽压力杀菌是 不可能的。然而，这特别对于医疗器械的应用存在很大问题。
用作高速的医学技术应用中的保持架材料的其他塑料是高 性能的塑料如聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮(PEK)、聚酰胺酰亚胺
(PAI)以及聚酰亚胺(PI),其在润滑的等级形式上能通过润滑添 加剂和纤维的混合来满足医学技术中的要求。然而，这些仅在
能够在滚珠轴承中得到保证的有禾'j的摩擦条件下起作用。
然而，缺乏润滑经常普遍存在，特别是在牙科器械的应用 中。用于此的滾珠轴承经常不能配置有磨削盖(grinding covers) (密封静环)，这是因为这些在操作期间达到高摩擦值，结果滚
3珠轴承的温度显著升高。然而，特别是在牙科涡轮手机中，温
度升高是不可接受的，这是因为设备温度a8。C是牙科技师和
牙科医生非常不喜欢经历的。因此不能将这些滚珠轴承密封，
而只能将其覆盖。然而，此类盖盘(cover disk)具有以下缺点 在盖盘和内圏之间存在一定间隙，通过该间隙，润滑剂能溢出 至外部(参见图l)。在医疗器械中，特别是在牙科涡轮轴承中， 润滑剂泄漏的影响通过以下事实^皮;故大涡^^的供应空气不^f又 能通过通风口，而且还能通过涡轮轴承漏出外部。这导致润滑 剂(润滑油脂或润滑油)输送至外部，因而导致上述缺乏润滑的 情形。
例如，在DE 198 48 051 Al和US-A-6113278中描述借助于 烧结技术生产的高性能热塑性塑料(分别为PI和PAI)，其配置有 一定的自由孔体积。将适当的润滑油通过真空浸渍引入到自由 孔隙中。恰好在缺乏润滑的情况下，由于离心力(在轴承的动态 运转期间)该润滑油肯定会从孔隙中离去，并因此维持滚珠轴承 中的摩擦系统(tribosystem)。然而，所述机制本身还未在实践中 得以验证，这是因为 一方面保持架由于多孔性变得非常易碎， 以及另 一方面"储油效果"不能长期持续，这是因为通过有规律 进行的压力蒸汽杀菌循环使润滑油非常迅速地洗出孔隙。
聚酰胺与全氟烷基物的配混物以及这些配混物与其他聚合 物的混合物在DE 198 23 609 Al中有所描述，其中改性的全氟 烷基物在熔融状态下借助于反应性转化与聚酰胺化合物均质 化。因此该材料的使用可以为纯物质的形式，或者为滑动轴承 中、滑动膜中、滑动箔(sliding foil)中、滑动涂层中、憎油性和 /或憎水性物中的添加剂/成分的形式，或者是在成型品中、纺 织用线和/或羊毛织物和/或其他纺织织物中、多层(箔)材中、膜 中配置有该材料的组分材料或全体材料作为涂层添加剂或涂层
4物质。
当在两个轴寿义配对物(partner)例如壳和轴之间没有润滑剂 (润滑油或润滑脂肪)的情况下必须传输相对运动时，能够使用 如DE 198 23 609 Al中提及的塑料滑动轴寿义。在轴由其在轴承 壳中的整个侧面支撑它本身之后，与塑料滑动轴承相比，比表 面压力不是特别高。即使在高性能滑动轴承中，使用最大的圆 周速度仅为1.5m/s。在使用的牙科技术中，转化成具有内径 3.175mm和外径6.35mm的轴承的实例的尺寸，这只产生特征速 度值约30，000mm/min。然而，高性能滚动轴承如牙科涡轮轴承 以高达500，000miiT1的速度i走转，该速度相当于约 2，400，000mm/min的特征速度值。该实例说明高性能滚动轴承如 牙科涡轮轴承的性能数据无论如何不可与高性能滑动轴承的那 些相比。
发明内容
因此本发明基于提供用于滚动轴承，特别是用于滚珠轴承 的保持架的目的，该保持架由能够进行杀菌处理而材料强度没 有显著劣化的高性能塑料制成，该保持架尽管在缺乏润滑的情 况下也另外必须具有改进的寿命以及适于用于高速滚动轴承和 滚珠轴承，优选医疗器械，特别是牙科技术中。
该目的通过提供特征在于权利要求书中的实施方案来完成。
根据本发明，提供用于滚动轴承，特别是用于滚珠轴承的 保持架，该保持架包括化学偶联含氟聚合物和/或含氟共聚物和 /或含氟低聚物，优选聚四氟乙烯(PTFE)的聚酰胺酰亚胺(PAI) 和/或聚酰亚胺(PI)和/或聚醚醚酮(PEK)。
术语化学偶联含氟(共)聚合物的PAI和/或PI和/或PEK的意思是主要由P AI和/或PI和/或PEK组成的配混物材料，其中含氟 (共)聚合物和/或含氟低聚物至少部分化学偶联至PAI和/或PI和 /或PEK。
根据本发明，术语化学偶联的意思是至少两种聚合物/低聚 物组分借助于形成化学键的组合。至少两种聚合物/低聚物组分 的偶联可以是完全的或至少部分的。
术语P AI的意思是在它们的主链上具有酰胺以及酰亚胺官 能度的聚合物。PAI通过芳族三羧酸肝如l，2,4-苯三酸酐和/或它 们的羧酸衍生物与二异氰酸酯或二胺的缩聚来生产。作为实例， 能使用以Torlon⑧(Solvay company)商购得到的那些聚合物作为 PAI。
术语PI的意思是其重复单元是通过酰亚胺基团结合的聚合 物。标准的和为专家所熟悉的热塑性或硬塑性PI能用作PI。当 使用化学偶联的PI-PTFE材料时，为专家所熟悉的是PI与含氟
间和/或后缩合期间和/或在随后的在(a)溶液形式的热固树脂PI 中或(b)在优选为熔融态的热塑性PI中的聚合物类似反应 (polymer-analogous reaction)中。
PI通过芳族四羧酸酐如苯均四酸二酐和/或二苯甲酮四羧 酸二酐与二异氰酸酯或二胺的缩聚来生产。作为偶联有改性
PTFE的基质PI，例如能够使用可商购获得的那些聚合物如 Sintimid (Ensinger company)或如Vespel (DuPont company)。 术语聚醚酮(P E K)的意思是包括以下结构部分的聚合物
<formula>formula see original document page 6</formula>其中x=l且y-l。其中x=2且y=l的聚醚酮称为聚醚醚酮 (PEEK),以及其中x=l且y=2的那些称为聚醚酮酮(PEKK)。 最后，对于x=2且y=2的聚醚酮称为聚醚醚酮酮(PEEKK)。所 有这些化合物都在本发明的内容中理解为聚醚酮(PEK)。作为 聚醚酮，优选使用具有熔点〉250。C，特别优选〉300。C的高熔点 聚合物。例如，作为PEK,能使用可商购获得的那些聚合物如 Victrex 150P或如Victrex 450P(Victrex company》
术语含氟聚合物的意思是其中聚合物链的重复单元的 一 个 或多个氢原子被氟原子取代(部分氟化)的有机聚合物或者其中 所有氢原子都被氟原子取代(全氟化)的有机聚合物，例如在 PTFE或FEP中。代替氟原子，其他囟素原子，特别是氯原子也 能够存在，只要其不劣化含氟聚合物的所期望性质即可。含氟 聚合物还能在主链上具有杂原子如氧。适当的含氟聚合物例如 是i owp/ 画丄ex/cow C7z，/e,第10版，Georg Thieme Verlag, 1997, 第1393和1394页中详述的含氟聚合物。优选地，含氟聚合物是 带有-(CF2)-基的有机含氟聚合物。作为含氟聚合物，能使用基 本上任意部分氟化的或全氟化的有机聚合物，其是热稳定的且 具有良好的滑动摩擦性质，并优选能通过化学照射改性以致能 将能够与基质聚合物如PAI和/或PI和/或PEK转化的反应性官能 团引入。根据本发明特别优选的实施方案，含氟聚合物是聚四 氟乙烯。
配混物中的含氟(共)聚合物，优选聚四氟乙烯(PTFE)的组 分优选为5至60质量％,特别优选10至30质量％,相对于保持架 的全部材料。
其他聚合物或低聚物如聚烯烃、乙烯基类聚合物、缩聚化 合物和/或加聚化合物也可以与化学偶联有含氟(共)聚合物的 PAI和/或PI和/或PEK—起以混合物存在。通过PAI和/或PI和/或PEK化学偶联至含氟(共)聚合物形成 的配混物材料能通过含氟(共)聚合物用反应性官能团改性以及 随后改性的含氟(共)聚合物与基质聚合物如PAI和/或PI和/或 PEK的反应性转化来生产。优选地，化学偶联发生于改性的含 氟(共)聚合物与PAI和/或PI和/或PEK的反应性转化的步骤中。 优选地，该改性的含氟(共)聚合物通过将含氟(共)聚合物，优选 PTFE用照射剂量高于50kGy,优选高于100kGy，特别优选用照 射剂量500kGy的照射化学分解而形成。此外，优选该照射化学 分解在反应物，特别是氧的存在下进行。
通过如上所述的含氟(共)聚合物的改性，例如通过预先照 射化学处理法，官能团如羧酸基团和/或羧酸衍生物和/或烯属 基团如全氟亚烷基能够产生于含氟(共)聚合物上，因此改性的 含氟(共)聚合物形成。具有官能团的改性含氟(共)聚合物能与基 质聚合物如PAI和/或PI和/或PEK完全或至少部分化学偶联。这 使得可以将两种材料的有益性质组合到 一种配混物材料中。
将改性含氟(共)聚合物化学偶联至PAI和/或PI和/或PEK, 其导致不相容的材料变得相容。用于改性的含氟(共)聚合物偶 联至PAI和/或PI和/或PEK的方法原则上不受任何明显限定。例 如，改性的含氟(共)聚合物能通过反应性挤出(组分的熔融和/ 或在升高的温度下将含氟(共)聚合物组分分散于基质聚合物组 分中)偶联至PAI和/或PI和/或PEK(熔融改性反应)。将改性含氟 (共)聚合物至少部分化学偶联至PAI和/或PI和/或PEK。然而， 也可以想到通过其它的为专业人员所熟悉的方法来改性含氟 (共)聚合物，所述方法通过引入或产生反应性官能团以及在基 质聚合物合成期间(在溶液/分散体或以在基底中)和/或随后在
学偶联。
8在改性的含氟(共)聚合物与PAI和/或PI和/或PEK通过在熔 融态下改性组分来化学偶联的情况下，优选在混合机、单螺杆 或双螺杆挤出机、多轴混合机或注射成型机(优选具有复合螺杆 (compounding screw))中混合并至少部分偶联这些组分。如上所
述的带有官能团如羧酸基团和/或羧酸卣化物基团和/或烯属基 团如全氟亚烷基的改性含氟(共)聚合物，其与PAI和/或PI和/或 PEK的反应性转化在熔融态下在高于基质聚合物组分熔点的温 度，优选高于200。C，特别优选高于300。C下进行。由于该熔融 改性反应，可至少部分地化学偶联改性的含氟(共)聚合物与PAI 和/或PI和/或PEK并由此获得(宏观的)均匀的配混物材料。此类 均匀的配混物材料实质上不同于通过(未改性的)含氟聚合物与 PAI和/或PI和/或PEK的单纯物理混合或熔融获得的材料。
也能加入添加剂、填料和辅助材料，以调整本文所述的滚 动轴承保持架用配混物材料的所期望的性质。这些添加剂、填 料和辅助材料优选均匀分布于滚动轴承保持架用配混物材料 中，但是也能例如仅施涂在该保持架的表面上。例如，能将碳 纤维和/或石墨加入至滚动轴承保持架用配混物材料中。
能够生产适用于根据本发明的滚动轴承用保持架的保持架 材料，所述保持架材料包含化学偶联有含氟(共)聚合物的PAI 和/或PI和/或PEK，例如如DE 198 23 609 Al中关于含氟(共)聚 合物与PA偶联的情况，特别是如实施例1至8中所述。含氟(共) 聚合物与PI和/或PEK的偶联能以化学上类似的方式，例如通过 端基反应如与聚酰胺(PA)偶联来进行。
与如DE 198 23 609 Al中提出的滑动轴承相比，在根据本 发明的滚动轴承，特别是滚珠轴承如牙科滚珠轴承中，情况更 加复杂。图l是指滚动轴承和滑动轴承之间主要区别的说明。图 1中所述保持架3能用作滚珠轴承保持架，例如用作带槽滚珠轴承中的锁止保持架(latching cage)(如图1中所示)以及用作角接触球轴承/心轴轴7l义中的整体保持架(massive cage)。保持架3获取一定的滑动功能，这是因为它依靠外圏轴肩7或内圏轴肩8来支撑它本身。然而，这些滑动面上产生的磨损对于轴承的寿命并不重要。如果假定外圈l固定于例如牙科手机上且内圏2以约500，000min"的转速转动，那么滚珠6以大约每分钟l，OOO，OOO转绕它们自己的轴转动。保持架借助于滚珠驱动，并具有大约200，000min"的转速。在牙科涡轮机中，该情况通过由牙医传送到钻具的径向负载成分使转轴倾斜并因此使支撑位置倾斜而变得复杂。滚珠因此以一定角度偏离理想的环路运转。这意味着滚珠套内的滚珠采取不同的转速并因此交替改变对保持架的各个支撑兜孑L(bearing pocket)的牵引力和压力负载。能够用该过程在滚珠转速为每分钟1 ，OOO，OOO转下发生的知识设想保持架上的超常负载。支撑兜孔沿圆周方向磨损，这甚至能导致保持架通过滚珠总体(ball complement)在中间^皮有效切断。该磨损机制无论如何不可与塑料滑动轴承的磨损机制相比。作用于滑动轴承的负载比作用于滚动轴承的负载显著降低。
此外，根据本发明提供滚动轴承，其包括含有化学偶联有含氟(共)聚合物的PAI和/或PI和/或PEK的保持架3 。
特别地，滚i朱轴承装配有内圈2以及与它同轴设置的外圈1，其中滚珠6设置于通过保持架3支持的内圏2和外圏1之间，保持架3包含化学偶联有含氟(共)聚合物的PAI和/或PI和/或PEK。
根据本发明的保持架3首先非常适用于高速滚动轴承如滚珠轴承中，特别适用于工业心轴轴承应用和适用于医疗器械中，特别是牙科技术中。作为此类滚动轴承的实例，能提供滚珠轴承，其一般具有内圏、外圈、滚珠和保持架，其中滚珠在所谓的轴承轨道上移动。相应地，根据本发明，提供所述保持架在滚动轴承，特别
是具有特征速度值nxdm〉l,000，000mm/min的滚珠轴承中，尤其用于工业心轴轴承应用和在医疗器械中，特别是在牙科技术中的用途。
配混物材料的(摩擦)性质通过含氟(共)聚合物，优选改性的聚四氟乙烯(PTFE)化学偶联至基质聚合物PAI和/或基质聚合物PI和/或基质聚合物P E K而得到显著改进，以使得具有由此种配混物材料制成的保持架的滚动轴承的寿命能够得到显著增加。
来自含氟(共)聚合物如聚四氟乙蜂与PAI和/或PI和/或PEK的所述配混物材料的具体优点主要在于含氟(共)聚合物在基质聚合物PAI和/或PI和/或PEK中的改进的分散性/均匀化以及稳定的(加工)形态学。含氟(共)聚合物和/或含氟低聚物组分因此不仅以更好的方式，即以精细分布的方式存在于配混物材料中，而且含氟(共)聚合物和/或含氟低聚物组分至少部分化学偶联(经化学键)至PAI和/或PI和/或PEK。这能以简单方式确定，这是因为通过溶解基质组分于适当的溶剂中，在成功偶联的情况下，氟化学组分不再能作为纯净的含氟(共)聚合物组分被分离和回收，或者至少不再完全能作为纯净的含氟(共)聚合物组分被分离和回收。具有化学偶联基质聚合物的含氟(共)聚合物作为能在分析上清楚地检测到的不溶性残余物获得。
含氟(共)聚合物如聚四氟乙烯(PTFE)化学偶联至PAI和/或PI和/或P E K赋予保持架材料以即使在缺乏润滑的情况下也只轻微研磨磨损的性质，这不同于医学技术中分布的且迄今为止仍广泛 <吏用的来自PI(商品名Vespel(Dupont company)、Meldin(Saint國Gobain company)、 Sintimid(Ensinger company))、PAI(商品名Torlon(Solvay Advanced Polymers company))和PEK(商品名Tecapeek(Ensinger company)),具有添力口剂的物J里存贝i/混合的保持架材料。该性质能被显著改进，且相对于迄今已知的塑料滚珠轴承保持架，根据本发明的保持架的寿命能得到显著增加，这是因为含氟(共)聚合物，优选聚四氟乙烯
(PTFE)TF 2025用500 kGy照射而化学偶联至PAI和/或PI和/或PEK。
与以前使用的高性能塑料制成的保持架相比，根据本发明的滚动轴承保持架和滚珠轴承保持架的寿命能延长多倍。
通过本领域任何已知的用于滚动或滚珠轴承保持架的方法能使来自化学偶联有含氟(共)聚合物的PAI和/或PI和/或PEK的配混物材料成为适当的形状。 一方面，这可以通过经由注射成型或挤出产生半成品(圓形材料或管)。然后对成品(保持架)的进一步处理通过4几加工(翻转，钻进)进^于。回火(tempering)处理之后，粘着边缘通过震动抛光得以除去。另一种可能性是通过注射接着回火直接生产成品(保持架)。
图l说明滚动轴承,特别是具有内圈2和与它同轴设置的外圏1的滚珠轴承，其中滚珠6设置于通过根据本发明的保持架3支持的内圏2和外圈l之间。
具体实施例方式
通过以下实施例更详细地说明本发明，但是本发明要求保护的主题并不因此受限。实施例
如下制备牙科涡轮轴承用锁止保持架形式的根据本发明的保持架，并与商购保持架进行比较，该保持架来自由聚酰胺酰亚胺(Torlon⑧4000T Solvay Advanced Polymers company)和化
12学4禺联的PTFE(Dyneon/3M company的TF 2025,用具有500kGy的电子照射)组成的配混物材料
通过注射成型使配混物材料成为圆棒形。牙科涡轮轴承用锁止保持架(钻孔直径(hole diameter): 3.175mm，外径6.35mm，宽度2.779mm)的机加工在l-心轴CNC车床上进行。根据本发明的保持架在回火处理(Solvay company的标准方法)以及振动抛光设备中的去毛刺之后获得。
将根据本发明的保持架安装于涡轮轴承上并进行寿命试验。滚珠轴承作为参考轴承，其除了保持架材料之外完全相同。参考轴承的保持架材料是牙科技术中广泛分布的润滑级聚酰胺酰亚胺物理混合以石墨(12。/。)和PTFE(3o/o)(Torion⑧型4301)。
寿命试验在其中同时驱动10个试验涡轮机(牙科手机)的自动牙科试验台上进行。手机交替地负载有作用于夹持的钻具的程序化负载任务循环以及随后再卸载。对于寿命的损坏阈值是卸载状态下达到的空转速度。当不再达到一定的转速时，手机被认为损坏。
对于试验的来自具有12°/。石墨和3Q/。PTFE(Torlon⑧型4301)的聚酰胺酰亚胺的商购保持架，达到平均寿命27.3h。根据本发明的来自聚酰胺酰亚胺(Torlon⑧4000T和化学偶联的PTFE(TF2025 ,用具有500kGy的电子照射))的保持架达到平均寿命155.5h。附图标记表
1夕卜圏
2内圈
3滚动轴承保持架(特别是滚珠轴承保持架)
4盖盘
5卡环
6滚珠
7外圈轴肩
8内圏轴肩
1权利要求
1. 用于滚动轴承的保持架，其包含化学偶联含氟(共)聚合物的聚酰胺酰亚胺(PAI)和/或聚酰亚胺(PI)和/或聚醚酮(PEK)。
2. 根据权利要求l所述的保持架，其中所述含氟(共)聚合 物为聚四氟乙烯。
3. 根据权利要求1或2所述的保持架，其中所述含氟(共)聚 合物的比例为5至60质量％。
4. 滚动轴承，其包括根据权利要求1至3任一项所述的保持架。
5. 根据权利要求4所述的滚动轴承，其中所述滚动轴承为 具有内圈和与该内圏同轴设置的外圏的滚珠轴承，其中滚珠设 置于通过根据权利要求1至3任一项所述的保持架支持的内圈和 外圈之间。
6. 根据权利要求5所述的滚动轴承，其中所述保持架是带 槽滚珠轴承中的止动保持架或者角接触球轴承或心轴轴承中的 整体保持架。
7. 根据权利要求1至3任一项所述的保持架的用途，该用途 为在滚动轴岸义，特另'J在具有特征速度〈直nxdm〉l，000，OOOmm/min 的滚珠轴承中，特别是用于工业心轴轴承应用和在医疗器械中， 特别是在牙科技术中的用途。
全文摘要
本发明涉及用于滚动轴承、特别是用于滚珠轴承的保持架，还涉及具有保持架的滚动轴承以及保持架在具有特征速度值n×dm＞1,000,000mm/min的高速滚动轴承中、特别是用于工业心轴轴承应用和在医疗器械中、特别是在牙科技术中的用途。
文档编号F16C33/44GK101484715SQ200780024872
公开日2009年7月15日 申请日期2007年7月3日 优先权日2006年7月4日
发明者赫伯特·尼德迈尔, 迪特·莱曼 申请人:格布鲁德莱茵福特股份有限公司