中國(guó)粉體網(wǎng)訊 軸承作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)、精密機(jī)床、高速列車(chē)等重大設(shè)備的關(guān)鍵基礎(chǔ)部件，其性能的優(yōu)劣直接影響和決定高端裝備的精度、壽命、極限轉(zhuǎn)速、承載能力、耐溫能力、穩(wěn)定性、可靠性和動(dòng)態(tài)性能等關(guān)鍵指標(biāo)。隨著高端裝備服役工況向極端復(fù)雜化發(fā)展，基于極端工況下軸承的設(shè)計(jì)、制造和服役等關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)成為進(jìn)一步拓展高性能軸承應(yīng)用領(lǐng)域的“卡脖子”難題。
如在航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中，軸承技術(shù)代表著發(fā)動(dòng)機(jī)極限速、耐溫能力和可靠性水平，而軸承材料和技術(shù)占了90%~95%以上。由此可見(jiàn)，極端工況下服役的高性能軸承的重要性，因此，在材料性能、軸承設(shè)計(jì)、制造及服役等核心技術(shù)領(lǐng)域同時(shí)開(kāi)展研究已成為解決當(dāng)前高性能軸承“卡脖子”關(guān)鍵技術(shù)的突破口。
高性能陶瓷球軸承關(guān)鍵技術(shù)
隨著高端設(shè)備技術(shù)的發(fā)展，軸承使用環(huán)境越來(lái)越多樣化，當(dāng)前主流軸承鋼種已不能滿足發(fā)展現(xiàn)狀。陶瓷球軸承具有高硬度、高強(qiáng)度、高溫耐性、低熱膨脹系數(shù)、低摩擦系數(shù)等優(yōu)良性能，在高端設(shè)備領(lǐng)域中得以應(yīng)用。近年來(lái)，隨著材料研究深入、市場(chǎng)需求升級(jí)，陶瓷球軸承應(yīng)用場(chǎng)景不斷擴(kuò)展，目前已涉及到航天航空、衛(wèi)星、機(jī)床、汽車(chē)、半導(dǎo)體裝置、真空機(jī)械等多個(gè)領(lǐng)域。
氮化硅陶瓷軸承
高性能陶瓷球軸承作為解決軸承在極端工況下服役的核心關(guān)鍵部件，其材料制備、設(shè)計(jì)理論精密制造工藝等關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展水平對(duì)陶瓷軸承在極端工況下的服役行為起決定性作用。
01.陶瓷球軸承結(jié)構(gòu)特性
軸承服役工況及裝備需求決定了軸承結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及類(lèi)型。隨著陶瓷球軸承所覆蓋的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛，針對(duì)不同技術(shù)領(lǐng)域的極端工況已開(kāi)發(fā)出不同類(lèi)型的陶瓷球軸承。
陶瓷軸承分類(lèi)
陶瓷球軸承是指軸承圈和陶瓷球的組合，可分為混合陶瓷球軸承、全陶瓷球軸承兩大類(lèi)，其中全陶瓷球軸承是指軸承內(nèi)外圈和滾動(dòng)體均由陶瓷材料制成，混合陶瓷球軸承是指僅滾動(dòng)體零件由陶瓷材料制成。混合陶瓷球軸承標(biāo)準(zhǔn)化程度高，具有壽命長(zhǎng)、精度高、剛度高、轉(zhuǎn)速高等特點(diǎn)，可用于絕緣、無(wú)潤(rùn)滑、高速、腐蝕、真空等特殊條件下使用。
02.陶瓷球軸承材料特性
軸承級(jí)陶瓷材料主要包括氮化硅（Si3N4）、氧化鋯（ZrO2）、氧化鋁（Al2O3）等，其中Si3N4是目前陶瓷球軸承使用的標(biāo)準(zhǔn)材料。氮化硅陶瓷材料與高溫軸承鋼及其它陶瓷材料相比更具有優(yōu)異的特性，主要用于數(shù)控機(jī)床、高速精密機(jī)械中。作為一種特殊的陶瓷材料，Si3N4陶瓷制備工藝復(fù)雜，制備過(guò)程包括粉體制備、成型、燒結(jié)、精密加工等。
Si3N4陶瓷球制備與生產(chǎn)流程圖
粉體方面，氮化硅粉體的合成方法主要有硅粉氮化法和化學(xué)合成法，國(guó)內(nèi)均采用硅粉氮化法，與化學(xué)合成法制備的粉體相比，后者制備的粉體純度高、球形度好、燒結(jié)活性高、受硅原料穩(wěn)定性影響低，是制備高精度氮化硅陶瓷粉體的首選方法。
成型方面，隨著陶瓷粉體制備技術(shù)的提高，對(duì)坯體成型方法要求也越來(lái)越嚴(yán)苛，主要包括干壓成型法、塑性成型法、漿料成型法和固體無(wú)模成型法等幾大類(lèi)。長(zhǎng)期以來(lái)，長(zhǎng)疲勞壽命陶瓷球毛坯主要是COORSTEK和Toshiba主導(dǎo)。
燒結(jié)方面，影響Si3N4坯體致密化燒結(jié)因素主要是燒結(jié)助劑的選擇和用量、燒結(jié)溫度、保溫時(shí)間及燒結(jié)方法等。不同的燒結(jié)方式對(duì)粉體擴(kuò)散機(jī)制和相變過(guò)程的影響效果不同。目前，熱等靜壓法被認(rèn)為是制造氮化硅毛坯球最佳工藝，因?yàn)樵摴に囍苯舆m用于密封預(yù)成形或是燒結(jié)生產(chǎn)方法的一部分，能生產(chǎn)出100%的致密材料。
精密加工，Si3N4材料是硬度太高，這給Si3N4陶瓷球超精密研磨加工、研磨劑研制、研磨設(shè)備研發(fā)等帶來(lái)一系列技術(shù)挑戰(zhàn)，尤其是超精密Si3N4陶瓷球加工屬于世界軸承制造業(yè)公認(rèn)的技術(shù)難題。此外，世界各國(guó)的軸承精度標(biāo)準(zhǔn)是依據(jù)ISO標(biāo)準(zhǔn)制定的，我國(guó)習(xí)慣上用P來(lái)表示精度級(jí)。共有P0、P6、P5、P4、P2五個(gè)級(jí)別。P0、P6屬于低檔產(chǎn)品，P5、P4屬于精密級(jí)，P2屬于超精密級(jí)（頂端產(chǎn)品）。
03.陶瓷球軸承基本設(shè)計(jì)理論
陶瓷球軸承常用于超高速、潤(rùn)滑不充分等場(chǎng)合，對(duì)軸承的基本要求是：具有較長(zhǎng)的精度使用壽命、摩擦發(fā)熱小，剛度高，針對(duì)這些要求，在陶瓷球軸承進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：
1）陶瓷球軸承旋滾比盡可能��；
2）陶瓷球軸承剛度盡可能大；
3）陶瓷球與套圈滾道間的接觸應(yīng)力盡可能��；
4）陶瓷球軸承額定載荷盡可能大。
04.陶瓷球軸承零件精密加工技術(shù)
1、高精密陶瓷球制造關(guān)鍵技術(shù)
要制成超精密高端陶瓷球軸承，首要任務(wù)就是制造出超精密陶瓷球。其中，陶瓷球的研磨加工是制造精密陶瓷球的必不可少的環(huán)節(jié)之一。
陶瓷球精密加工關(guān)鍵技術(shù)
保證Si3N4陶瓷球超精密大規(guī)模生產(chǎn)的基本要點(diǎn)有：
Si3N4陶瓷球表面實(shí)現(xiàn)等概率磨削加工，即保證球面上每個(gè)質(zhì)點(diǎn)都有相同的研磨概率；
磨削效率具有自動(dòng)尺寸選擇性，即大球或者長(zhǎng)軸方向自動(dòng)實(shí)現(xiàn)優(yōu)先磨削；
研磨技術(shù)容易實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化低成生產(chǎn)；
目前公開(kāi)報(bào)道的各種研磨技術(shù)均無(wú)法同時(shí)達(dá)到上述三點(diǎn)要求，據(jù)報(bào)道國(guó)內(nèi)陶瓷球最高研磨精度達(dá)到G5級(jí)，大部分Si3N4陶瓷球軸承精度都在P5級(jí)以下精度。
2、陶瓷球軸承套圈控形控性制造技術(shù)
軸承套圈是軸承工作中起旋轉(zhuǎn)和支承滾動(dòng)體運(yùn)轉(zhuǎn)的零件，其加工工藝水平及精度直接影響軸承服役行為。相對(duì)于鋼制軸承套圈，陶瓷球軸承套圈的加工工藝因陶瓷材料本身硬脆特性而變得復(fù)雜。陶瓷球軸承套圈加工工藝以精密磨削、精密研磨為主，加工難度大、效率低，因此在陶瓷軸承技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用的過(guò)程中以鋼制軸承套圈與陶瓷球配合使用的混合陶瓷軸承率先得到應(yīng)用。
陶瓷軸承套圈的關(guān)鍵技術(shù)主要是圍繞軸承套圈加工過(guò)程中如何實(shí)現(xiàn)陶瓷套圈高質(zhì)量的控形控性制造為主要目標(biāo)。陶瓷軸承套圈溝道磨削產(chǎn)生溝形誤差的主要原因是砂輪外緣輪廓精度、磨削工藝、夾具和光磨時(shí)間。目前較為理想的陶瓷軸承套圈裝夾方式包括壓輥式和氣動(dòng)式；磨削工藝目前主要是切入式超精加工。
陶瓷軸承套圈溝道超精加工原理示意圖
來(lái)源：張珂等，《氮化硅全陶瓷球軸承溝道超精加工仿真與試驗(yàn)研究》
高性能陶瓷球軸承發(fā)展趨勢(shì)
現(xiàn)階段，Si3N4陶瓷球軸承已經(jīng)成為航空器APU、飛機(jī)附件機(jī)匣、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)等領(lǐng)域部分裝備的標(biāo)配軸承，隨著高端制造裝備領(lǐng)域發(fā)展過(guò)程中服役環(huán)境與工況的極端復(fù)雜化，Si3N4陶瓷球軸承發(fā)揮出更顯著的綜合性?xún)?yōu)勢(shì)。其發(fā)展趨勢(shì)與目標(biāo)也更加明確：
高性能Si3N4材料。選用高純、粒度分布集中的粉體，采用脫氧和脫碳等工藝處理，并用熱等靜壓燒結(jié)工藝，通過(guò)顯微結(jié)構(gòu)工程控制材料晶粒生長(zhǎng)趨勢(shì)，改善陶瓷表面裂紋擴(kuò)展機(jī)理。
Si3N4陶瓷球軸承設(shè)計(jì)理論。設(shè)計(jì)陶瓷球軸承時(shí)，除了需要設(shè)計(jì)基本的結(jié)構(gòu)參數(shù)外，還需要面向工況開(kāi)展表面摩擦學(xué)性能的匹配性設(shè)計(jì)、材料匹配性設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能設(shè)計(jì)、熱特性設(shè)計(jì)、潤(rùn)滑性能相容性設(shè)計(jì)和工作性能設(shè)計(jì)等，但設(shè)計(jì)理念和結(jié)果還需要進(jìn)一步驗(yàn)證。
Si3N4陶瓷球軸承零件超精密加工技術(shù)。針對(duì)陶瓷球軸承在極端工況下應(yīng)用情況，優(yōu)化對(duì)滾動(dòng)體、套圈、保持架等零部件的精密加工設(shè)備及工藝，通過(guò)對(duì)零部件表面進(jìn)行相貌精密加工，提高零部件間接觸與潤(rùn)滑性能。
Si3N4陶瓷球軸承綠色潤(rùn)滑技術(shù)。在極端工況下開(kāi)發(fā)的Si3N4陶瓷球軸承的自潤(rùn)滑性能，有效改善其潤(rùn)滑性能，同時(shí)本身及其摩擦損耗產(chǎn)物不對(duì)生態(tài)環(huán)境造成危害，將成為Si3N4陶瓷球軸承潤(rùn)滑技術(shù)的重要發(fā)展方向。
Si3N4陶瓷球軸承極端工況下服役狀態(tài)與遠(yuǎn)期性能預(yù)測(cè)。搭建智能健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是未來(lái)航空裝備技術(shù)監(jiān)測(cè)的總體發(fā)展趨勢(shì)，軸承健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)是其中最重要的一項(xiàng)，其中包括軸承的運(yùn)行健康狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)、軸承無(wú)損檢測(cè)技術(shù)和軸承可靠性評(píng)估技術(shù)。
參考來(lái)源：
李頌華等：面向極端工況的Si3N4全陶瓷軸承關(guān)鍵技術(shù)與研究進(jìn)展.軸承雜志社
張珂：氮化硅陶瓷球研磨機(jī)理分析與工藝參數(shù)優(yōu)化
張珂等：氮化硅全陶瓷球軸承溝道超精加工仿真與試驗(yàn)研究
韓光田：全陶瓷球軸承套圈溝道精密磨削與砂輪修整研究
吳承偉等：超精密高性能氮化硅軸承研究現(xiàn)狀與應(yīng)用
中國(guó)軸承協(xié)會(huì)、中國(guó)粉體網(wǎng)
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/空青）
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