专利名称：：氮化硅陶瓷球轴承及其加工方法
技术领域：
：本发明涉及一种机械传动
技术领域：
内的高精度轴承，特别是用于精密、高速机床主轴的氮化硅陶瓷球轴承及其加工方法。
背景技术：
：轴承是现代机床的基础配套件，是机床加工精度指标保证的基石，其性能直接影响到机床的转速、回转精度、刚性、颤振动切削性能、噪声、温升及热变形等，进而影响到加工零件的精度、表面品质。在传统机械或一般机械中，转速主要在几百转到几千转/分钟。随着数控技术的快速发展，"复合、高速、智能、精密、环保"已成为当今机床工业技术发展的主要趋势，因为，高速加工可以有效地提高机床的加工效率、縮短工件的加工周期。现代高速加工机床，主轴速度要求达到几万转到十几万转/分钟。这就要求机床主轴及其相关部件要适应高速加工的需求，对轴承的设计提出了全新的要求。如果轴承的高速适应性不好，主轴系统的温升会很严重，甚至会烧死失效。因此，高性能的机床必须配用高性能的轴承。轴承的精度可分为P0、P6、P5、P4和P2五个等级，主轴轴承的径向跳动、端面跳动、滚动体直径不一致等形位误差会严重影响主轴系统及其加工件的精度，用于现代机床主轴上的轴承精度应为P5及其以上，而对于数控机床、加工中心等高速、高精密机床的主轴轴承，则需选用P4及其以上级高精度精密轴承。由于机床主轴轴承高精度、高速、高可靠性要求，对滚动体材料有一些特殊要求，而一般的轴承钢制滚动体轴承的转速与温升、寿命及承载能力、刚度和抗振性、噪声不能满足现代机床的要求。
发明内容为克服现有技术的不足，本发明的发明目的在于提供一种氮化硅陶瓷球轴承及其加工方法，通过采用氮化硅陶瓷球替代传统钢球作为轴承的滚动体，轴承内外圈采用先进的超音频表面淬火热处理技术，以实现轴承的高精度化，提高机床的主轴转动精度及精密部件表面以及模具切削面的质量的目的。本发明的技术方案在于轴承的外圈与内圈之间有沟槽，滚动体装在保持架的窗口内，并嵌入外圈与内圈之间的沟槽中，内圈的中心有孔，用于与轴相连，实现力的传递，其特征在于滚动体的材料为氮化硅陶瓷。实施本发明的氮化硅陶瓷球轴承的加工方法的技术方案在于外圈、内圈经冷碾、调质、粗、精车后，进行超音频表面淬火热处理，再经等温回火、粗磨、精磨、超精磨削成形。本发明在外圈与内圈之间的两端面装有多唇多腔的橡胶密封圈，橡胶密封圈外装有防尘盖。保持架的材料为高刚性工程塑料，防尘盖用磁性材料制作。本发明采用比金属球刚性更高的陶瓷球及先进的热处理、加工工艺，在提高球的精度的同时，还提高了内圈及外圈沟槽的精度以及保持器的尺寸精度，将异步振摆精度降低到了以前的l/2。通过轴承的高精度化，可提高机床的主轴转动精度及精密部件表面和模具切削面的质量，有效地实现了金属滚动体所达不到的超高速、超高精度的旋转要求。本发明与传统轴承相比，具有以下优点1、密度小可实现轴承的轻量化和高速化。2、刚性高受力后的弹性变形小，相对载荷的刚性高，大约可提高刚度15%20%，从而减轻了机床的振动。3、热膨胀系数小陶瓷材料随温度变化的尺寸变化量小，且产生的热预载较低，从而避免了过多的热量聚集成疲劳剥落失效。4、摩擦系数小工作时产生的热量较小，大大降低了传统轴承中材料和润滑剂的应力。下面结合附图对本发明作进一步描述。图1是本发明的结构示意图；图2是图1密封结构局部放大示意图。具体实施例方式如图l所示，本发明的外圈1的内径与内圈5的外径上，与滚动体6接触部位均有横截面为椭圆形或圆形的沟槽，转矩经内圈1的沟道、滚动体6、外圈5的沟道进行传递，内圈5为两个，两内圈内径尺寸互差不得大于0.004mm，外圈1、内圈5用轴承钢制作，经冷碾、调质、粗、精车后，进行超音频表面淬火热处理，再经等温回火、粗磨、精磨、超精磨削成形，采用超音频淬火技术，很好的解决了由于国产钢材存在含氧量和杂质过高的问题，工件的过渡层和淬硬层深浅难于控制，组织、硬度均匀性较差等质量问题，使产品生产达到既能采用国内钢材(使产品成本降低)，又使质量达到了国外的技术标准要求，使用自主研发的内外沟道超精专用磨床，该机床工作台回转定位精度小于1'，使用该设备，内外套圈沟道圆度误差可达到0.09iim以内，表面粗糙度能达到0.0220.05ym之间；滚动体6装在保持架4的窗口内，滚动体6为两列，也可为单列或三列，并嵌入外圈1与内圈5之间的沟槽中；内圈5的中心有孔，用于与轴相连，实现力的传递；轴向游隙l-15um;在外圈1与内圈5之间的两端面装有橡胶密封圈2和7，其外装有防尘盖3和8。伴随着数控机床主轴向高速化发展，对主轴轴承提出了高速、高刚度、低温升、长寿命的要求。而陶瓷材料(主要指Si3N4工程陶瓷)因具有密度小、弹性模量高、热膨胀系数小、耐磨、耐高温、耐腐蚀等优良性能，从而成为制造高速精密轴承的理想材料。滚动体6的材料为氮化硅陶瓷。用氮化硅陶材料替代轴承钢做为轴承的滚动体，陶瓷材料的应用突破了传统钢轴承的许多应用极限，如高速性、耐磨性、绝缘性、耐温性。常用的氮化硅陶瓷比重仅仅是钢的1/3多，因此在高速下引起的滚动体6对外圈1与内圈5的应力水平大大降低，同尺寸的轴承极限转速大幅提升；氮化硅陶瓷的硬度达1500HV，是轴承钢的一倍，耐高温达120(TC是轴承钢的6倍，这些无疑扩展了传统钢制轴承的使用范围。有效地实现了金属滚动体所达不到的超高速、超高精度的旋转要求。保持架4材料采用高刚性工程塑料，使得保持架4对油脂的劣化影响小、润滑更充分、耐热性更好，主轴轴承在高速运转时温升减小10%，同时，这种新的轴承系列在相同的边界条件下可使转速最高提升10%。这样一来，不仅尺寸精度得到提高，而且转动时离心力导致的变形也得以减小，保持架4与外圈的引导间隙也减小了一半。以机床轴径为50毫米、转速为8000rpm为例，轴承的同步振摆精度为0.8微米，异步振摆精度为0.07微米，机床主轴的同步振摆精度达到了1.1微米，异步振摆精度达到了0.15微米。高速精密机床不仅对轴承的设计和制造提出了更高的要求，并且对密封及润滑系统的研制提出了特殊要求。为了既能有效地保证轴承运转时的润滑条件，又可以尽量减少甚至防止灰尘的混入，本发明采用在外圈1与内圈5之间的两端面装有橡胶密封圈2和7，其外装有防尘盖3和8的密封结构，密封圈2和7与防尘盖3和8装配时与外圈1端面下沉0.2mm。如图2所示，1为外圈，2为橡胶密封圈，3为防尘盖，5为内圈。轴承密封采用多唇多腔的密封结构，整个密封结构由一个三唇密封圈2和一个磁性防尘盖3组成，密封圈上金属骨架外缘经过磨加工，保证了椭圆和尺寸精度，该外径与轴承外圈1孔壁过盈配合，密封圈2与外圈1之间不产生相对运动，油脂不会通过接触面缝隙渗出。防尘盖3与轴承内圈5之间也采用大过盈配合，防尘盖3随内圈一起旋转，受旋转离心力的作用，外部水、灰尘都会顺着防尘盖外端甩出去，不会进入密封圈腔内，也不会经过盈面进入轴承内腔；防尘盖3与密封圈2之间通过三个唇口接触密封，两个唇口在直径方向，另一唇口在防尘盖3端面方向，密封圈2与防尘盖3之间形成三个内腔。此结构有效的增大了产品密封空间，采用该技术从根本解决了轴承漏脂问题；防尘盖3用磁性材料制作，极大增强了防尘盖的刚性，压装后不易变形，封尘性能好。轴承内填进口"POLYREX.EM"润滑脂7%PO.5g;实现了长寿命，低温升。本发明达到的主要技术指标为1、精度等级P4;2、转速4200-10000r/min;3、刚度200-300N/um;4、寿命提高为传统轴承的3倍，是设计寿命的十倍以上5、噪音《26dB;6、摩擦力矩0.01-0.02Nm。下表是本发明与国内外现有产品主要性能的对比本发明与国内外主要性能对比<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>权利要求一种氮化硅陶瓷球轴承，外圈(1)与内圈(5)之间有沟槽，滚动体(6)装在保持架(4)的窗口内，并嵌入外圈(1)与内圈(5)之间的沟槽中，内圈(5)的中心有孔，用于与轴相连，实现力的传递，其特征在于滚动体(6)的材料为氮化硅陶瓷。2.根据权利要求l所述的氮化硅陶瓷球轴承，其特征在于保持架(4)的材料为高刚性工程塑料。3.根据权利要求1所述的氮化硅陶瓷球轴承，其特征在于在外圈(1)与内圈(5)之间的两端面装有橡胶密封圈(2)和(7)。4.根据权利要求3所述的氮化硅陶瓷球轴承，其特征在于所说的橡胶密封圈(2)和(7)为多唇多腔的密封结构。5.根据权利要求3所述的氮化硅陶瓷球轴承，其特征在于橡胶密封圈(2)和(7)外装有防尘盖(3)和(8)。6.根据权利要求5所述的氮化硅陶瓷球轴承，其特征在于所说的防尘盖(3)和(8)用磁性材料制作。7.—种权利要求l所述的氮化硅陶瓷球轴承的加工方法，其特征在于外圈(1)、内圈(5)经冷碾、调质、粗、精车后，进行超音频表面淬火热处理，再经等温回火、粗磨、精磨、超精磨削成形。全文摘要一种氮化硅陶瓷球轴承及其加工方法，用于精密、高速机床主轴。轴承外圈与内圈之间有沟槽，滚动体装在保持架窗口内，并嵌入外圈与内圈之间沟槽中，内圈中心有孔，滚动体材料为氮化硅陶瓷；外圈与内圈之间两端面有多唇多腔密封圈，其外有防尘盖；保持架材料为高刚性工程塑料，防尘盖用磁性材料制作。本发明采用氮化硅陶瓷球替代传统钢球作为轴承的滚动体及先进的超音频表面淬火热处理技术，密度小、受力后弹性变形小、相对载荷的刚性高、热膨胀系数、摩擦系数及工作时产生热量较小，在提高球精度同时，还提高了内圈及外圈沟槽精度以及保持器的尺寸精度，通过轴承的高精度化，可提高机床的主轴转动精度，还可提高精密部件表面以及模具切削面的质量。文档编号F16C33/76GK101725629SQ200810197380公开日2010年6月9日申请日期2008年10月23日优先权日2008年10月23日发明者吴少伟,尹大友申请人:湖北新火炬科技股份有限公司