具有骨架结构的陶瓷滚动元件的制作方法

具有骨架结构的陶瓷滚动元件
1.相关申请的交叉引用
2.本申请要求于2020年2月4日提交的美国临时专利申请62/969,938和于2021年1月26日提交的美国专利申请17/158,297的优先权，所述美国临时专利申请和美国专利申请的全部公开内容通过参引并入本文。
技术领域
3.本公开涉及轴承滚动元件结构。更具体地，本公开涉及具有晶格内芯的滚动轴承。


背景技术：

4.轴承减少了意在相对于彼此移动的部件之间的摩擦，尤其是当力从部件中的一个部件传输至另一个部件时。在滚动元件轴承中，在两个部件中的每个部件中形成有滚道，并且滚道内容纳有一组元件，从而使部件分开。元件与滚道之间的接触主要是滚动接触而不是滑动接触，从而显著减少了相对运动的阻力。在一些应用中，滚动元件可以通过笼状件相对于彼此间隔开。滚动元件可以是滚珠、筒形滚子、锥形滚子或球形滚子。
5.根据应用，滚动元件可以由金属、陶瓷或其他材料制成。在一些应用中，陶瓷滚动元件提供了优于其钢对应物的优势。大多数陶瓷(特别是氮化硅si3n4)的密度低于钢的密度，使得零部件非常坚固且轻，从而允许良好的热耗散。它还提供在一些应用中有价值的电绝缘性能。通过减小离心力和提高系统效率，较轻的重量也在高速应用中有益。
6.当前的实心陶瓷滚动元件的主要问题是生产这种产品所需的材料成本和时间长度。典型的制造工艺包括通过将陶瓷粉末与粘结剂混合来制造坯料，然后将混合物压入到模具中。所得到的坯料可以在烧结之前进行机加工，或者直接烧结，然后通过若干处理步骤达到最终尺寸和表面光洁度。为了使陶瓷颗粒在从模具中移除之后保持其形状，需要粘结材料。尽管需要粘结材料来制造滚动元件，但是粘结材料必须在硬化过程期间被去除，以生产出具有尽可能高的颗粒密度水平的纯陶瓷产品。陶瓷硬化期间需要极热来烧掉粘结材料。更大的滚动元件需要更长的处理时间，并且更有可能因收缩而变形。
7.上述工艺的缺点是由于昂贵的材料(高达总成本的70％)和多个非常长的处理步骤(通常在150小时与500小时之间)而导致的高成本。这种高成本限制了这些产品在热或速度是关键因素的利基领域的应用。此外，由于坯料在模具中生产，因此加工成本和运送是使小批量应用的成本效益显著增加的重要因素。


技术实现要素：

8.一种用于轴承的滚动元件，该滚动元件包括连续的外壳体和位于外壳体内的晶格结构的芯部。壳体和芯部可以由陶瓷制成。壳体可以具有球形外表面。例如，芯部可以通过与外壳体一体形成结合至外壳体的内表面。
附图说明
9.图1是中空滚珠滚动元件的剖视图。
10.图2是具有晶格芯部的部分中空的滚珠滚动元件的剖视图。
具体实施方式
11.本文中描述了本公开的各实施方式。应当意识到的是，出现在不同的附图视图中的相同的附图标记标识相同或功能相似的结构元件。此外，应当理解的是，所公开的各实施方式仅是示例，并且其他实施方式可以采取各种形式和替代性形式。这些附图不一定是按比例的；一些特征可以被放大或最小化以示出特定部件的细节。因此，本文中所公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制性的，而是仅作为用于教示本领域技术人员以各种方式采用各实施方式的代表性基础。如本领域普通技术人员将理解的，参照附图中的任何一个附图所图示和描述的各种特征可以与在一个或更多个其他附图中所图示的特征组合，以产生未明确图示或描述的实施方式。所图示的特征的组合为典型的应用提供了代表性实施方式。然而，对于特定应用或实现方式，可能期望与本公开的教示相一致的特征的各种组合和改型。
12.本文中所使用的术语仅为了描述特定方面的目的，并且不意在限制本公开的范围。除非以其他方式限定，否则本文中所使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属的技术领域中的普通技术人员中的一个普通技术人员通常所理解的含义相同的含义。尽管可以在本公开的实践或测试中使用类似于或等同于本文中所描述的那些方法、装置或材料的任何方法、装置或材料，但是现在描述以下示例方法、装置和材料。
13.不论材料和几何构型如何，使用中空或部分中空的滚动元件在许多应用中提供了优点。
14.图1是图示了中空滚珠滚动元件10的剖视图。除了滚珠以外的滚动元件也可以是中空的。该滚珠包括具有内球表面14和外球表面16的壳体12。壳体必须足够厚，以承受设计负载。中空陶瓷滚动元件是特别有利的。对于给定的滚动元件直径，中空滚动元件使用显著较少的材料，从而降低了成本和质量两者。此外，将粘结材料从壳体中抽出比将粘结材料从实心元件的芯部中去除需要显著更少的时间。
15.图2是图示了具有骨架芯部18的部分中空的滚珠滚动元件10’的剖视图。骨架框架提供了额外的强度，从而增加了负载能力或者减少了给定设计负载所需的壳体厚度。在烧结过程期间，晶格中的开放空间允许粘结材料从晶格材料容易地移动至壳体的内表面，使得烧结时间相对于实心显著减少。
16.常规的模制工艺不适于制造用于图1和图2的滚珠的坯料。然而，增材制造工艺(有时称为3d打印)能够生产这些坯料。
17.尽管上面描述了示例性实施方式，但是这些实施方式并不意在对权利要求所涵盖的所有可能的形式进行描述。说明书中所使用的词语是描述性的而非限制性的词语，并且应当理解的是，在不脱离本公开的精神和范围的情况下可以做出各种改变。如先前所描述的，可以对各种实施方式的特征进行组合以形成本公开的可能未明确描述或说明的另外的实施方式。尽管各种实施方式可以关于一个或更多个期望特性被描述为提供优点或者优于其他实施方式或者现有技术的实现方案，但是本领域普通技术人员意识到的是，一个或更
多个特征或特性可以被折衷以实现取决于特定应用和实现方案的期望的整体系统属性。因此，在任何实施方式关于一个或更多个特性被描述为比其他实施方式或现有技术实现方案不那么理想的程度下，这些实施方式并不超出本公开的范围并且对于特定应用而言可能是期望的。


技术特征：
1.一种用于轴承的滚动元件，所述滚动元件包括：连续的外壳体；以及晶格结构的芯部，所述芯部位于所述外壳体内。2.根据权利要求1所述的滚动元件，其中，所述壳体和所述芯部由陶瓷制成。3.根据权利要求1所述的滚动元件，其中，所述壳体具有球形外表面。4.根据权利要求1所述的滚动元件，其中，所述芯部粘结至所述外壳体的内表面。5.根据权利要求4所述的滚动元件，其中，所述芯部与所述外壳体一体形成。

技术总结
具有晶格内部结构的轴承滚动元件提供了优于实心轴承的若干优点。具有晶格内部结构的轴承滚动元件比实心轴承轻，从而减小了离心力。对于陶瓷轴承，由于粘结材料可以容易地流动至表面附近，因此需要较少的材料，并且减少了烧结时间。具有内部晶格的元件还提供了优于中空滚动元件的优点。壳体可以更薄而不牺牲负载能力。较薄的壳体减少了在烧结期间去除粘结材料所需的时间。可以使用各种增材制造工艺来形成坯料。形成坯料。形成坯料。


技术研发人员：佩里
受保护的技术使用者：舍弗勒技术股份两合公司
技术研发日：2021.02.01
技术公布日：2022/8/19