陶瓷球毛坯制造新方法初探.doc

陶瓷球毛坯制造新方法初探谈国伟，潘家祯华东理工大学化工机械研究所 200237摘要：陶瓷球轴承有着金属轴承无法比拟的优越性能，并正在某些特殊领域发挥着重要作用。生产陶瓷球的方法是一个有待发展的重要技术。陶瓷球加工效率低、成本高是目前限制陶瓷球轴承应用的主要原因；陶瓷球的球度和表面质量是影响陶瓷球轴承工作性能和稳定性的主要因素。本文研究了现有的陶瓷球成型方法，并提出了一个制造陶瓷球的新方法。这种方法可以发展为一种生产大数量陶瓷球的机器。本文分析了这种新方法，讨论了新方案在生产制造过程中的一些问题。关键词：陶瓷球轴承；陶瓷球；陶瓷球成型New Method of Manufacturing Ceramic Balls Tan Guo-wei, Pan Jia-zhen(Institute of process equipment and pressure vessel, East China University of Science and Technology, Shanghai 200237, China)Abstract: The ceramics bearings have superior function that metals bearings cant compare to. They are playing important roles in some special fields. The method to produce ceramic balls is an important technique to be developing. The lapping efficiency and lapping quality including surface quality and sphericity are the two critical indicators for the lapping process, for the low efficiency and high cost have being hinder the application of ceramic balls, and the surface quality and sphericity are the key factors affecting the performance and reliability of ceramic ball bearings. This paper investigates the present forming methods of ceramic balls, and proposed a new method to manufacture ceramic balls. This method can be developed as a prototype for a larger-scale machine for production .The paper analysis the new method, discusses several questions in the manufacturing process.Keywords: Ceramics bearings; Ceramic balls; Formation of ceramic balls1. 概述1.1 背景世界上第一套陶瓷球轴承由美国NASA公司于1972年研制成功，之后，世界上各工业强国就一直在竞相研制、生产更高性能的陶瓷球轴承。他们从产业化入手，进行相应的设备、工艺、材料等一系列的开发、研制1。从陶瓷球轴承应用上看，最突出的效果是大幅度地提高了轴承的使用寿命和极限转速，为发展高速和超高速、高精密机床提供了基础零部件。生产中常用的是混合陶瓷球轴承，它的内外圈仍用轴承钢制造，只是滚珠所采用的材料为工程陶瓷，简称陶瓷球轴承。以氮化硅陶瓷球为滚动体的陶瓷球轴承可显著提高轴承接触疲劳寿命，极大拓展了滚动轴承的应用领域，已广泛应用于各种高精度、高转速机床，汽车、赛车、地铁、电机、航空发动机、石油化工机械、冶金机械等领域2。我国的陶瓷球轴承研究起步较晚，第一套陶瓷球轴承于1990年在黑龙江晶体公司问世，之后，一些大专院校和研究院所就开始了陶瓷球轴承的基础研究工作1。国内陶瓷球轴承的研发主要集中在高速、高精度上，在使用上多属高速机床、数控机床、电主轴等高速场合要求的长寿命、低噪音陶瓷球轴承。复合陶瓷球轴承中的主要重点是陶瓷球的制造。它的问题主要有两个，一是陶瓷球的制坯工艺，二是高精度陶瓷球的加工工艺。1.2 现有制造工艺介绍作为氮化硅陶瓷滚动轴承最主要部件的氮化硅陶瓷球，其制造工艺与传统的钢制轴承球加工有着本质的区别。尽管随着现代科学技术的发展，新的加工技术和方法不断涌现，但是经过近几十年的发展，氮化硅陶瓷球的制造工艺流程已基本定型。其传统的制造工艺流程如图1所示3：粉料制 备 机械加 工配料混合造 粒烧结修形成型图1 陶瓷球制造流程图3本文主要研究陶瓷球毛坯成型的方法。最常见的是粉压成型，包括干压法成型和等静压成型。它们的共同特点是都采用干粉料，在粉料中只含有很少的水分或有机粘合剂。1）干压法是一种最简单、最直观的成型方法。只要将经过造粒、流动性好的粉料，倒入球形钢模内，通过模塞施加压力，便可将粉料压制成球形坯体。一般情况下，干压法可以得到比较理想的坯体密度。由于干压成型的坯体比较密实、尺寸比较精确，烧成后收缩较小，所以其机械强度较高。但是该法的致命缺点是：它的加压方向只限于一个方向(上、下，或上下同时加压)，缺乏侧向压力，压成的氮化硅陶瓷球坯体结构具有明显的各向异性，烧结时，侧向收缩大，机械电气性能也远非各向均匀3。2）等静压成型是针对干压法制造的毛坯球结构和强度各向异性这一问题而发展起来的。该法通过液体内压力使毛坯球得到均匀的各向加压：将预压好的粉料坯体，包封于弹性的塑料或橡皮胶套内，置入一个能承受高压作用的钢筒中，用高压泵将液压流体打入筒体。胶套内的物料在各个方向受到同等大小的压力。等静压成型对模具并无特殊的要求，压力易于调节，坯体均匀致密，烧结收缩小，各向均匀一致，烧成后的产品具有高超的机械强度。缺点是设备比较复杂，操作繁琐，生产效率不高3。所以，现有的方法不是成型质量不高，就是效率低下，未实现机械化操作。由此，就有必要开发一种新方法来达到既成型效率高又成型质量好的要求。2. 新方案的提出2.1 新方案的理论背景在寻找制坯新方法中，注意到陶瓷球与中药药丸在大小尺寸是相当的，这样，可以看看中药制丸机是如何制备药丸的，以期从中获得一些启发。在现有的中药制丸机中，采用螺旋辊滚压成型最符合陶瓷球成形要求。中药制丸机有两个螺旋方向相同的搓辊，它们螺旋大径相切，见图2。搓辊的螺旋槽的法向形状为所要形成的药丸的半圆形状，药丸在两个搓辊的空间形状内成型。为了防止药丸从搓辊中掉出，药丸的底下有一根托辊，药丸的底部和托辊的螺旋大径相切，搓辊的螺旋方向和托辊的螺旋方向相反，搓辊和托辊的导程相等4。1联轴器；2齿轮；3固定支撑；4搓辊；5轴承；6滑动支撑；7药丸接收滑道；8导轨；9托辊；10锁紧螺母；11交流变频调速电机；12 药丸图2 中药制丸机的结构俯视图4从结构上可以看出螺旋槽辊带动物料作空间的多方向的转动，毛坯球在三个辊子带动下旋转的同时也被推动着沿辊子的轴向移动，就有了第二个方向的转动。这样设计的好处是显而易见的，不仅使物料球毛坯成型的球形度和结构的均匀性上得到保证，也使上面我们分析的陶瓷球毛坯机械性能各向异性的弊端在这种方法中得以避免。总结起来，该法的优点有两个：（1）要达到坯体圆整和光亮，只需要增加螺旋辊的长度，增加毛坯球的滚动时间，它不影响毛坯球的生产率。比较容易实现，对毛坯球的质量有保证。（2）让物料在多方向旋转中成型的，有利于物料在结构和机械性能上达到各向同性。在陶瓷球制造设计的新方案中必须满足以下几个条件：(1). 物料要在旋转运动中成型，可以克服物料在模压中单向性的缺点；(2). 物料是要在多方向旋转运动中成型，便于制成球形颗粒；(3). 在满足以上要求的基础上，要寻找一种效率高，产量大的方案，以降低陶瓷球的生产成本。2.2 新方案的引出螺旋槽对辊型制造球形颗粒是通过两个有着半圆形螺旋槽的搓辊与毛坯球体相外切，旋转挤压成形。除了这两个搓辊外，在它们的下面还必须有一个辊子与之配合，托住毛坯球体使其不能下落。这样需要三个辊子共同配合挟持毛坯球体，这里就是我们感兴趣的地方：能否通过其他方法来实现这一点？最好能使机构精简一些。我们注意到一点：现在螺旋槽对辊型的方法是通过辊子与毛坯球体相外切来实现滚圆成形的，从力学的角度分析，要使毛坯球体在竖直平面内处于稳定状态，就必须有三个力来挟持住它。我们可以把思维发散一下：现在用的是外切的方式，如果用内切方法将会是怎样的形式？如果是内切方式的话，我们可以想到这样一种形式，见图3，中间是一个也带有半圆形螺旋槽的搓辊，我们用一个内壁带有同样半圆形螺旋槽的套筒（称之为套辊）与之配合，从而取代对辊型这种通过三个辊子之间的外切配合。 加料口 螺杆 粉料切断 陶瓷球图3 陶瓷球毛坯制作设备初步构想示意图这种方案与原来对辊型方案比较起来所具有的优点：（1）将外切改为内切，套辊与毛坯球体之间的接触面积增大，有利于毛坯球体的成形；（2）采用这种方式，免去了其他两个辊子，机构得到了简化；（3）物料是在与外界隔离的条件下成形的，免去了与外界环境接触而致被污染的可能；（4）可以迅速提高陶瓷球毛坯的产量。在螺旋槽对辊型方案中，搓辊的半圆形槽一般是单头的，而在新方案中，可以把螺旋槽设计成多头的。（1）设计成多头可以充分利用材料和空间。见图4与图5。当减小螺距也可以充分利用材料和空间，但是，这势必会使螺旋角变小，从而带来效率降低的后果。 图4单头螺杆示意图 图5 六头螺杆示意图（2）设计成多头的可以使效率提高。若套辊与搓辊的螺旋槽都是单头的，那么，搓辊相对套辊旋转一周就只产生一个陶瓷球毛坯；若设计成双头的，那么，搓辊相对套辊旋转一周就产生了4个陶瓷球毛坯；若设计成四头的，那旋转一周的结果是产生16个陶瓷球毛坯。由此可见，此方案的生产率按螺旋槽头数平方的规律递增的,通过增加螺旋槽的头数，可以迅速提高陶瓷球的产量。在螺旋槽旋向设计时要将搓辊与套辊的螺旋槽旋向设计成相反，见图6。 图6 搓辊与套辊的螺旋槽旋向相反时示意图2.3 方案实施中碰到的问题及解决方法 在这个方案中，造粒思想是由螺旋槽对辊型造粒方法启发而来的，在大方向上是基本相同的，但在具体设计实施中出现了两个问题： （1）陶瓷粉料在造粒过程中如何在设备中切断？ （2）如何使陶瓷球毛坯在成型的过程中呈旋转滚动状态而不是与辊子之间呈滑动状态？这两个问题关系到整个设备是否能达到预期效果，下面进行一些分析和讨论。1）陶瓷粉料的切断首先看一下陶瓷粉料在被压进滚圆段后的形状，见图7，把圆筒形粉料展开成平板。从图中可以看出，各个粉料小块没有分开，它们各自与周围邻近的小块以和球坯同样半径大小的半圆柱截面相连。 图7a 粉料平板模型（仰视图） 图7b 粉料平板模型（俯视图）为了使它们各自分开，可考虑用压缩空气进行切割。物料进入滚圆段不久处，在辊子每个螺棱顶部安置一个压缩空气喷嘴。采用压缩空气来切割粉料时不会发生固体之间的碰撞。假设我们制备的是直径为10mm的陶瓷球，那么，需要切开的粉料最大厚度为5mm。同时，注意到由德国的C劳温代尔著作、陈文瑛等编译的塑料挤出这本书上介绍的QSM挤出机。QSM为德语“Quer Strom Misch”的缩写，意即“横流混合”。此挤出机机筒上有可调节销钉，该销钉从头到尾伸入螺杆螺槽5，见图8。图8 QSM挤出机结构示意图5观察QSM挤出机的结构示意图，我们从它的这种结构获得启发，可以在机筒上设置几把象销钉一样的切刀来切断物料。用切刀代替上面方案中的压缩空气喷嘴，这比较容易实现。可以考虑这两种方案的组合作为备选方案：套辊螺棱上通压缩空气，螺旋辊螺棱上设置切刀。2）陶瓷粉料小块能否滚动问题另一个重要的问题，就是如何确保陶瓷球毛坯在成型的过程中是旋转滚动状态而不是与辊子之间是相互滑动。这个问题对陶瓷球毛坯的成型很重要，因为这两个状态各自产生的陶瓷球毛坯的成型质量差异是很大的。只有在旋转滚动状态下才能制造球形颗粒。若陶瓷球毛坯处于滑动状态，它就没有翻转的动作，就无法成型。要避免这种情况的发生。通过用压缩空气来解决粉料粘连这个问题的同时，避免粉料小块处于滑动状态的问题可以一并解决。由图3可以看出，物料挤出段和滚圆段是连为一体的，压缩空气由滚圆段上离交界处不远的地方通入，空气进入滚圆腔后，它不可能经挤出段排出，挤出段已被物料封住，气体无法通过，它就只能经过滚圆段排出机筒。这些压缩空气经过滚圆段的各滚圆腔时，因空气体积比较大而滚圆腔的空间比较狭小，这必然使气流的速度很快。螺旋槽滚动时给物料带来切线方向的作用力。气流在螺旋槽中运动时有助于物料作旋转运动。3. 成圆机理讨论及主要计算3.1 成圆机理讨论 方案能否成功实施，首先看一下它的成圆机理。先看陶瓷球毛坯在成型过程中的受力情况，见图9。这里，借用工程材料6上介绍的晶向表示法来表示陶瓷球毛坯的受力方向。用“(1)”表示与坐标轴正方向相反的方向。 图9 粉料小块在滚圆腔内的受力图先看各个力是如何产生的：100这个力是螺旋辊的螺旋槽壁对粉体坯料的摩擦力，0(-1)0这个力是螺旋槽壁对粉体坯料的推力；相应地，力010与力(-0)00分别是套辊的螺旋槽壁对粉体坯料的摩擦力和推力。每对摩擦力和推力是相互垂直的。由图可见，陶瓷球毛坯的受力是成对的，它们构成力偶使坯体物料有了转动的趋势，并且，图上所标的力只有方向是固定不变的，其作用点随着毛坯体的振动翻转和空间位置的不断变化而不断变化。所以，毛坯体的旋向是不断变化的。由此可见，陶瓷球毛坯在各个力的共同作用下是作多方向的旋转运动，并且它所走的轨迹是一空间螺旋线。陶瓷球毛坯有了多方向的旋转就可以使它的各个部位不时变换着与辊子接触而得到成型，同时，加上空气流的扰动因素，促进了物料的滚动。从统计学角度来说，各部位的成型机会是均等的，这样就保证了陶瓷球毛坯的球形圆整度。因此，我们制备陶瓷球的新方案是可以滚得圆的。3.2 方案实施中的主要计算直径10mm的球体积是523.6mm3，我们可以把滚圆腔里的粉料体积计算一下，参见图8，它的体积等于一个底面直径为10mm、高10mm的圆柱体的体积。这样圆柱体的体积：V=R2H=3m3 ，（1）大概是球体积的1.5倍，这样体积相差太大了。滚圆段不可能将体积压缩得太多，所以，我们把滚圆段开始的螺旋槽宽度设计成9mm，然后渐渐扩大到球的直径大小10mm，中间放样过渡。这样底面直径为9mm、高9mm的圆柱体体积：V=R