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滚珠轴承在关键高科技领域内的前世今生

2020-07-21 00:32:06 visonbearing 1

滚珠是最古老的机械装置之一,早在公元40年的罗马船只上就开始使用它们作为轴承部件,目前,人们仍在不断开发精密滚珠的新式设计、制造技术和应用 功能。比如,用于飞机货舱的万向滚珠使用空心滚珠来减轻重量和降低燃料消耗。采用不锈钢滚珠的机械安全气囊传感器已经用于数以百万计的交通工具,从来没有 出现打开失败或错误打开的情况。同样,微型滚珠制造技术的发展,使制造商迅速提升了磁盘驱动器、牙科钻具、卫星制导系统和其它重要应用的水准。

减少飞机的重量
最近燃料价格大幅上升,而很久以前,航空货运行业就开始寻找减轻重量以节省燃料的方法,其中就包括如何减轻航空货舱的 重量。航空货舱一般装载成组装运设备(ULD),例如行业标准集装箱等。借助万向滚珠(BTU),装载人员可以在货舱内迅速装入、安放和卸下成组装运设 备。万向滚珠的滚珠位于壳体内,它们向上方突出并接触成组装运设备的下表面。一般情况下使用直径1英寸的滚珠,滚珠的顶部切点位于面板上表面以上0.25 英寸的位置。实心的1英寸滚珠重量为67克。这些滚珠一般在壳体内由一组1/8英寸的小球支撑,这些小球密封在一个外罩内。

万向滚珠在外罩内按照一定方式排列,以形成滚珠面板,这些面板使飞机载运的货物表面对齐。大型飞机的货舱内有数万个滚珠,所以重量 很大。相关方请求滚珠制造商想办法生产重量更轻,同时仍然能够承受6,000磅高峰荷载的轴承。最终的解决方案是制作一种空心滚珠轴承,其方法是将两个 440不锈钢半球结构压在一起,然后将其焊接起来。

最大的困难来自焊接操作,在此过程中必须将两个半球精确对准,然后结合在一起,使其能够承受负载并防止泄露。在滚珠焊接完毕之后, 会进行整平对接以消除焊口,进行软研磨、热加工和硬研磨达到精度公差。滚珠如果需要中等精度,则会在一个圆筒内进行翻转、清洁和钝化处理,以使其具有耐腐 蚀性。精度更高的滚珠则首先进行抛光,然后进行清洁和钝化处理。热加工工艺已经进行了改良,可以提高滚珠的表面硬度,避免出现痕迹或凹陷,并延长其使用寿 命

空心滚珠的重量只有21克,每个滚珠减少了47克或大约0.1磅的重量。与原来的实心滚珠相比,其重量少了69%。举例来说,一架 C-130H 大力神军用运输机的货舱尺寸为36英尺长9英尺宽,总面积为324平方英尺。地板表面的滚珠面板大约有40,000个滚珠,如果使用空心滚珠,大约可以减 轻4,000磅的重量。在通常情况下,通过减轻飞机重量节省的燃料约为0.0036加仑/磅/小时。因此,假设每年飞行2,000小时,减轻4,000磅 的重量每年就可以节约大概28,800加仑的燃料,按照目前喷气式飞机燃料的价格,每年可以节约43,200美元左右。空心滚珠也用于其它领域,比如需要 轻型磁滚珠的流量阀。

提高汽车的安全性
机械气囊传感器是另外一种重要的应用。在传感器中使用一个空心管来引导滚珠。通过位于管子开口端的一个弹簧将滚珠固定 就位。在传感器组装完毕之后,首先通过滚珠使弹簧产生位移,形成一个预负荷。当汽车突然减速导致滚珠突然加速冲出管子时,传感器就会触发。滚珠会克服弹簧 上的预负荷并使弹簧移位,直到其接触位于其路径上的第二个弹簧。当第一个弹簧接触第二个弹簧时,会形成一个回路,触发气囊操作。

此应用的难点在于滚珠必须能够在操作汽车的很大温度范围内与管子保持相同的间隙。因为管子首先选择了不锈钢材料,所以滚珠制造商必 须找到具有相同热膨胀系数的滚珠材料,431类不锈钢就是具有合适系数的一种材料。不过在此之前尚未有人用431不锈钢制作过滚珠,并且此应用需要严密的 公差。滚珠所需的球公差为0.000010英寸,尺寸变化为+/- 0.000010英寸,表面起伏度低于Ra 1。

52100含铬不锈钢或者440C不锈钢等材料的HRC硬度值均高于60,易于满足上述公差要。但是431不锈钢材料的HRC硬度 值只有40左右。因为材料在加工过程中容易变形,所以达到上述公差要求的难度更大。在制作滚珠的过程中,首先在一个线圈上进行冷镦头操作。这样得到的滚珠 看起来像土星,在中间环绕一个环形结构,其材料挤在两半模具中间。通过一种称为整平器的装置将这个环消去。

下一步是进行热加工,其中包括低温冷冻和回火。然后对滚珠进行研磨、表面抛光、清洁和钝化。最后进行镀金以提高这些关键部件的耐腐 蚀能力。机械气囊传感器目前已经普遍被为微机电设备所取代,不过,它们曾经为数以千万计的汽车用户提供了良好的保护功能,从来没有出现过一次故障,这一纪 录是无可比拟的。

制作更高公差等级的微型滚珠
在微型滚珠的制造领域也取得了显著的进步,这些微型滚珠用于多种计算机存储设备、医疗和牙科设备、航空设备、精密机 械、实验室仪器,用作锂离子电池中的排放管,并用于多种其它尖端设备。大型滚珠做成球型,而小于1/16英寸的微型滚珠则是用线切削的。首先要仔细检查线 的尺寸、表面层以及表面和内部是否完好,然后将线切削成圆柱形,一般每小时可以制作100,000件。

接下来将部件放到一个整平器中,位于两个铸铁盘表面之间的槽内。槽内部是不平的,可以将滚珠的突起部位拉掉。在操作过程中,一个轮 子旋转,另外一个轮子固定。固定的轮子有一个开口,可以将滚珠送入到槽内或从槽中取出来。使用一个特殊的传输带将滚珠送入到一个孔内。接下来滚珠会绕着槽 移动,然后从另外一个孔出来。在后面的操作中,它们被送回到传送带反复通过轮槽,直到滚珠变得非常圆,并且尺寸比正常尺寸略大,突起部分已经完全消失。在 整平器中清除的原料尺寸大约为0.006英寸,具体数值与滚珠的尺寸有关。得到的滚珠大于正常尺寸,这样可以在热加工后将其研磨到成品大小。

在整平之后,滚珠运动到一个滚珠研磨机器进行软研磨。在此操作中清除的原料尺寸一般为0.008英寸到0.010英寸。研磨或抛光 机器有一个固定轴或板以及一个旋转轴或板。在软研磨之后,对滚珠进行清洁和干燥,然后进行滚筒筛选操作。滚筒筛选器带有精密旋转滚筒,通过合理的布置确保 尺寸合适的滚珠能够在滚筒间穿过,而尺寸过大或过小的滚珠则会掉出来。接下来,滚珠进行热加工,以确保其具有良好的硬度,同时减少残留奥氏体,或者满足特 殊要求。

热加工后的下一步操作是硬研磨。在此操作中清除的原料尺寸大约为0.006 英寸。然后进行新一轮的清洁、干燥和滚筒筛选操作。粗抛光大约除去0.0006英寸,将其圆球度至少提高到百万分之二十五,在大多数情况下可以达到百万分 之十。根据滚珠的尺寸,可以进行筛选操作或再进行一次滚筒筛选。最终进行亮抛光操作,除去0.0002英寸的原料,将其圆球度提高到百万分之三到五。如果 要制作不锈钢滚珠,接下来还要进行圆筒清洁和钝化,然后进入离心机干燥,继而进行最终检查和测定。

大多数需要运动的设备都会使用滚珠。本文所述的精密高科技应用经常需要利用滚珠来满足轻重量,小尺寸和精密公差等特殊要求。这些滚珠的设计和制造不仅需要创造性的工程设计,而且需要非常精细的工作态度。最终得到具有高质量和高公差、能够满足应用需求的产品。


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