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陶瓷材料在NSK与SKF轴承新产品中的应用与发展

关键词 陶瓷材料 , 轴承|2019-07-09 09:09:31|来源 轴承工业杂志
摘要 陶瓷材料因其特有的属性而备受轴承行业工程技术人员的青睐。国外各轴承公司非常重视陶瓷材料的应用,纷纷投入人力、物力进行研究,取得了不菲的成绩。本文以NSK和SKF陶瓷轴承新产品的研发...

洛阳LYC轴承有限公司技术中心  张艺

(本文刊登于中国轴协会刊《轴承工业》2019年第7期“技术前沿”栏目)

摘 要:

陶瓷材料因其特有的属性而备受轴承行业工程技术人员的青睐。国外各轴承公司非常重视陶瓷材料的应用,纷纷投入人力、物力进行研究,取得了不菲的成绩。本文以NSK和SKF陶瓷轴承新产品的研发为例,阐述近年来陶瓷材料在国外轴承行业中的应用与发展。

1 引言

陶瓷轴承是新工艺、新材料、新结构的一种完美的结合,广泛应用于特殊或者严苛的环境。按材料分:陶瓷轴承可以分为氧化锆陶瓷轴承、氮化硅陶瓷轴承、复合陶瓷材料轴承。按结构分:陶瓷轴承可以分为氧化锆带保持器陶瓷轴承、氮化硅带保持器陶瓷轴承、复合带保持器陶瓷轴承。一般陶瓷轴承的保持器材料以聚四氟乙烯(PTFE)作为标准配置,还可以采用玻璃纤维增强的尼龙66(GRPA66-25)、特种工程塑料(PEEK,PI)、不锈钢(SUS316、SUS304)、黄铜(Cu)等。陶瓷材料保持架因兜孔加工、成型技术等难题,现在还较少采用;针对特种使用场合又开发了无保持器的氧化锆满球全陶瓷轴承、氮化硅满球全陶瓷轴承和复合满球陶瓷轴承。

陶瓷轴承具有卓越的性能,例如:自润滑、低摩擦、高转速、耐高温、耐腐蚀、防磁、电绝缘等。陶瓷轴承运用的场合范围较广,高质量的高速陶瓷球轴承主要应用于机床行业的高速、高精度主轴、电主轴的轴承中。中等质量的陶瓷轴承在石油勘探、原油冶炼、尤其是精细化工、化纤、新能源、印染、电镀业、污水处理、海洋开发、深水泵、酸碱泵、高温、真空、核磁共振、电绝缘、医药卫生、x射线管及食品工业等诸多领域中应用广泛。

国外陶瓷材料在轴承行业的应用比较成熟,且技术发展比较领先的国家有美国、日本、德国、法国、俄罗斯、韩国、英国等十几个国家。比较成熟的产品有数控机床用陶瓷球轴承、磨床电主轴用陶瓷球轴承、机床滚珠丝杠用陶瓷球轴承等。陶瓷球体是陶瓷球轴承的核心部件,国外对陶瓷球体的研发和竞争也比较激烈。美国的norton公司采用hip法生产的陶瓷球在国际上堪称一流水平。目前世界各国研究陶瓷球轴承处于领先水平的主要公司有瑞典的SKF、德国的FAG、法国的圣戈班、日本的NSK、KOYO、NMB(美培亚)等。

本文以NSK和SKF陶瓷轴承新产品的研发与应用为例,介绍陶瓷材料在国外轴承行业的研发情况,为国内相关行业提供参考。

2 NSK陶瓷轴承的应用与发展

2.1 新产品研发情况

NSK轴承采用PEEK保持架的RXH系列混合陶瓷轴承是相对比较新的产品;是适用于下一代高速机动化主轴两端的高速圆柱滚珠轴承。通常,主轴两端的轴承都有折衷装置,可以避开热诱导轴和径向轴,NSK轴承不足以产生谐波振动或滚道磨损。RXH混合陶瓷圆柱滚子周厚层支持必要的主轴速度,能够稳固地安装以消除径向移动并允许主轴进行轴向移动。

采用SHX材料的RUBAST系列也是NSK研发的相对较新的陶瓷轴承。该产品持续操作的高速性能指数可达到3.3 x 106 dmn,这相当于70毫米轴承每分钟转47100次(1dmn是用轴承节圆直径毫米乘以主轴每分钟的转速)。SHX是一种低介在物钢,套圈热处理洛氏硬度比标准52100高碳铬合金轴承钢套圈的硬度还高,允许他们进一步发挥陶瓷滚动元素的特性。NSK指出该产品允许高精密机床以更高的速度运行,还能保持运行的温度降低,帮助在减速时消除压痕和划痕。在混合陶瓷设备中,SHX提供比52100高出四倍的疲劳强度。

NSK成功开发了可应用于各种液化气泵的高性能陶瓷球轴承。该产品采用了和内外圈材料的热膨胀系数基本相同的陶瓷球,因温度不同导致的游隙变化量非常小,适应于各种不同的液化气泵,同时具有优良的高耐磨性以及耐电蚀性能,可以延长轴承的维护周期。

NSK开发的机床用RUBAST系列陶瓷轴承,充分利用了陶瓷球的优异特性,投放市场以来,获得了市场的广泛认可。而用于电主轴的ROBUST系列陶瓷轴承,则实现了世界最高转速dmN值400万。…………(完整内容请阅读中国轴协会刊《轴承工业》2019年第7期“技术前沿”栏目P14-17)

2.2 NSK陶瓷轴承技术的特点与应用

NSK陶瓷轴承的主要特点:陶瓷滚动球体的密度比钢低,重量更是轻得多,因此转动时对外圈的离心作用可降低40%,进而大大延长使用寿命;由于陶瓷极耐腐蚀,所以NSK陶瓷滚动轴承适用于布满腐蚀性介质的恶劣环境;由于陶瓷的弹性模量比钢高,受力时不易变形,因此有利于提高工作速度,并达到较高的精度。

NSK陶瓷轴承主要应用于多水工况、弱酸或碱性工况、强酸或活性气体工况、真空工况等特殊工况(对应NSK SPACEA产品系列)。具体应用如机床主轴、电镀设备、医疗器械等领域。

3 SKF陶瓷轴承的应用与发展

3.1 新产品研发情况

SKF为高性能智能电动SUV蔚来ES 8配备陶瓷球轴承,使该款智能SUV0-100公里/小时加速时间仅需4.4秒,带来超强动力感受。实现这一点的关键是设计的优化。轴承是对电动传动系统性能产生巨大影响的重要因素之一。针对电动汽车应用,SKF陶瓷球轴承可提供卓越的性能,保障电动汽车稳定高速行驶,可使电机最高转速达到18,000rpm。得益于陶瓷球的良好绝缘性能,SKF陶瓷球轴承在电机应用中可以杜绝轴电流对轴承的损伤,保障车辆平稳行驶。目前,SKF进口轴承陶瓷球系列已被国内外知名整车制造商应用于电动汽车的牵引电机之中。作为一家拥有百年历史的知识工程企业,SKF致力于走在行业前沿,不断以客户的需求为导向。凭借其丰富的行业经验和强大的技术力量,SKF可为电动汽车应用带来丰富的产品组合和解决方案,已广泛应用于国内新能源汽车。

SKF陶瓷球轴承7009CE/HCP4ADGAVG275具有高速、承载能力强、高刚度等特点,主要适用在高速加工中心、铣床、内部磨床以及木工机床等应用场合,可靠性很高、精准度卓越。SKF为大型机器而设计和研发超大型混合陶瓷轴承---混合深沟球轴承,帮助波能装置开发商实现设备的电流绝缘,可靠性高且性能卓越。

SKF 指定工艺所生产的陶瓷材料很坚实,无任何孔隙,并具有良好的韧性。SKF混合轴承使用氮化硅材料的球或滚子,这种具有独特性能的陶瓷材料适用于高速度、高刚度、电气绝缘的应用设备。SKF混合轴承表面光洁度高、传导性低,节约了润滑剂成本,并为滚动轴承提供了多种可能。氮化硅球的密度仅为类似钢球的40%,促使轴承速度更快、重量更轻、惯性更小以及启动和停止更迅速。滚子的低摩擦系数增强了其抗磨损性,使轴承保持较低的温度;弹性系数比轴承刚度增强的钢还高50%。陶瓷球的低传导性作为内外套圈之间电流的一道屏障,提供了简单的绝缘。陶瓷球的热膨胀仅为类似钢球的29%…………(完整内容请阅读中国轴协会刊《轴承工业》2019年第7期“技术前沿”栏目P14-17)

在润滑不充分的条件下,氮化硅和钢之间不会发生沾污。这使陶瓷混合轴承寿命延长很多。陶瓷混合轴承中有能形成极薄油膜的介质(如冷冻剂润滑)时,可有较好的性能,从而能够采用无油设计,但需要谨慎设计和选择材料。

3.2 SKF陶瓷轴承技术的特点与应用

SKF陶瓷球轴承和混合陶瓷轴承技术比较成熟,产品系列也比较全。可以说,SKF将陶瓷球轴承和混合陶瓷轴承的优势发挥到了极致。SKF选出一系列油脂润滑的单列深沟球轴承,为其配备了陶瓷球,使这种轴承特别适用于空气涡轮电动机、电动机、气动电动机等场合。SKF陶瓷轴承广泛应用于极度恶劣的环境及特殊工况。

当应用场合要求的速度高于 SKF《综合轴承型录》中对油脂润滑标准深沟球轴承所规定的转速值时,就应考虑使用SKF混合陶瓷轴承。原因是氮化硅比钢的密度要低。在相同速度下,轴承中陶瓷球产生的离心力只有钢球的40%…………(完整内容请阅读中国轴协会刊《轴承工业》2019年第7期“技术前沿”栏目P14-17)

4 小结

对于SKF陶瓷轴承产品,计算混合陶瓷轴承的额定寿命时,可以利用与全钢轴承相同的寿命值。混合陶瓷轴承中陶瓷滚动体比全钢轴承中钢制滚动体的硬度和刚度都要高很多。尽管硬度和刚度的增加会在陶瓷滚动体和钢制滚道间产生高的接触应力,但现场经验和实验室试验表明两种轴承可以使用同一额定寿命。大量的经验和试验表明,在常用的机床中,混合陶瓷轴承的工作寿命明显长于全钢轴承的工作寿命。NSK陶瓷轴承产品主要是机床/数控机床用陶瓷球轴承、磨床电主轴用陶瓷球轴承、以及机床滚珠丝杠用陶瓷球轴承。这些产品都以氮化硅陶瓷材料(Si3N4)为主。

虽然陶瓷轴承有着钢制轴承无可比拟的优越性能,但是成本昂贵,目前还仅限于特殊场合应用。

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