CN109958715A - 一种高速滚动轴承及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高速滚动轴承及其制造方法，其结构包括：内圈、外圈、保持器和滚动体，保持器上与滚动体的接触面设置有氮化硼层。通过在保持器上与滚动体的接触面设置氮化硼层，从而使滚动体上不需涂抹润滑油或润滑脂即可起到润滑作用。使用该高速滚动轴承时，保持器上与滚动体的接触面设置的氮化硼层与滚动体的摩擦过程中磨出一些氮化硼粉末，氮化硼粉末进入轴承沟道，起到自润滑作用。本发明实施例提供的高速滚动轴承，无需涂抹润滑油或润滑脂，而且可以在无油的环境下使用，如真空、医药、溅射、航空航天、液氮泵等环境；同时，可以在温度高于530℃和低温(如零下196℃以下等)环境下使用；而且，该高速滚动轴承还防锈防腐。

Description

一种高速滚动轴承及其制造方法
技术领域
本发明涉及滚动轴承领域，尤其涉及一种高速滚动轴承及其制造方法。
背景技术
滚动轴承是将运转的轴与轴座之间的滑动摩擦变为滚动摩擦，从而减少摩擦损失的一种精密的机械元件。滚动轴承一般由内圈、外圈和滚动体构成，高速滚动轴承除内圈、外圈、滚动体之外，还包括保持器。内圈是与轴相配合并与轴一起旋转或者静止；外圈是与轴承座相配合，起支撑作用，或者轴承座与外圈一起旋转或者静止；滚动体是借助于保持器均匀的分布在内圈和外圈之间，其形状大小和数量直接影响着滚动轴承的使用性能和寿命；保持器能使滚动体均匀分布，避免滚动体之间相互摩擦。
现有的高速滚动轴承，以深沟球轴承为例，其内圈设置有外沟道，外圈设置内沟道，滚动体置于内外圈的沟道之间。不同类型的保持器稍有不同，一般采用的浪形冲压保持器。浪形冲压保持器一般包括两个带有相同数量相同半径的半球面的浪形圆环，相邻两个半球面之间设置有保持器梁，保持器梁上设置铆钉孔。装配时，两片浪形圆环的半球面一一相对设置，围成若干限定滚动体运动的兜孔，通过铆钉孔和铆钉铆住两片浪形圆环。
由于滚动体在转动过程中，滚动体与保持器之间、滚动体与内圈外沟道、外圈内沟道之间均存在摩擦，为了减轻摩擦，延长使用寿命，一般在滚动体上涂有润滑油或者润滑脂。但是，一方面，有些高速滚动轴承必须在无油环境下使用，如真空、医药、溅射、航空航天、液氮泵等环境；另一方面，当环境温度足够高或者足够低时，润滑油、润滑脂易蒸发或者炼焦或者冻死，从而失去润滑作用。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明实施例提供一种高速滚动轴承及其制造方法。
第一方面，提供一种高速滚动轴承，包括：内圈、外圈、滚动体和保持器，所述保持器上与滚动体的接触面设置有氮化硼层。
优选地，所述保持器与氮化硼层之间，还设置有过渡层。
优选地，所述过渡层包括依次设置的铬层和碳化钨层。
优选地，所述氮化硼层的厚度为0.5～50μm。
优选地，所述铬层的厚度为0.1～0.4μm。
优选地，所述碳化钨层的厚度为0.1～0.3μm。
优选地，所述高速滚动轴承的径向初始游隙为对应同型号的国标0组径向游隙的1.5～5倍。
优选地，内圈的外沟道的曲率半径与外圈内沟道的曲率半径相同，且与滚动体半径之比均在1.001～1.03之间。
第二方面，提供了上述任一所述的高速滚动轴承的制造方法，所述方法包括：
制作相互匹配的内圈、外圈、滚动体和保持器；
在所述保持器上与滚动体的接触面制备氮化硼层；
将制备了氮化硼层后的保持器与所述内圈、外圈和滚动体装配在一起。
优选地，在所述保持器上与滚动体的接触面制备氮化硼层之前，还包括：
在所述保持器上与滚动体的接触面制备过渡层。
本发明实施例提供的一种高速滚动轴承及其制造方法，高速滚动轴承的结构包括：内圈、外圈、保持器和滚动体，保持器上与滚动体的接触面设置有氮化硼层。通过在保持器上与滚动体的接触面设置氮化硼层，从而使滚动体上不需涂抹润滑油或润滑脂即可起到润滑作用。使用该高速滚动轴承时，保持器上与滚动体的接触面设置的氮化硼层与滚动体的摩擦过程中磨出一些氮化硼粉末，氮化硼粉末进入轴承沟道，起到自润滑作用。本发明实施例提供的高速滚动轴承，无需涂抹润滑油或润滑脂，而且可以在无油的环境下使用，如真空、医药溅射、航空航天、液氮泵等环境；同时，可以在温度高于530℃和低温(如零下196℃以下等)环境下使用；而且，该高速滚动轴承还防锈防腐。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种深沟球轴承的侧视图；
图2为本发明实施例提供的一种深沟球轴承的剖视图；
图3为图2中I的放大图；
图4为本发明实施例提供的一种外圈与滚动体的近曲率示意图。
具体实施方式
本发明实施例提供的一种高速滚动轴承，包括内圈、外圈、保持器和滚动体，保持器上与滚动体的接触面设置有氮化硼层。本发明中的高速滚动轴承的类型包括：深沟球轴承、圆柱滚子轴承、滚针轴承、圆锥滚子轴承、调心球轴承、调心滚子轴承、双列角接触球轴承、双列深沟球轴承、单列角接触球轴承、推力球轴承和推力滚子轴承。在具体实施过程中，不同类型的高速滚动轴承，保持器上与滚动体的接触面的位置和结构略有不同。
在本发明实施例中，通过在保持器上与滚动体的接触面设置一层氮化硼层，从而使滚动体上不需涂抹润滑油或润滑脂即可起到润滑作用。使用该高速滚动轴承时，保持器上与滚动体的接触面设置的氮化硼层与滚动体的摩擦过程中磨出一些氮化硼粉末，氮化硼粉末进入轴承沟道，起到自润滑作用。本发明实施例提供的高速滚动轴承，无需涂抹润滑油或润滑脂，而且可以在无油的环境下使用，如真空、医药、溅射、航空航天、液氮泵等环境；同时，可以在温度高于530℃和低温(如零下196℃以下等)环境下使用；而且，该高速滚动轴承还防锈防腐。
在一种可能的实施例中，为了增加氮化硼层在保持器上的附着力和耐高温低温性能，可以在保持器与氮化硼层之间，设置过渡层。在具体实施过程中，过渡层可以为依次设置的铬层和碳化钨层。当然，在具体实施过程中，也可以采用其他能提高氮化硼层在保持器上的附着力且耐高温低温的材料做过渡层，如镍、钨、钒、钼、钯、铂、碳化钛、碳化硅、碳化硼、氧化锆等一种或多种的组合。
进一步的，氮化硼层的厚度可以为0.5～50μm，铬层的厚度为0.1～0.4μm，碳化钨层的厚度为0.1～0.3μm。
为了更清楚的描述本发明，本发明实施例中，以深沟球轴承为例进行详细说明。如图1-图4所示，本发明实施例中的深沟球轴承，包括外圈1、保持器2、滚动体3和内圈4，内圈4设置外沟道41，外圈1设置有内沟道11，内沟道11与外沟道41的曲率半径相同。滚动体3置于内圈4的外沟道41和外圈1的内沟道11之间。
本实施例中，以浪形冲压保持器为例，该种保持器包括两个带有相同数量半球面21的浪形圆环，相邻两个半球面21之间设置有保持器梁22，保持器梁22上设置铆钉孔。装配时，两片圆环的半球面21一一相对设置，围成若干限定滚动体3运动的兜孔，滚动体3置于每个兜孔内支撑于内圈的外沟道41、外圈的内沟道11之间，通过铆钉孔(图中未标注)和铆钉5铆住两片浪形圆环即可。
在具体实施过程中，外圈1、滚动体3和内圈4可以采用Cr14Mo4材料制造，Cr14Mo4是高温耐腐蚀材料，其在高温状态下，具有相当高的热强度，分析其热性能曲线发现，在540℃长时间状态下，热强度达到1710MPa，冲击韧性10J/cm2，适合制造耐温530℃的高温轴承。当然，在具体实施过程中，在轴承使用温度低于530℃的环境中，根据实际温度不同，外圈1、滚动体3和内圈4也可以采用9Cr18Mo、30Cr13、20Cr13、10Cr13和W18Cr4V中一种材料或多种材料的组合制造。
保持器可以采用304不锈钢制作，304不锈钢也属于耐高温材料，适合制作保持器。在本实施例中，半球面21的内侧即为与滚动体3的接触面。如图3所示，保持器的所有半球面21内侧均设置有一层氮化硼层211。氮化硼在高温(1000℃以上)能保持物理化学性能稳定且具有润滑性。本实施例中的深沟球轴承在转动时，设置有氮化硼层的保持器，一方面保证所有的滚动体之间具有一定的固定距离，另一方面，在滚动体与保持器的相对运动过程中，保持器的半球面21内侧设置的氮化硼层与滚动体3的摩擦过程中磨出一些氮化硼粉末，氮化硼粉末进入轴承沟道，起到自润滑作用，解决了高温、低温和无油工况下深沟球轴承的润滑问题。
在本实施例中，氮化硼层的厚度可以为0.5～50μm，优选30μm。在具体实施过程中，可以根据深沟球轴承的使用环境确定氮化硼层的厚度，转速高，要求寿命长，选择上限，反之，选择下限。在具体实施过程中，当氮化硼层的厚度为15μm，深沟球轴承的寿命可以达到5000小时；当氮化硼层的厚度为30μm，深沟球轴承的寿命可以达到10000小时。
在具体实施过程中，保持器的半球面21内侧与氮化硼层211之间，可以设置过渡层212。在一种可能的实施例中，过渡层212可以为依次设置的铬层和碳化钨层，即保持器的半球面21内侧依次设置铬层、碳化钨层和氮化硼层。铬层和碳化钨层作为过渡层，有利于提高氮化硼层的附着力和耐高温性能。在具体实施过程中，铬层的厚度可以为0.1～0.4μm，碳化钨层的厚度为0.1～0.3μm。
在具体实施过程中，内圈外沟道的曲率半径与外圈内沟道的曲率半径相同。如图4所示，本发明提出近曲率结构，即：外圈的内沟道的曲面曲率半径R2(内圈的外沟道的曲面曲率半径)与滚动体的半径R1之比设置为1.001～1.03，其中，使用温度高(如在接近530℃)，要求寿命长(如达到10000小时)和使用转速较低(如20000转/分以下)的轴承，优先选择近曲率比值在1.001～1.01之间，反之，选择上限(在1.01～1.03之间)。使用近曲率结构，由于内外圈沟道在受热时有张开的趋势，不但不会卡死滚动体，还有效提高了滚动体与内外圈沟道接触强度，增大有效润滑面积和承载能力，同时轴承运转稳定性有所提高。
在一种可能的实施例中，为了配合深沟球轴承的耐高温性能和热胀冷缩效应，径向初始游隙可以设置为对应同型号的国标0组径向游隙的1.5～5倍。常规轴承在工作时，由于温度不变化或者几乎不变化，所以其游隙在工作过程中几乎不变，保持合理的间隙值，因此，常规轴承的径向游隙一般采用国标0组径向游隙。本发明实施例中的高速滚动轴承的应用环境包括高温环境，整个轴承在受热环境下，会发生热胀，消除一部分间隙，如果径向初始游隙还采用国标0组径向游隙，那么在高温状态下，势必会因为热胀将初始间隙消除，轴承卡死不能正常工作。径向初始游隙设置为对应同型号的国标0组径向游隙1.5～5倍的目的就是在额定高温环境下，依然保持和常规轴承一样的间隙，不至于卡死轴承，在具体实施过程中，使用温度高(如接近530℃)，使用转速低(如不超过2000转/分)，选上限，优先选择3～5倍，反之，选下限，优先选择1.5～3倍。以轴承的内径在大于2.5～6mm的深沟球轴承为例，国标中0组径向游隙为2～13μm，本发明实施例中的径向初始游隙可以设置为3～65μm。在本发明实施例中，轴向游隙通常按照常规与径向游隙保持一定国标关系即可。
本实施例中的深沟球轴承，通过在保持器的所有半球面内侧均设置有一层氮化硼层，使滚动体与保持器的相对运动过程中，保持器的半球面内侧设置的氮化硼层与滚动体的摩擦过程中磨出一些氮化硼粉末，氮化硼粉末进入轴承沟道，起到润滑作用，解决了高温、低温、无油工况下高速滚动轴承的润滑问题。本实施例中的深沟球轴承，可以在温度为530℃的高温环境中长期使用，也可以在温度为零下196℃的低温环境下长期使用，而且，还能保证足够的使用寿命。
当然，本发明还适用于圆柱滚子轴承、滚针轴承、圆锥滚子轴承、调心球轴承、调心滚子轴承、双列角接触球轴承、双列深沟球轴承、单列角接触球轴承、推力球轴承和推力滚子轴承。在具体实施过程中，在上述类型的高速滚动轴承的保持器上与滚动体的接触面设置一层氮化硼层即可解决高温、低温和无油工况下的润滑问题。为了增加氮化硼层在保持器上的附着力和耐高温低温性能，也可以在保持器与氮化硼层之间，设置过渡层。在此不再赘述。
基于相同的技术构思，本发明实施例还提出了一种高速滚动轴承的制造方法，该方法包括：
步骤一：制作相互匹配的内圈、外圈、滚动体和保持器。
在具体实施过程中，可以采用常规方法制作相互匹配的内圈、外圈、滚动体和保持器。以深沟球轴承为例，保持器可以采用冲压的方式制作，浪形冲压保持器的具体工艺流程为：1、备料：按照工艺计算的毛坯尺寸和排样方式，确定条料宽度，并只做条料。2、裁环：借助于落料和冲孔复合模，在压力机上冲裁，制作环毛坯。3、成形：借助于成形模在压力机上，将环状毛坯料，制作成波浪形，为整形冲压做准备。4、整形：借助于整形模，在压力机整形，以获得符合要求的几何形状。5、冲铆钉孔：借助于冲孔模和压力机在保持器梁上冲出装铆钉用的等分孔。6、清理：将工件上的毛刺、杂物等清理干净。7、酸洗：去除工件上的油和锈。8、抛光：将保持器的半球面内侧抛光，达到表面粗糙度要求。
进一步的，为了使本发明实施例中的高速滚动轴承耐高温、耐低温，在具体实施过程中，内圈、外圈和滚动体进行冷热处理，具体冷热处理的方法为：在淬火工序之后，依次进行回火温度为530℃以上的回火处理、零下100℃冷处理。在具体实施过程中，回火温度为530℃以上的回火处理可以每次2～4小时，实施1～3次，回火处理后，再进行冷处理，冷处理可以每次1～2小时，实施1～4次，以尽可能完全消除残余奥氏体。在本发明实施例中，相互匹配的内圈、外圈、滚动体和保持器是指材料、尺寸等均相互匹配的内圈、外圈、滚动体和保持器。对于在高温环境下使用的高速滚动轴承，内圈的外沟道(外圈的内沟道)与滚动体要保证适当的径向游隙，径向初始游隙可以设置为对应同型号的国标0组径向游隙的1.5～5倍。
步骤二：在所述保持器上与滚动体的接触面制备氮化硼层。
以深沟球轴承为例，本步骤中，在深沟球轴承保持器的半球面内侧制备一层氮化硼层。为了保证氮化硼层可以较好的附着力，在对保持器的半球面内侧镀膜前，需要进行预处理，将工件进行表面处理，清理油污，并清洗烘干。在具体实施过程中，可采用丙酮、乙醇等试剂对保持器进行表面处理。
在本发明实施例中，镀膜前可以将保持器梁遮挡，也可以不遮挡。当对保持器梁进行遮挡时，仅保持器的半球面内侧可以镀上膜。
在具体实施过程中，制备氮化硼层的方法有多种，可以采用磁控溅射法、电子束蒸发法、化学气相沉积等等。
以磁控溅射法制备氮化硼层为例，可以借助磁控溅射镀膜机，将氮化硼溅射到保持器的所有半球面内侧。
在一种可能的实施方式中，为了增加氮化硼层的附着力和耐高温性能，保持器的所有半球面内侧制备氮化硼层之前，还包括：在每个所述半球面内侧依次制备铬层和碳化钨层。即先在所有半球面内侧依次溅射铬和碳化钨，然后再溅射氮化硼。
在一种可能的实施方式中，将保持器放入磁控溅射镀膜机，将镀膜机内部加热至温度400～800℃，氩压0.3～0.6Pa，按照镀膜速率为溅射铬至设定厚度；然后，按照镀膜速率为溅射碳化钨至设定厚度；最后，按照镀膜速率为溅射氮化硼层至设定厚度。在具体实施过程中，铬层的镀膜速率优选碳化钨层的镀膜速率优选氮化硼层的镀膜速率优选
在具体实施过程中，镀膜结束后，可以检查溅射质量，涂防锈液。
步骤三：将制备了氮化硼层后的保持器与所述内圈、外圈和滚动体装配在一起。
以深沟球轴承为例，装配前，需要对内圈、外圈、滚动体进行消磁清洗，保持器也进行清洗、烘干；将滚动体设置在内圈的外沟道和外圈内沟道之间；装保持器，通过铆钉，将保持器的两片浪形圆环铆接。
本说明书中各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
以上所述仅是本发明的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种高速滚动轴承，包括：内圈、外圈、滚动体和保持器，其特征在于，所述保持器上与滚动体的接触面设置有氮化硼层。
2.如权利要求1所述的高速滚动轴承，其特征在于，所述保持器与氮化硼层之间，还设置有过渡层。
3.如权利要求2所述的高速滚动轴承，其特征在于，所述过渡层包括依次设置的铬层和碳化钨层。
4.如权利要求3所述的高速滚动轴承，其特征在于，所述氮化硼层的厚度为0.5～50μm。
5.如权利要求3所述的高速滚动轴承，其特征在于，所述铬层的厚度为0.1～0.4μm。
6.如权利要求3所述的高速滚动轴承，其特征在于，所述碳化钨层的厚度为0.1～0.3μm。
7.如权利要求1所述的高速滚动轴承，其特征在于，所述高速滚动轴承的径向初始游隙为对应同型号的国标0组径向游隙的1.5～5倍。
8.如权利要求1所述的高速滚动轴承，其特征在于，内圈的外沟道的曲率半径与外圈内沟道的曲率半径相同，且与滚动体半径之比均在1.001～1.03之间。
9.一种如权利要求1至8任一所述的高速滚动轴承的制造方法，其特征在于，所述方法包括：
制作相互匹配的内圈、外圈、滚动体和保持器；
在所述保持器上与滚动体的接触面制备氮化硼层；
将制备了氮化硼层后的保持器与所述内圈、外圈和滚动体装配在一起。
10.如权利要求9所述的制造方法，其特征在于，在所述保持器上与滚动体的接触面制备氮化硼层之前，还包括：
在所述保持器上与滚动体的接触面制备过渡层。
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