CN110630632A - 无磁轴承、无心卡具及无磁轴承的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种无磁轴承，涉及轴承技术领域，包括：外圈、内圈、保持架和陶瓷球，外圈内径中心的周向上设置第一沟槽，内圈外径中心的周向上设置与第一沟槽配合的第二沟槽，陶瓷球通过保持架间隔的固定在第一沟槽和第二沟槽之间，其中第一沟槽的曲率系数大于第二沟槽曲率系数，第一沟槽的曲率为0.525～0.510，第二沟槽的曲率系数为0.515～0.505。本发明通过改进内圈和外圈为无磁材料并调低外圈第一沟槽和内圈第二沟槽的曲率系数，使得陶瓷球沿陶瓷球和外圈接触处法线方向的运转轨迹得到了改善，从而降低轴承振动，进而降低了高速旋转的无线充电转子振动产生的噪音。本发明还提供了加工上述无磁轴承使用的无心卡具以及上述无磁轴承的制造方法。

Description

无磁轴承、无心卡具及无磁轴承的制造方法

技术领域

本发明涉及轴承技术领域，更具体地，涉及一种无磁轴承、无心卡具以及无磁轴承的制造方法。

背景技术

电动汽车的推广使用已经成为百姓最为关注的话题之一。为促进新能源汽车的发展，解决有线充电线路的连接与维护较为繁琐，而且造价昂贵的问题，越来越多的企业开展了无线充电的技术研究，其核心原理是利用电极耦合原理，进行近距离无线传输。其中一种耦合方式为接线端耦合器通电后高速旋转，与高速旋转端配对的另一极耦合器进行耦合，在高速旋转后生成电流，该生成电流是对新能源汽车充电的最佳选择之一。

该耦合器两端转子支撑采用深沟陶瓷球无磁轴承，因该轴承在磁场耦合时不会形成涡流效益而发热，也不会产生能源消耗。但在地下车库大量安装无线充电系统后，由于深沟陶瓷球无磁轴承的结构设计和制造质量不良，高速旋转的无线充电转子会产生振动噪音，这样直接影响小区、民宅业主的休息，成为扰民的有害声源。

发明内容

为了解决车库大量安装无线充电系统后，由于深沟陶瓷球无磁轴承的陶瓷球和内外圈的结构设计和制造质量不良，高速旋转的无线充电转子会产生振动噪音技术问题，本发明提供了一种无磁轴承，采用无磁材料制造，包括：外圈、内圈、保持架和陶瓷球，外圈内径中心的周向上设置第一沟槽，内圈外径中心的周向上设置与第一沟槽配合的第二沟槽，陶瓷球通过保持架间隔的固定在第一沟槽和第二沟槽之间，其中第一沟槽的曲率系数大于第二沟槽曲率系数，且第一沟槽的曲率系数为0.525～0.510，第二沟槽的曲率系数为0.515～0.505。

在一些实施方式中，第一沟槽的曲率与第二沟槽的曲率系数比值为1.016。

进一步的，第一沟槽曲率系数为0.515，第二沟槽的曲率系数为0.507。

可选的，陶瓷球采用氮化硅材料制成。

在一些实施方式中，保持架包括保持架过梁，保持架过梁上设置有多个兜孔，保持架的内径为沿着保持架本体径向延伸的圆柱面。

进一步的，兜孔的直径为陶瓷球的1.0020～1.0030倍。

可选的，保持架采用聚醚醚酮复合材料制成。

在一些实施方式中，无磁轴承还包括设置于内圈和外圈之间，并位于陶瓷球两侧的密封圈，密封圈、内圈和外圈围成的空间内填充润滑脂。

进一步的，密封圈外径面设置挠性唇，挠性唇嵌入设置于外圈的密封槽内，密封圈的内径面与内圈间隙配合。

进一步的，密封圈的内径面周向设置第四凹槽。

进一步的，密封圈靠近陶瓷球的一侧周向上设置第五凹槽。

在一些实施方式中，内圈和外圈采用40Mn材料制成。

本发明还提供了一种无心卡具，用于将内圈或外圈固定在机床的旋转定位环上，固定座，用于将支撑机构沿旋转定位环的周向安装在机床床头的底座上；支撑机构，设置于固定座上，支撑机构包括两个支撑点，两个支撑点用于沿内圈或外圈的径向方向支撑内圈或外圈并定位内圈或外圈在旋转定位环上的位置，两个支撑点的径向支撑方向呈一预设夹角；下压机构，用于将内圈或外圈压紧在旋转定位环上,且使得内圈或外圈在旋转定位环转动时可以同步转动。

进一步的，预设夹角为直角。

在一些实施方式中，支撑机构包括第一支撑组件和第二支撑组件，第一支撑组件上设置两个支撑点中的一个，第二支撑组件上设置两个支撑点中的另一个。

进一步的，第一支撑组件和第二支撑组件均包括支撑部和与固定座连接的固定部，支撑部沿径向支撑方向位置可调的装配在固定部上。

可选的，固定部包括第一槽孔，第一槽孔的长度方向与径向支撑方向平行，支撑部通过穿过第一槽孔的第一固定件装配在固定部上；

可选的，固定部和支撑部二者中的一个设置滑轨，固定部和支撑部二者中的另一个设置与滑轨配合的滑槽，支撑部的滑动方向与径向支撑方向平行。

在一些实施方式中，固定座与底座可拆卸连接。

进一步的，固定座为圆筒结构，固定座的上端面周向方向上设置T形槽，支撑机构通过与T形槽配合的T型螺栓位置可调的装配在固定座上。

在一些实施方式中，下压机构包括下压组件和驱动组件，下压组件用于在驱动组件的驱动下压紧内圈或外圈。

可选的，下压组件包括第一支架、第二支架和两个用于对内圈或外圈施加压力的滚轮，第一支架的第一端对称设置两个滚轮，第一支架与第一端相对的第二端与驱动组件连接，第二支架的一端固定在固定座上，第二支架的另一端与第一支架的第一端和第二端之间位置铰接。

进一步的，第一支架包括连接部和对称设置在连接部上第一支撑臂和第二支撑臂，第一支撑臂和第二支撑臂远离连接部的端部各设置一个滚轮，连接部分别与第二支架铰接和驱动组件固定连接。

可选的，连接部上设置第二槽孔，第二槽孔的长度方向垂直于第一支撑臂或第二支撑臂的延伸方向，第一支撑臂和第二支撑臂通过穿过第二槽孔的第三固定件位置可调的装配在连接部上。

可选的，连接部包括第一部分和第二部分，第一部分上设置第一支撑臂和第二支撑臂，第二部分分别与第一支架铰接和驱动组件固定连接，第一部分沿第一支撑臂或第二支撑臂的延伸方向位置可调的装配在第二部分上。

在一些实施方式中，驱动组件包括第二支架、驱动件和具有球面的连接件，驱动件通过第二支架固定在固定底座上，连接件设置于驱动件和下压组件之间，连接件的球面朝向下压组件。

可选的，驱动件包括套管、螺杆和弹簧，套管与第二支架连接，螺杆贯穿套管并与套管底层螺纹连接，螺杆的一端与连接件固定连接，螺杆的另一端为驱动端，弹簧设置在套管内并纵向套设在螺杆上，弹簧一端与连接件抵接，弹簧的另一端与套管底层抵接。

本发明还提供了一种无磁轴承的制造方法，采用上述无心卡具加工内圈或外圈，包括：提供数车成型的内圈和外圈；在双端面磨床粗磨内圈和外圈的上和下两端面后，用无心磨床粗磨内圈和外圈的外径，使用内圆磨床、内沟磨床和外沟磨床，采用采用无心卡具固定内圈和外圈，粗磨内圆的内径、内圈的第二沟槽和外圈的第一沟槽；对粗磨后的内圈和外圈采用高温渗氮与淬火结合提高套圈强度、耐磨性及硬度处理；用双端面磨床细磨内圈和外圈的上和下两端面后，用无心磨床细磨内圈和外圈的外径，使用内圆磨床和内沟磨床和外沟磨床，采用无心卡具固定内圈和外圈，细磨内圈的内径和内圈的第二沟槽和外圈的第一沟槽，细磨后对内圈和外圈进行补充回火处理；补充回火后，用端面精研机精研内圈和外圈的上和下两端面，用无心磨床精磨内圈和外圈外径，用外径精研机精细内圈和外圈的外径，再用内圆磨床、内沟磨床和外沟磨床，采用无心卡具固定内圈和外圈，精磨内圈内径、内圈的第二沟槽和外圈的第一沟槽；最后用内沟道超精研机和外沟道超精研机，采用无心卡具固定内圈和外圈，超精研内圈的第二沟槽和外圈的第一沟槽；磨加工完成后，进行清洗和分选合套，在内圈和外圈中间装入保持架及陶瓷球。

陶瓷球通过保持架间隔开。

可选的，提供数车成型的内圈和外圈具体包括：将40Mn材质棒料经过固溶处理和时效处理后,经过机床加工，获得数车成型外圈和内圈。

可选的，固溶处理为将40Mn棒料在1020℃～1060℃保持15min～40min后快速冷却；和/或时效处理为将40Mn棒料在520℃～560℃条件下保持3h～4h。

可选的，高温渗氮处理为粗磨后内圈和外圈在氮气的氛围中在1000℃-1060℃保持20min～40min中。

可选的，将外圈和内圈回火处理具体为：将细磨后外圈和内圈在140～150℃回火3h～5h。

由于陶瓷球硬度比钢球的大，弹性模量是钢球的1.5倍多，而泊桑较小，所以本发明通过调低外圈的第一沟槽和内圈的第二沟槽的曲率系数，使得陶瓷球沿陶瓷球与外圈接触处法线方向的运转轨迹得到了改善，从而降低轴承振动，进而降低了高速旋转的无线充电转子振动产生的噪音。同时，由于调低了外圈的第一沟槽和内圈的第二沟槽的曲率系数，提升了陶瓷球在高速旋转时，与第一沟槽和第二沟槽的接触面积，进而减小了陶瓷球和内圈、外圈的接触应力，提升了无磁轴承的使用寿命。

同时，如图8所示，通过使用本发明提供的无心卡具，避免了机床主轴径向跳动对磨内圈、外圈沟槽和磨内圈内径加工精度的不利影响，同时排除了使用常规弹簧卡盘对工件卡紧变形造成内圈和外圈定位误差超差的技术难题，提升了加工精度，满足了无磁轴承的加工设计要求，进而降低了高速旋转的无线充电转子振动产生的噪音。

通过本发明提供的无磁轴承的制备方法，加工好的内圈和外圈尺寸精度、形位公差、表面粗糙度、轴承振动噪音均达到了98％以上合格率，而且有一定的精度储备。

附图说明

附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。

图1为本发明实施例提供的无磁轴承结构示意图；

图2为图1所示的外圈结构示意图；

图3为图1所示的内圈结构示意图；

图4为图1所示的保持架的径向方向的主视图；

图5为图1所示的保持架单个兜孔垂直于径向方向的截面图；

图6为图1所示的密封圈结构示意图；

图7为发明实施例提供的无心卡具结构示意图；

图8为图7所示无心卡具的俯视图；

图9为图8中第一支撑组件的结构示意图；

附图标记

在图1-图5中，20-内圈，10-外圈，11-第一沟槽，21-第二沟槽，12-密封槽，30-陶瓷球，40-保持架，50-密封圈，57-润滑脂，41-保持架过梁，42-兜孔；

在图6中，51-挠性唇，52-第四凹槽，53-第五凹槽，54-骨架，55-外径面，56-内径面，511-楔角，512-第三凹槽；

在图7中，61-底座，62-固定座，621-T形槽，70-支撑机构，80-下压机构，81-下压组件，811-第一支架，82-驱动组件，821-第三支架，822-驱动件，8221-套管，8222-弹簧，8223-螺杆，823-连接件，833-轴，813-滚轮，812-第二支架，843-扳手，844-偏心盘，91-旋转定位环，93-主轴；

在图8中，71-第一支撑组件，72-第二支撑组件，8112-第一支撑臂，8113-第二支撑臂，813-滚轮，621-T型槽，62-固定座，814-第三固定件，8111-连接部，81111-第一部分，81112-第二部分，81113-第二槽孔，823-连接件，92-砂轮；

在图9中，74-固定部，741-第一槽孔，73-支撑部，76-第一固定件，75-T型螺栓，621-T形槽。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

本发明实施例提供了一种无磁轴承，采用无磁材料制造，如图1所示，包括：外圈10、内圈20、保持架40和陶瓷球30。

外圈10的内径中心的周向上设置第一沟槽11，内圈20的外径中心的周向上设置与第一沟槽11配合的第二沟槽21。需要说明的是，此处外圈10的内径中心指的是内径面中心，内圈20的外径中心指的是外径面中心。具体的，如图2-3所示，外圈10和内圈20采用无磁材料制成，例如Fe—Mn—Cr—C系列奥氏体不锈钢材料，可选的，外圈10和内圈20均采用40Mn制成，40Mn在固溶状态下，基本上无磁性。在外磁场强度为15920A/m时，磁导率最大值μ_max＝1.006×10^-6H/m，具有轴承钢相同的转速特性。这种材料的切削加工和磨削性能良好，热处理后可使轴承套圈获得高硬度、高耐磨性、良好的抗不疲劳及韧性。外圈10的内径周向设置第一沟槽11，第一沟槽11设置在内径的中心位置，内圈20的外径周向上设置于第一沟槽11配合的第二沟槽21，第二沟槽21设置在外径的中心位置。第一沟槽11和第二沟槽21之间设置陶瓷球30，除配合间隙处可限制陶瓷球30延垂直于内圈20或外圈10径向方向的移动。

陶瓷球30通过保持架40均匀的间隔设置于第一沟槽11和第二沟槽21之间。具体的，如图1所示，陶瓷球30采用氧化锆(ZRO₂)或氮化硅(SI₃N₄)材料制成。陶瓷球30具有无油自润滑属性,陶瓷球30摩擦系数小,所以陶瓷球轴承具有很高的转速。可选的，陶瓷球30采用氮化硅材料制成，它的特点在密度上轴承钢球的0.4倍，硬度是轴承钢球的2.5倍，线膨胀系数不足钢球的四分之一，因此在高速旋转工作时，使用陶瓷球代替钢球，呈现出惯性离心力小，摩擦阻力和摩擦力矩小，发热量低，轴承运转温升低，温升低引起轴承配合面的间隙变化小，轴承的径向游隙趋于平稳，它反映了轴承的运转精度和运转特性十分优异。进一步的，陶瓷球30的球型误差小于0.1μm，表面粗糙度Ra平均值小于0.005μm，单粒振动值平均小于31dB。外圈10的第一沟槽11与内圈20的第二沟槽21的沟径与陶瓷球30配合的径向游隙为0.006MM～0.015MM。

保持架40用于与第一沟槽11和第二沟槽21配合使陶瓷球30等距排列在内圈20和外圈10之间。具体的，如图4-5所示，保持架40包括保持架过梁41和设置于保持架过梁41上的多个兜孔42，保持架40的内径为沿着保持架过梁41径向延伸的圆柱面。兜孔42的数量与陶瓷球30的数量相等。保持架40采用耐磨和耐高温材料制成，例如聚醚醚酮复合材料，它的密度是1.51，是钢制保持架40的五分之一，在法定载荷下，其接触应力是钢制保持架40的四分之一，摩擦系数小，而且耐高低温的性能良好，可适应-55℃～200℃的工作温升。可选的，聚醚醚酮复核材料可以为聚醚醚酮基玻璃纤维复合材料，亦可以为聚醚醚酮基石墨复合材料。进一步的，兜孔42的直径为陶瓷球30直径的1.0020～1.0030倍。可选的，兜孔42的直径为陶瓷球30直径的1.0025倍。与钢球相比，减小兜孔42的直径可以使兜孔42和陶瓷球30低的膨胀系数相匹配，还可以进一步缩小陶瓷球30在沿着保持架40周向上的位移，从而进一步的减少了转子在高速旋转下的震动，降低了转子高速转动产生的噪音。实验证明，采用聚醚醚酮基玻璃纤维复合材料制备的保持架40比其他金属和有涂层的保持架摩擦系数都小。

在本实施例中，第一沟槽11的曲率系数大于第二沟槽21曲率系数，其中，第一沟槽11的曲率系数为0.525～0.510，第二沟槽21的曲率系数为0.515～0.505。可选的，第一沟槽11曲率系数为0.515，第二沟槽21的曲率系数为0.507。

进一步的，第一沟槽11的曲率系数与第二沟槽21的曲率系数比值为1.016。

在常规的深沟球轴承中，外圈10的沟槽的的曲率系数一般为0.530，内圈20的沟槽的曲率系数一般为0.520，钢球与外圈10和内圈20可以达到等接触应力。但是由于陶瓷球30的膨胀系数低，泊桑较小，在常规系数下，陶瓷球30和内圈20、外圈10接触面积较小，会产生法向方向的位移。因此转子转动时，震动会较大。本实施例，通过调低第一沟槽11的曲率系数大于外圈10曲率系数，使其与陶瓷球30的泊桑相匹配，陶瓷球30沿法线方向的运转轨迹得到了改善，从而有利于降低轴承振动。同时，由于陶瓷球30沿法线方向的运转轨迹得到了改善，使得陶瓷球30和内圈20、外圈10的接触应力保持不变，提升了无磁轴承的寿命提高。实验表明，轴承转速高于15000r/min时，本实施例中的提供的无磁轴承的使用寿命高于钢球轴承寿命1.5～2倍多。无磁轴承的外圈10和内圈20与陶瓷球30相匹配，既可以使轴承增强承受负荷的能力，又可以使轴承在高速运转中发挥陶瓷球质轻、摩擦系数小，具有提升转速的诸多优点，所以两者结合可以做到优势互补。

实施例二

本实施例提供了一种无磁轴承，除了包括实施例一提供的无磁轴承，还包括设置于内圈20和外圈10之间，并位于陶瓷球30两侧的密封圈50。

密封圈50为两个，在两个密封圈50、内圈20和外圈10围成的空间内填充润滑脂57，进而提升轴承的寿命，同时也可以防止转子在高速转动下的振动。具体的，如图1和图6所示，密封圈50可采用丁晴橡胶、丁基胶或三元乙丙橡胶制成。可选的，密封圈50采用三元乙丙烯酯制成。密封圈50的外径面55设置挠性唇51，密封圈50的内径面56与内圈20的外径间隙配合。外圈10的内径周向设置密封槽12，密封槽12位于第一沟槽11的两侧。挠性唇51可以嵌入到密封槽12内，进而密封圈50限位在内圈20和外圈10之间。挠性唇51靠近陶瓷球30的一侧具有楔角511，楔角511有利于密封圈50卡入到密封槽12内。进一步的，挠性唇51远离陶瓷球30的一侧设置第三凹槽512。第三凹槽512的截面为梯形、半圆形等，在此不做限定。第三凹槽512增加了挠性唇51的可挠性，进而第三凹槽512有利于密封圈50安装时挠性唇51沿着密封圈50的径向方向收缩。

润滑脂57填充在密封圈50、内圈20和外圈10围成的空间内。如图1所示，润滑脂57可以减少陶瓷球30、内圈20、外圈10和保持架40之间的摩擦。在轴承转速为15000-20000r/min时，润滑脂57采用30％-40％比例的合成润滑脂为宜。

进一步的，如图6所示，密封圈50的内径面56周向设置第四凹槽52，第四凹槽52可以储存更多的润滑脂57，防止润滑脂57的溢出。同时，降低密封圈50和内圈20外径摩擦，同时提升密封圈50的密封性。第四凹槽52设置在密封圈内径面56的中间位置。第四凹槽52的截面为近似半椭圆形。

进一步的，如图6所示，密封圈50还包括第五凹槽53，第五凹槽53设置于密封圈50靠近陶瓷球30的一侧周向上，第五凹槽53的截面为梯形、半圆形等，在此不做限定。第五凹槽53用于储存润滑脂57，同时增加密封圈50整体结构的可挠性。第五凹槽53的深度根据实际需求确定。

可选的，为了增强密封圈50的强度，如图6所示，可以在密封圈50内设置骨架54。骨架54可以采用不锈钢等高硬度的弹性材料制成。

本实施例通过在内圈20和外圈10之间设置密封圈50，可以保护轴承内油脂不受外界灰尘、杂质的污染。同时降低陶瓷球30、内圈20和外圈10等结构之间的摩擦，提升无磁轴承寿命。

实施例三

常规的轴承钢制外圈或内圈的沟槽加工是通过电磁卡具将外圈或内圈固定在机床的旋转定位环91上，然后利用砂轮92进行磨削。但由于外圈10和内圈20采用无磁材料，无法使用电磁卡盘。同时，由于采用弹簧卡盘受主轴93径向跳动的影响，使得外圈10的第一沟槽11及内圈的第二沟槽21、内圈内径在磨加工过程中很难保证加工精度。从而造成无磁轴承的制造质量不良，无法满足无磁轴承的质量要求。

经过反复研究，本发明实施例还设计制造了一种无心卡具，用于将内圈或外圈固定在机床的旋转定位环91上，如图7、图8和图9所示，包括固定座62、下压机构80和支撑机构70；固定座62用于将支撑机构70沿旋转定位环的周向安装在机床床头的底座61上；支撑机构70设置于固定座62上，支撑机构70包括两个支撑点731，两个支撑点731用于沿内圈或外圈的径向方向支撑内圈或外圈并定位内圈或外圈在旋转定位环91上的位置，两个支撑点支撑方向呈一预设角度。在径向靠两支撑点定位后，下压机构80，将内圈或外圈压紧在旋转定位环91上,且使得内圈或外圈在旋转定位环91转动时可以同步转动，其中支撑方向为图8的A方向。

固定座62用于将支撑机构70固定在机床床头底座61上，并沿着旋转定位环91的周向布置。固定座62可以围绕整个旋转定位环91设置，亦可以根据加工工件加工过程中需要支撑的位置定点设置，在此不做限定。具体的，如图7，图9所示，固定座62的可拆卸的装配在底座61上。进一步的，固定座62的上端面周向上设置T型槽621，支撑机构70通过与T形槽621配合的T型螺栓75固定在固定座62上。通过调整支撑机构70在固定座62周向上的设置位置以适应不同尺寸的工件，提升无心卡具的适用范围。

支撑机构70设置于固定座62上。两个支撑点731沿内圈或外圈的径向方向支撑工件。两个支撑点731的支撑方向呈一预设夹角，预设夹角可以为钝角、直角或锐角，例如预设夹角为30°～180°(不包括180°)。换句话说，两个支撑点的支撑方向不同线。可选的，预设夹角为直角。支撑点731为支撑机构70上两个凸起。具体的，如图9所示，支撑机构包括第一支撑组件71和第二支撑组件72。第一支撑组件71上设置两个支撑点731中的一个，第二支撑组件72上设置两个支撑点731中的另一个。第一支撑组件71和第二支撑组件72可以通过T形螺栓75固定在固定座62的T形槽621内。

进一步的，如图9所示，第一支撑组件71和第二支撑组件72均包括支撑部73和与固定座62连接的固定部74，支撑部73沿支撑方向位置可调的装配在固定部74上。固定部74与固定座62连接的固定面上设置螺孔，固定部74通过T形螺栓固定在固定座62上。进一步的支撑部73支撑点731材料为硬质合金，可选的材料为氮化硅或氧化锆陶瓷，以防止支撑部73的支撑点731因磨损引起的加工偏差。

作为一种可行的实施方式，如图9所示，固定部74包括第一槽孔741，第一槽孔741的长度方向与径向支撑方向平行，支撑部73通过穿过第一槽孔741的第一固定件76装配在固定部74上。通过调整第一固定件76在槽形孔的位置，来调整支撑部73沿径向支撑方向与工件的间的相对距离，以适应不同工件的加工需求。同时，通过调整第一支撑组件71和第二支撑组件72的支撑位点，保证工件的定位精度。具体的，支撑部73上设置螺孔，第一固定件76为螺栓，通过调松螺栓，调整支撑部73在第一槽孔741的位置后，旋紧螺栓，实现支撑部73固定。

作为另一种可行的实施方式，固定部74和支撑部73二者中的一个设置滑轨，固定部74和支撑部73二者中的另一个设置与滑轨配合的滑槽，支撑部73的滑动方向与径向支撑方向平行，同样可以实现第一槽孔741技术方案的技术作用。

在一些实施方式中，如图7和图8所示，下压机构80包括下压组件81和驱动组件82，下压组件81用于在驱动组件82的驱动下压紧内圈或外圈。

在一些实施方式中，下压组件81包括第一支架811、第二支架812和两个用于对内圈或外圈施加压力的滚轮813。第一支架811的第一端对称设置两个滚轮813，第一支架811与第一端相对的第二端与驱动组件82，第一支架第一端和第二端的之间位置与第二支架812铰接。可选的，下压组件还可以包括轴833，轴833设置在第一支架811的下方，第二支架812的顶端与轴833的尾部用铰链连接，轴833的头部与驱动组件82连接。需要说明的是，两个滚轮813的间距与待加工工件的直径相当，这样在滚轮813施压在工件的上端面时，滚轮813的滚动方向与工件旋转的切向方向平行，可以减轻滚轮813的磨损。同时，通过更换第二支架812可以调整加工工件的高度。

具体的，第一支架811包括连接部8111和垂直设置在连接部8111上第一支撑臂8112和第二支撑臂8113，第一支撑臂8112和第二支撑臂8113远离连接部8111的端部各设置一个滚轮813，连接部8111分别与第二支架812铰接和驱动组件82固定连接。第一支撑臂8112和第二支撑臂8113与连接部8111构成近似Y形状。

可选的，如图8所示，连接部8111上设置第二槽孔81113，第二槽孔81113的长度方向垂直于第一支撑臂8112或第二支撑臂8113的延伸方向，第一支撑臂8112和第二支撑臂8113通过穿过第二槽孔81113的第三固定件814间距可调的装配在连接部8111上。具体的，在连接部8111安装第一支撑臂8112和第二支撑臂8113的位置各开设两个第二槽孔81113，第一支撑臂8112和第二支撑臂8113对应位置开设螺孔，第三固定件814为螺栓，根据工件尺寸调整第一支撑臂8112和第二支撑臂8113之前的间距，然后通过第三固定件814经第一支撑臂8112和第二支撑臂8113固定在连接部8111上。

可选的，如图8所示，连接部8111还可以包括第一部分81111和第二部分81112，第一部分81111上设置第一支撑臂8112和第二支撑臂8113，第二部分81112分别与第一支架811铰接和驱动组件82固定连接，第一部分81111沿第一支撑臂8112或第二支撑臂8113的延伸方向位置可调的装配在第二部分81112上。具体的，第一部分81112上设置螺孔，根据工件的尺寸，选择合适安装孔，用螺栓将第一部分81111固定在第二部分81112上。需要说明的，第一部分81111上也可以设置第三槽孔，通过第三槽孔调整第一部分81111在第二部分81112的安装位置，在此不做具体限定。

在一些实施方式中，驱动组件82包括第三支架821、驱动件822和具有球面的连接件823，驱动件822通过第三支架821固定在固定座62上，连接件823设置驱动件822和下压组件81之间，连接件823的球面朝向下压组件81。具体的，如图7所示，驱动件822包括套管8221、螺杆8223和弹簧8222，套管8221与第三支架821连接，螺杆8223贯穿套管8221并与套管8221底层螺纹连接，螺杆8223的一端与连接件823固定连接，螺杆8223的另一端为驱动端，弹簧8222设置在套管8221内，纵向套设在螺杆8223上，弹簧8222一端与连接件823抵接，弹簧8222的另一端与套管8221底层抵接。进一步的，螺杆8223的驱动端与机床上的偏心盘844连接，偏心盘845上设置扳手843，用扳手843和偏心盘844可拉动螺杆8223，使螺杆8223前、后移动，当螺杆8223后移时，会使弹簧8222处于压缩状态，此时下压组件81的滚轮813在图7所示位置向外脱开工件，这样加工好的套圈即可卸下，同时将另一套圈安装在支撑机构70上，松开机床扳手843靠弹簧恢复自由状态。即使下压组件81的滚轮813将工件压紧，在图示位置即可进行磨削加工。需要说明的是，螺杆8223和连接件823可以为一体结构，也可以为分体的结构，在此不做限定，当螺杆8223和连接件823为分体结构时，二者之间可拆卸连接，连接方式具体可以为螺纹连接等。

本实施例以加工外圈的第一沟槽为例说明无心卡具使用方法：

首先将外圈放置到与主轴93同心旋转的定位环上，然后调正两支撑点，使外圈中心略微偏离主轴93中心，即外圈中心位于第一象限，当调正好第一支撑组件71和第二支撑组件72相对位置后，下压结构80向下运动，通过滚轮813对外圈的上端面施压。外圈在第一支撑组件71和第二支撑组件72的支撑上旋转时会产生摩擦力，同时外圈有自重力，在外圈偏心旋转时会产生扭矩，当磨削工件会有磨削抗力，但无论是外圈空转还是处与磨削状态下，以上这些力的合力方向总是朝向两个支撑点中间，俗称夹持力。因此外圈在夹持力的作用下，会在两个支撑点上稳定的旋转，因此也可以正常的进行磨削加工。

本实施例通过将工件偏心设置在旋转定位环91上，工件旋转产生的偏心扭矩正好位于支撑机构70的两个支撑点731的中间位置，使得工件产夹持力，进而使工件达到稳定的旋转，同时可进行稳定的磨削，这样就解决了无磁轴承不能使用电磁卡盘同时使用定心式弹簧卡盘产生主轴93径向跳动给工件带来加工精度不良的问题，同时本实施例提供的无心卡具在支承压紧工件时，由于两个径向支撑无夹紧力，而轴向压紧是采用滚轮和工件在相对旋转滑动摩擦的状态下压紧的，其压紧力非常小，又是可控的，所以不存在工件卡紧变形的问题。因此它提升了工件的定位精度，进而又保证了工件可以获得较高的加工精度。

实施例四

本实施例提供了一种无磁轴承的制造方法，包括：

S110，提供数车成型的内圈和外圈；

具体的，将40Mn材质棒料，固溶处理和时效处理后，40Mn棒料经过数车成型，得到洛氏硬度(HRC)28～43的数车成型内圈和外圈。

进一步的，固溶处理条件为将数车成型外圈加热到1020℃～1060℃保持15min～40min后快速冷却。优选的，固溶处理时间为20min；时效处理条件为在520℃～560℃条件下保持3h～4h。经过时效处理后，使合金元素溶入固溶体中，从而增强套圈的韧性和抗冲击性和抗疲劳性，进而提升无磁轴承的使用寿命。

S120，在双端面磨床上粗磨外圈的上和下两端面后，用无心磨床粗磨内圈和外圈的外径，使用内圆磨床、内沟磨床和外沟磨床，采用所述的无心卡具固定内圈和外圈，粗磨内圈内径、内圈的第一沟槽和外圈的第一沟槽；

S130，对粗磨后的内圈和外圈采用高温渗氮与淬火结合提高套圈强度、耐磨性及硬度处理；

具体的，高温渗氮条件为在1000℃以上在氮气的氛围中保持半小时。经过高温渗氮与淬火结合处理后，得到洛氏硬度HRC为62～64的外圈和内圈，即提高内圈和外圈的强度、耐磨性及硬度。在本实施例中，由于40Mn材料的熔点较高，所以高温渗氮时可以采用较高的温度，大大缩减了高温渗氮的时间，提升了生产效率。

S140，用双端面磨床细磨内圈和外圈的上和下两端面后，用无心磨床细磨内圈和外圈的外径，使用内圆磨床、内沟磨床和外沟磨床，采用所述的无心卡具固定内圈和外圈，细磨内圈的内径、内圈的第二沟槽和外圈的第一沟槽，细磨后对内圈和外圈进行补充回火处理；

具体的，补充回火处理为在140～150℃间补充回火处理3～5h。

S150，补充回火后，用端面精研机精研内圈和外圈的上和下两端面，用无心磨床精磨内圈和外圈的外径，用外径精研机精研内圈和外圈的外径，使用内圆磨床、内沟磨床和外沟磨床，采用所述的无心卡具固定内圈和外圈，精磨内圈的内径、内圈的第二沟槽和外圈的第一沟槽，通过内沟道超精研机和外沟道超精研机，采用所述的无心卡具固定内圈和外圈，超精研内圈的第二沟槽和外圈的第一沟槽；

S170，在清洗后分选合套，在内圈和外圈中间装入保持架及陶瓷球，所述陶瓷球通过保持架间隔开。

具体的，用超声波清洗机清洗外圈和内圈，在分选第一沟槽和第二沟槽的尺寸后，将保持架放入中间，将筛选合格的陶瓷球装入到外圈的第一沟槽和内圈的第二沟槽中间的保持架中。合套后进行径向游隙检查，以确定外圈的第一沟槽、内圈的第二沟槽和选定的陶瓷球尺寸相匹配。

进一步的，无磁轴承还包括密封圈，无磁轴承的制造方法还包括：

S180，在陶瓷球和保持架的一侧安装密封圈；

S190，用注脂机定量装入润滑脂；

S200，在陶瓷球和保持架的另一侧安装密封圈；

S210，用匀脂机匀脂处理。

经过以上步骤，再进行成品无磁轴承的径向游隙、内径跳动、外径跳动和内圈端面跳动、轴承振动速度和振动加速度振动值检查，符合要求的无磁轴承在防锈处理后装箱入库。

如表一所示，通过本实施例提供的无磁轴承制备方法，加工好的内圈和外圈在尺寸精度、形位公差、表面粗糙度、轴承振动噪音方面均达到了100％合格，而且有一定的精度储备，由此说明，优化加工工艺的确定和安排是合理的。

表一、经过本实施例提供的无磁轴承制造方法生产的无磁轴承的参数。

在本发明的描述中，需要理解的是，所说的“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (27)

1.一种无磁轴承，采用无磁材料制造，其特征在于，包括：外圈、内圈、保持架和陶瓷球，所述外圈内径中心的周向上设置第一沟槽，所述内圈外径中心的周向上设置与所述第一沟槽配合的第二沟槽，所述陶瓷球通过所述保持架间隔固定在所述第一沟槽和所述第二沟槽之间，其中所述第一沟槽的曲率系数大于所述第二沟槽曲率系数，且所述第一沟槽的曲率系数为0.525～0.510，所述第二沟槽的曲率系数为0.515～0.505。

2.根据权利要求1所述的无磁轴承，其特征在于，所述第一沟槽的曲率与所述第二沟槽的曲率系数比值为1.016。

3.根据权利要求1所述的无磁轴承，其特征在于，所述第一沟槽曲率系数为0.515，所述第二沟槽的曲率系数为0.507。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的无磁轴承，其特征在于，所述保持架包括保持架过梁，所述保持架过梁上设置有多个兜孔，所述保持架的内径为沿着所述保持架本体径向延伸的圆柱面。

5.根据权利要求4所述的无磁轴承，其特征在于，所述兜孔的直径为所述陶瓷球的1.0020～1.0030倍

6.根据权利要求1所述的无磁轴承，其特征在于，还包括设置于所述内圈和所述外圈之间并位于所述陶瓷球两侧的密封圈，所述密封圈、内圈和外圈围成的空间内填充润滑脂。

7.根据权利要求6所述的无磁轴承，其特征在于，所述密封圈外径面设置挠性唇，所述挠性唇嵌入设置于所述外圈的密封槽，所述密封圈的内径面与所述内圈间隙配合。

8.根据权利要求6所述的无磁轴承，其特征在于，所述密封圈的内径面周向设置第四凹槽。

9.根据权利要求6所述的无磁轴承，其特征在于，所述密封圈靠近所述陶瓷球的一侧周向上设置第五凹槽。

10.根据权利要求1所述的无磁轴承，其特征在于，所述内圈和外圈采用40Mn材料制成。

11.一种无心卡具，用于将内圈或外圈固定在机床的旋转定位环上，其特征在于，包括固定座、下压机构和支撑机构；

所述固定座，用于将所述支撑机构沿所述旋转定位环的周向安装在机床床头的底座上；

所述支撑机构，设置于所述固定座上，所述支撑机构包括两个支撑点，两个所述支撑点用于沿内圈或外圈的径向方向支撑所述内圈或外圈并定位所述内圈或外圈在所述旋转定位环上的位置，所述两个支撑点支撑方向呈一预设角度；

所述下压机构，用于将所述内圈或外圈压紧在所述旋转定位环上,且使得所述内圈或外圈在所述旋转定位环转动时可以同步转动。

12.根据权利要求11所述的无心卡具，其特征在于，所述预设角度为直角。

13.根据权利要求11所述的无心卡具，其特征在于，所述支撑机构包括第一支撑组件和第二支撑组件，所述第一支撑组件上设置两个所述支撑点中的一个，所述第二支撑组件上设置两个所述支撑点中的另一个。

14.根据权利要求13所述的无心卡具，其特征在于，所述第一支撑组件和第二支撑组件均包括支撑部和固定部，所述固定部连接在所述固定座上，所述支撑部沿所述径向支撑方向位置可调的装配在固定座上。

15.根据权利要求14所述的无心卡具，其特征在于，所述固定部包括第一槽孔，所述第一槽孔的长度方向与所述支撑方向平行，所述支撑部通过穿过所述第一槽孔的第一固定件装配在所述固定部上；

或者所述固定部和支撑部二者中的一个上设置滑轨，所述固定部和支撑部二者中的另一个上设置与所述滑轨配合的滑槽，所述支撑部的滑动方向与所述径向支撑方向平行。

16.根据权利要求11-15任一项所述的无心卡具，其特征在于，所述固定座与所述底座可拆卸连接。

17.根据权利要求11-15任一项所述的无心卡具，其特征在于，所述固定座为圆筒结构，所述固定座的上端面周向方向上设置T形槽，所述支撑机构通过所述T形槽配合的T型螺栓位置可调的装配在所述固定座上。

18.根据权利要求11-15所述的无心卡具，其特征在于，所述下压机构包括下压组件和驱动组件，所述下压组件用于在所述驱动组件的驱动下压紧所述内圈或外圈。

19.根据权利要求18所述的无心卡具，其特征在于，所述下压组件包括第一支架、第二支架和两个用于对所述内圈或外圈施加压力的滚轮，所述第一支架的第一端对称设置两个所述滚轮，所述第一支架与第一端相对的第二端与所述驱动组件连接，所述第二支架的一端固定在所述固定座上，所述第二支架的另一端与所述第一支架的第一端和第二端之间位置铰接。

20.根据权利要求19所述的无心卡具，其特征在于，所述第一支架包括连接部和垂直设置在所述连接部上第一支撑臂和第二支撑臂，所述第一支撑臂和第二支撑臂远离所述连接部的端部各设置一个所述滚轮，所述连接部分别与所述第二支架铰接和所述驱动组件固定连接。

21.根据权利要求20所述的无心卡具，其特征在于，所述连接部上设置第二槽孔，所述第二槽孔的长度方向垂直于所述第一支撑臂或第二支撑臂的延伸方向，所述第一支撑臂和第二支撑臂通过穿过所述第二槽孔的第三固定件间距可调的装配在所述连接部上。

22.根据权利要求20所述的无心卡具，其特征在于，所述连接部包括第一部分和第二部分，所述第一部分上设置所述第一支撑臂和第二支撑臂，所述第二部分分别与所述第一支架铰接和所述驱动组件固定连接，所述第一部分沿所述第一支撑臂或第二支撑臂的延伸方向位置可调的装配在所述第二部分上。

23.根据权利要求18所述的无心卡具，其特征在于，所述驱动组件包括第二支架、驱动件和具有球面的连接件，所述驱动件通过所述第二支架固定在所述固定座上，所述连接件设置于所述驱动件和下压组件之间，所述连接件的球面朝向所述下压组件。

24.根据权利要求23所述的无心卡具，其特征在于，所述驱动件包括套管、螺杆和弹簧，所述套管与第二支架连接，螺杆贯穿所述套管并与套管底层螺纹连接，螺杆的一端与所述连接件固定连接，螺杆的另一端为驱动端，所述弹簧设置在套管内并纵向套设在螺杆上，弹簧一端与连接件抵接，弹簧的另一端与套管底层抵接。

25.一种无磁轴承的制造方法，其特征在于，采用权利要求11-24任一项所述的无心卡具加工内圈和外圈，包括：

提供数车成型的内圈和外圈；

在双端面磨床上粗磨的外圈上和下两端面后，用无心磨床粗磨内圈和外圈的外径，使用内圆磨床和内沟磨床和外沟磨床，采用所述的无心卡具固定内圈和外圈，粗磨内圈的内径、内圈的第二沟槽和外圈的第一沟槽；

对粗磨后的内圈和外圈采用高温渗氮与淬火结合提高套圈强度、耐磨性及硬度处理；

用双端面磨床细磨内圈和外圈的上和下两端面后，用无心磨床细磨内圈和外圈外径，使用内圆磨床和内沟磨床和外沟磨床，采用所述的无心卡具固定内圈和外圈，细磨内圈的内径、内圈的第二沟槽和外圈的第一沟槽，细磨后对内圈和外圈进行补充回火处理；

补充回火后，用端面精研机精研内圈和外圈的上和下两端面，用无心磨床精磨内圈和外圈的外径，用外径精研机精研内圈和外圈的外径，使用内圆磨床、内沟磨床和外沟磨床，采用所述的无心卡具固定内圈和外圈，精磨内圈的内径、内圈的第二沟槽和外圈的第一沟槽，通过内沟道超精研机和外沟道超精研机，采用所述的无心卡具固定内圈和外圈，超精研内圈的第二沟槽和外圈的第一沟槽；

在清洗后分选合套，在内圈和外圈中间装入保持架及陶瓷球，所述陶瓷球通过保持架间隔开。

26.根据权利要求24所述的无磁轴承的制造方法，其特征在于，提供数车成型的内圈和外圈具体包括：

将40Mn材质棒料经过固溶处理和时效处理后，经过数车成型，获得数车成型外圈和内圈。

27.根据权利要求26所述的无磁轴承的制造方法，其特征在于，固溶处理为将40Mn棒料在1020℃～1060℃保持15min～40min后快速冷却；和/或时效处理为将40Mn棒料在520℃～560℃条件下保持3h～4h。

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