CN110709614A - 滚动轴承和用于制造滚动轴承的方法 - Google Patents

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Abstract

滚动轴承(30)设有：内环(31)；外环(32)；以及介入在内环(31)与外环(32)之间的多个滚珠(33)。内环(31)和外环(32)由不锈钢制成。内环(31)和外环(32)的与滚珠(33)滚动接触的相应滚道表面(34、35)是超精整表面，且在超精整表面上形成包括固体润滑膜的涂层(36、37)。

Description

滚动轴承和用于制造滚动轴承的方法
技术领域
本发明的形态涉及滚动轴承和用于制造滚动轴承的方法。
背景技术
虽然滚动轴承被用于各种设备中，但作为在轴承环(内环、外环)上形成有固体润滑膜的涂层的滚动轴承，例如，存在用于涡轮分子泵的触地轴承(例如，参见专利文献1)。
触地轴承与磁性轴承一起设置，并且在旋转轴的正常旋转期间，旋转轴由磁性轴承支撑，并且触地轴承不与旋转轴接触。相反，例如，当磁性轴承变得不可控制时，旋转轴与触地轴承的轴承环接触(触地)并被支撑直到其停止旋转为止，因此磁性轴承和旋转轴受到保护。
当轴承如涡轮分子泵的触地轴承一样在真空下使用时，使用固体润滑剂，这是因为油脂或油无法用作润滑剂。此外，因为防锈油无法用于轴承环，所以不锈钢通常用于轴承环。
相关技术文献
专利文献
专利文献1：JP-A-2009-024846
发明内容
发明解决的问题
当用固体润滑膜涂布轴承环的表面时，期望增大其粘合性。然而，当轴承环由不锈钢制成时，磷酸盐处理不能作为涂层的预处理来执行。因此，在现有技术中，喷丸作为轴承环的预处理来执行。以此方式，滚动轴承(触地轴承)的润滑通过以下方式来确保：在轴承环的表面上(特别地，在滚动元件与之滚动接触的滚道表面上)用固体润滑膜形成涂层。
代表用于涡轮分子泵的触地轴承，优选改进各种滚动轴承的重复寿命。出于此原因，研究固体润滑膜对改进涂层的粘合性的作用。
本发明的形态的目的是提供一种滚动轴承和用于制造该滚动轴承的方法，该滚动轴承能够通过新技术手段来增大涂层的粘合性并且还具有滚动轴承的基本性能。
解决问题的手段
本发明的发明人已发现时，甚至当轴承环(内环、外环)的滚道表面是超精整表面时，也能够通过在一定程度上增大表面粗糙度(通过形成粗糙镜面)来增大固体润滑膜对涂层的粘合性。基于此知识，完成本发明的形态。
也就是说，根据本发明的一种形态提供的滚动轴承包含：内环；外环；以及多个滚动元件，所述多个滚动元件介入在所述内环与所述外环之间，其中所述内环和所述外环由不锈钢制成，并且在所述内环和所述外环中的每一个中设置滚道表面，所述滚动元件与所述滚道表面滚动接触，并且所述滚道表面是超精整表面，并且此外在所述超精整表面上形成由固体润滑膜制成的涂层。
根据滚动轴承，涂层的粘合性在滚道表面上较高，并且因此，能够延长滚动轴承的寿命。此外，因为滚道表面是超精整表面(即使在其表面粗糙度在一定程度上较高时也是如此)，所以能够抑制诸如旋转期间的振动的发生等问题并且具有作为滚动轴承的基本性能。
不同于滚动轴承，存在滚道表面是喷丸表面(缎面精整表面)并且在喷丸表面上通过固体润滑膜形成涂层的示例。然而，在滚动轴承(本发明的形态)的状况下，涂层具有高粘合性的原因估计在于，超精整表面(精细镜面)的表面条件以与喷丸表面相同的方式或比喷丸表面好的方式与固体润滑膜兼容。
此外，优选的是：在所述内环和所述外环中，接触表面是喷丸表面，所述接触表面是除了所述滚道表面之外的表面，并且所述接触表面与另一构件接触，并且在所述喷丸表面上通过固体润滑膜形成涂层。根据此构造，甚至在除滚道表面之外的表面上也增大涂层的粘合性。除了滚道表面之外并且除了接触表面之外的表面也是喷丸表面，并且可以在喷丸表面上形成由固体润滑膜制成的涂层。
优选的是：涂层包含二硫化钼膜或二硫化钨膜。因此，甚至在无法使用油脂和油的真空下也能够确保滚动轴承的润滑。
优选的是：超精整表面的表面粗糙度Ra是0.1以上且0.8以下。结果，滚道表面是超精整表面，但因为表面粗糙度相对较高，所以涂层的粘合性增大。滚道表面的精整加工可以是粗糙的超精整加工。因此，例如，不需要用于在机床等中使用的滚动轴承的滚道表面上所需的镜面精整的超精整加工，因此能够减少加工成本。
作为优选应用，滚动轴承是用于涡轮分子泵的触地轴承。
根据本发明的另一形态，提供一种用于制造滚动轴承的方法，所述滚动轴承包括内环、外环以及介入在所述内环与所述外环之间的多个滚动元件，所述方法包括：加工步骤，从环形不锈钢材料通过车削获得将作为所述内环或所述外环的中间产品，并加工所述中间产品；以及组装步骤，将在完成所述加工步骤之后制造的所述内环及所述外环与所述滚动元件一起组装，其中所述加工包含：对所述中间产品的表面执行抛光加工的步骤；对在完成所述抛光加工之后所述中间产品中提供的且将作为滚道表面的表面进行超精整加工的步骤，所述滚动元件与所述滚道表面滚动接触；以及在所述超精整表面上用固体润滑膜形成涂层的步骤。
根据制造方法，当对将作为滚道表面的表面执行超精整加工时，能够通过在一定程度上增大表面粗糙度来增大涂层与固体润滑膜的粘合性。结果，能够延长滚动轴承的寿命。此外，因为滚道表面是超精整表面(即使在其表面粗糙度在一定程度上较高时也是如此)，所以能够抑制诸如旋转期间的振动的发生等问题。结果，所制造的滚动轴承能够具有基本性能。
本发明的优点
根据本发明的形态的滚动轴承，固体润滑膜对涂层的粘合性较高，并且因此能够延长寿命。
根据本发明的另一形态的制造方法，能够制造如上所述的滚动轴承。
附图说明
图1是图示根据本发明的实施例的设有滚动轴承的涡轮分子泵的示例的横截面图。
图2是滚动轴承的横截面图。
图3是图示用于制造滚动轴承的方法的流程图。
具体实施方式
图1是图示根据本发明的实施例的设有滚动轴承的涡轮分子泵的示例的横截面图。涡轮分子泵10包含：泵外壳11；设置在该泵外壳11中的转子叶片12；与该转子叶片12一体旋转的旋转轴(转子轴)13；轴向磁性轴承14；第一和第二径向磁性轴承15和16；第一滚动轴承17和第二滚动轴承18。
第一和第二径向磁性轴承15和16中的每一个径向磁性轴承能够在非接触状态中从径向方向支撑旋转轴13。凸缘19被设置在旋转轴13的端部(图1中的下端)处，并且轴向磁性轴承14具有一对磁体14a和14b。那些磁体14a和14b使凸缘19从轴向方向介入。因此，轴向磁性轴承14能够在与凸缘19(旋转轴13)的非接触状态中在轴向方向上支撑旋转轴13。
第一滚动轴承17被设置在旋转轴13的在轴向方向上的一侧(图1中的上侧)。第一滚动轴承17是包含内环21、外环22以及多个滚珠(滚动元件)23的深沟滚珠轴承，并能够支撑旋转轴13的径向负载。在内环21与旋转轴13之间设置径向方向上的间隙，并且该间隙小于相对于径向磁性轴承15(16)的旋转轴13的径向方向上的间隙。外环22被附接到泵外壳11的一部分。
第二滚动轴承18被设置在旋转轴13的另一轴向侧(图1中的下侧)上。第二滚动轴承18是包含内环31、外环32以及多个滚珠(滚动元件)33的组合式向心滚珠轴承，并能够支撑旋转轴13的径向负载和轴向负载。在内环31与旋转轴13之间设置径向方向上的间隙，并且该间隙小于相对于径向磁性轴承15(16)的旋转轴13的径向方向上的间隙。外环32被附接到泵外壳11的一部分。
根据上文所述的构造，旋转轴13在正常旋转期间(在涡轮分子泵10的正常操作期间)通过轴向磁性轴承14以及径向磁性轴承15和16以可旋转方式支撑。当那些磁性轴承14、15和16变得不可控时，旋转轴13与第一和第二滚动轴承17和18的内环21和31形成接触(触地)，并且旋转的旋转轴13由第一和第二滚动轴承17和18支撑。以此方式，第一和第二滚动轴承17和18用作涡轮分子泵10的触地轴承。
图2是第二滚动轴承18的横截面图。如上所述，第二滚动轴承18是组合式向心滚珠轴承，并且通过组合两个向心滚珠轴承29和30而被构造。一个向心滚珠轴承30和另一个向心滚珠轴承29类似。在下文中，将描述一个向心滚珠轴承30(在下文中，简称为轴承30)，但另一向心滚珠轴承29的构造是相同的。在第一滚动轴承17(参见图1)中，滚珠23相对于内环21和外环22的接触角是零。因此，其与轴承30的不同之处在于，轴承环(内环21和外环22)的滚道表面具有深沟形状，但除此之外，其具有与轴承30相同的构造并且通过与轴承30相同的制造方法而被制造。出于此原因，将省去第一滚动轴承17的细节的描述。
在图2中，轴承30包含内环31、外环32以及介入在内环31与外环32之间的多个滚珠33(滚动元件)，如上所述。内环滚道表面34被形成在内环31的外周表面上，并且外环滚道表面35被形成在外环32的内周表面上。当轴承30(在该实施例中，内环31)旋转时，滚珠33滚动而与内环滚道表面34和外环滚道表面35形成滚动接触。
内环31和外环32由不锈钢(例如，SUS440C)制成。滚珠33可由不锈钢或氮化硅制成。内环滚道表面34是超精整表面，并且由固体润滑膜制成的涂层36被形成在超精整表面上。类似地，外环滚道表面35是超精整表面，并且由固体润滑膜制成的涂层37被形成在超精整表面上。该实施例的涂层36和37类似并包含二硫化钼膜。二硫化钨膜可代替二硫化钼膜使用。
如上所述，内环滚道表面34是超精整表面。然而，表面粗糙度在一定程度上较高，并且内环滚道表面34是精细镜面(微镜面精整表面)。类似地，外环滚道表面35是超精整表面。然而，表面粗糙度在一定程度上较高，并且外环滚道表面35是精细镜面(微镜面精整表面)。
将描述表面粗糙度的具体示例。内环滚道表面34和外环滚道表面35中的每一个滚道表面中的超精整表面的表面粗糙度(中心线平均粗糙度)Ra优选被设定为0.1以上且0.8以下。更优选地，表面粗糙度Ra的上限是0.6，并且下限是0.2。当表面粗糙度Ra小于下限时，固体润滑膜对涂层36和37的粘合性可能略微降低。此外，当表面粗糙度Ra超过上文所述的上限时，当滚珠33处于滚动接触时的振动可能略微增大。
在内环31中，除内环滚道表面34之外并与其它构件接触的表面是喷丸表面，并且由固体润滑膜制成的涂层36(与内环滚道表面34的状况相同)被形成在喷丸表面上。当轴承30用作触地轴承时，内环31的内周表面38和轴向侧表面39可与旋转轴13形成接触(滑动接触)(参见图1)。因此，内周表面38和侧表面39是上文所述的“与其它构件形成接触的接触表面”，并且那些内周表面38和侧表面39被喷丸(喷丸)并用固态润滑剂涂布。在该实施例的轴承30中，在内环31中，除内环滚道表面34之外并且除接触表面(内周表面38和侧表面39)之外的表面也是喷丸表面，并且由固体润滑膜制成的涂层36被形成在喷丸表面上。也就是说，涂层36被形成在内环31的整个表面上。然而，用于对固体润滑膜进行涂布的预处理在内环滚道表面34与其它表面之间不同，并且因此内环滚道表面34是超精整的，而其它表面是喷丸的。
另外，在外环32中，除外环滚道表面35之外的表面是喷丸表面，并且由固体润滑膜制成的涂层37(与外环滚道表面35的状况相同)被形成在喷丸表面上。也就是说，涂层37被形成在外环32的整个表面上。然而，用于对固体润滑膜进行涂布的预处理在外环滚道表面35与其它表面之间不同，并且因此外环滚道表面35是超精整的，而其它表面是喷丸的。
将描述用于制造轴承30的方法。图3是图示制造方法的流程图。该制造方法包含加工步骤S1和组装步骤S2。在加工步骤S1中，通过车削从环形不锈钢材料获得变成内环31或外环32的中间产品并加工每一个中间产品。在组装步骤S2中，将在完成加工步骤S1之后制造的内环31及外环32与滚珠33一起组装。
除用于通过车削生产中间产品的步骤S10之外，加工步骤S1还包含抛光步骤S11、超精整步骤S12和涂布步骤S14。此外，该实施例的加工步骤S1包含喷丸步骤S13。
在通过车削制造待作为内环31或外环32的中间产品的步骤S10中，环形不锈钢材料的外周表面、内周表面以及两个轴向端表面被车削成预定形状，并且通过在内环滚道表面34(参见图2)或外环滚道表面35中进行车削而形成沟槽。
在抛光步骤S11中，对中间产品的表面进行抛光。在该实施例中，对中间产品的整个表面执行抛光。
在超精整加工S12中，在完成抛光过程之后变成内环31的中间产品(内环中间产品)中，对变成内环滚道表面34的表面执行超精整，并且在变成外环32的中间产品(外环中间产品)中，对变成外环滚道表面35的表面执行超精整。对内环滚道表面34和外环滚道表面35中的每一个滚道表面执行的超精整加工不是镜面精整，而是微镜面精整，并且精整表面的表面粗糙度被加工成在一定程度上较高。例如，超精整表面(内环滚道表面34和外环滚道表面35)的表面粗糙度Ra是0.1以上且0.8以下。内环中间产品中除内环滚道表面34之外的表面以及外环中间产品中除外环滚道表面35之外的表面不是超精整的，并且保持为通过抛光(抛光步骤S11)而形成的经抛光表面。
超精整加工S12意图仅用于内环滚道表面34和外环滚道表面35。当那些滚道表面是超精整表面时，内环滚道表面34和外环滚道表面35各自被遮蔽以在超精整表面(精细镜面)上确保精细山谷形状。此外，对内环中间产品和外环中间产品中的每一个中间产品执行喷丸(喷丸步骤S13)。结果，精细凹凸形成在除内环滚道表面34和外环滚道表面35之外的表面上。如上所述，在该实施例的喷丸步骤S13中，对已抛光的内环中间产品的表面中除内环滚道表面34之外的所有表面执行喷丸过程，并且对已抛光的外环中间产品的表面中除外环滚道表面35之外的所有表面执行喷丸。喷丸表面的表面粗糙度Ra例如是0.1以上且1.0以下。
在涂布步骤S14中，在超精整表面(其变成内环滚道表面34或外环滚道表面35)上形成有由固体润滑膜制成的涂层。此外，在该实施例的涂布步骤S14中，还在在喷丸步骤13中经受喷丸过程的表面上形成由固体润滑膜制成的涂层。换句话说，在内环中间产品中，根据内环滚道表面34上的涂布，对除内环滚道表面34之外的表面(喷丸表面)执行涂布。然后，在外环中间产品中，根据外环滚道表面35上的涂布，对除外环滚道表面35之外的表面(喷丸表面)执行涂布。在该实施例中，用二硫化钼执行涂布，并且具体方向根据现有技术中的执行方法。
当完成涂布步骤S14时，执行组装步骤S2。在组装步骤S2中，通过现有技术的方法使滚珠33介入在内环31与外环32之间。结果，完成轴承30。
如上所述制造的轴承30(参见图2)是滚动轴承，其中内环31和外环32由不锈钢制成，并且滚珠33与之滚动接触的内环滚道表面34和外环滚道表面35是超精整表面，并且此外，由固体润滑膜制成的涂层36和37被形成在超精整表面上。
根据轴承30，甚至当内环滚道表面34和外环滚道表面35中的每一个滚道表面是超精整表面时，表面粗糙度也在一定程度上较高(制造成精细镜面)，并且因此固体润滑膜对涂层36和37的粘合性增大。也就是说，该实施例的超精整表面不需要是镜面精整表面，并且可以是精细镜面，这增大了涂层36和37的粘合性。结果，能够延长作为涡轮分子泵10的触地轴承的重复性能(寿命)，并且能够延长涡轮分子泵10的检修循环。
在该实施例的轴承30中，甚至当表面粗糙度在一定程度上较高时，内环滚道表面34和外环滚道表面35也是超精整表面(精细镜面)。因此，能够抑制诸如旋转期间的振动的发生等问题，并且因此能够具有作为滚动轴承的基本性能。在该实施例的轴承30中，涂层36和37的粘合性较高的原因估计在于，作为超精整表面(精细镜面)的内环滚道表面34和外环滚道表面35的表面状态以与喷丸表面相同的方式或比喷丸表面好的方式与固体润滑膜兼容。
在该实施例中，对除滚道表面(34、35)之外的完成抛光加工后的内环中间产品和外环中间产品的表面执行喷丸，并且在喷丸表面上形成由固体润滑膜制成的涂层(36、37)。出于此原因，能够在除滚道表面(34、35)之外的表面上增大涂层(36、37)的粘合性。
此外，内环滚道表面34和外环滚道表面35中的每一个滚道表面的精整加工可以是粗糙的超精整加工。因此，例如，不需要用于在机床等中使用的滚动轴承的滚道表面上所需的镜面精整的超精整加工，并且因此能够降低加工成本。除了实现粗糙的超精整之外，还可使用具有比镜面精整的状况的颗粒更粗糙的颗粒的抛光材料(诸如磨石)。
因为内环31和外环32由不锈钢制成，所以不需要防锈油。此外，因为涂层36和图37由二硫化钼膜制成，所以甚至在无法使用油脂或油的真空中，也能够确保轴承30的润滑性。也就是说，该实施例的轴承30适合用作涡轮分子泵10的触地轴承。
上文所公开的实施例在所有方面是说明性的，而不是限制性的。也就是说，本发明的滚动轴承不限于所说明的形式，而是可以呈本发明的范围内的另一形式。虽然上文所述的实施例的轴承30是用于涡轮分子泵10的触地轴承(参见图1)，但能够被用于其它应用。此外，虽然上文所述的实施例示范滚动元件是滚珠的状况，但滚动元件可以是滚子，并且滚动轴承可以是滚子轴承。
本申请基于2017年6月9日提交的日本专利申请(日本专利申请特愿2017-114051)，其内容通过引用并入本文。
附图标记的说明
10：涡轮分子泵
31：内环
32：外环
33：滚珠(滚动元件)
34：内环滚道表面
35：外环滚道表面
36：涂层
37：涂层
38：内周表面
39：侧表面

Claims (6)

1.一种滚动轴承，包括：
内环；
外环；以及
多个滚动元件，所述多个滚动元件介入在所述内环与所述外环之间，
其中所述内环和所述外环由不锈钢制成；并且
其中在所述内环和所述外环中的每一个中设置滚道表面，所述滚动元件与所述滚道表面滚动接触，并且所述滚道表面是超精整表面，并且在所述超精整表面上形成由固体润滑膜制成的涂层。
2.根据权利要求1所述的滚动轴承，
其中在所述内环和所述外环中，接触表面是喷丸表面，所述接触表面是除了所述滚道表面之外的表面，并且所述接触表面与另一构件接触，并且在所述喷丸表面上通过固体润滑膜形成涂层。
3.根据权利要求1或2所述的滚动轴承，
其中所述涂层包括二硫化钼膜或二硫化钨膜。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的滚动轴承，
其中所述超精整表面的表面粗糙度Ra是0.1以上且0.8以下。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的滚动轴承，
其中所述滚动轴承是用于涡轮分子泵的触地轴承。
6.一种用于制造滚动轴承的方法，所述滚动轴承包括内环、外环以及介入在所述内环与所述外环之间的多个滚动元件，所述方法包括：
加工步骤，从环形不锈钢材料通过车削获得将作为所述内环或所述外环的中间产品，并加工所述中间产品；以及
组装步骤，将在完成所述加工步骤之后制造的所述内环及所述外环与所述滚动元件一起组装，
其中所述加工步骤包括：
对所述中间产品的表面执行抛光加工的步骤；
对在完成所述抛光加工之后所述中间产品中提供的且将作为滚道表面的表面执行超精整加工的步骤，所述滚动元件与所述滚道表面滚动接触；以及
在所述超精整表面上用固体润滑膜形成涂层的步骤。
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