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滾珠軸承在關鍵高科技領域內的前世今生

2020-07-05 11:29:09 visonbearing 2

滾珠是最古老的機械裝置之一,早在公元40年的羅馬船只上就開始使用它們作為軸承部件,目前,人們仍在不斷開發精密滾珠的新式設計、制造技術和應用 功能。比如,用于飛機貨艙的萬向滾珠使用空心滾珠來減輕重量和降低燃料消耗。采用不銹鋼滾珠的機械安全氣囊傳感器已經用于數以百萬計的交通工具,從來沒有 出現打開失敗或錯誤打開的情況。同樣,微型滾珠制造技術的發展,使制造商迅速提升了磁盤驅動器、牙科鉆具、衛星制導系統和其它重要應用的水準。


減少飛機的重量

最近燃料價格大幅上升,而很久以前,航空貨運行業就開始尋找減輕重量以節省燃料的方法,其中就包括如何減輕航空貨艙的 重量。航空貨艙一般裝載成組裝運設備(ULD),例如行業標準集裝箱等。借助萬向滾珠(BTU),裝載人員可以在貨艙內迅速裝入、安放和卸下成組裝運設 備。萬向滾珠的滾珠位于殼體內,它們向上方突出并接觸成組裝運設備的下表面。一般情況下使用直徑1英寸的滾珠,滾珠的頂部切點位于面板上表面以上0.25 英寸的位置。實心的1英寸滾珠重量為67克。這些滾珠一般在殼體內由一組1/8英寸的小球支撐,這些小球密封在一個外罩內。


萬向滾珠在外罩內按照一定方式排列,以形成滾珠面板,這些面板使飛機載運的貨物表面對齊。大型飛機的貨艙內有數萬個滾珠,所以重量 很大。相關方請求滾珠制造商想辦法生產重量更輕,同時仍然能夠承受6,000磅高峰荷載的軸承。最終的解決方案是制作一種空心滾珠軸承,其方法是將兩個 440不銹鋼半球結構壓在一起,然后將其焊接起來。


最大的困難來自焊接操作,在此過程中必須將兩個半球精確對準,然后結合在一起,使其能夠承受負載并防止泄露。在滾珠焊接完畢之后, 會進行整平對接以消除焊口,進行軟研磨、熱加工和硬研磨達到精度公差。滾珠如果需要中等精度,則會在一個圓筒內進行翻轉、清潔和鈍化處理,以使其具有耐腐 蝕性。精度更高的滾珠則首先進行拋光,然后進行清潔和鈍化處理。熱加工工藝已經進行了改良,可以提高滾珠的表面硬度,避免出現痕跡或凹陷,并延長其使用壽 命


空心滾珠的重量只有21克,每個滾珠減少了47克或大約0.1磅的重量。與原來的實心滾珠相比,其重量少了69%。舉例來說,一架 C-130H 大力神軍用運輸機的貨艙尺寸為36英尺長9英尺寬,總面積為324平方英尺。地板表面的滾珠面板大約有40,000個滾珠,如果使用空心滾珠,大約可以減 輕4,000磅的重量。在通常情況下,通過減輕飛機重量節省的燃料約為0.0036加侖/磅/小時。因此,假設每年飛行2,000小時,減輕4,000磅 的重量每年就可以節約大概28,800加侖的燃料,按照目前噴氣式飛機燃料的價格,每年可以節約43,200美元左右??招臐L珠也用于其它領域,比如需要 輕型磁滾珠的流量閥。


提高汽車的安全性

機械氣囊傳感器是另外一種重要的應用。在傳感器中使用一個空心管來引導滾珠。通過位于管子開口端的一個彈簧將滾珠固定 就位。在傳感器組裝完畢之后,首先通過滾珠使彈簧產生位移,形成一個預負荷。當汽車突然減速導致滾珠突然加速沖出管子時,傳感器就會觸發。滾珠會克服彈簧 上的預負荷并使彈簧移位,直到其接觸位于其路徑上的第二個彈簧。當第一個彈簧接觸第二個彈簧時,會形成一個回路,觸發氣囊操作。


此應用的難點在于滾珠必須能夠在操作汽車的很大溫度范圍內與管子保持相同的間隙。因為管子首先選擇了不銹鋼材料,所以滾珠制造商必 須找到具有相同熱膨脹系數的滾珠材料,431類不銹鋼就是具有合適系數的一種材料。不過在此之前尚未有人用431不銹鋼制作過滾珠,并且此應用需要嚴密的 公差。滾珠所需的球公差為0.000010英寸,尺寸變化為+/- 0.000010英寸,表面起伏度低于Ra 1。


52100含鉻不銹鋼或者440C不銹鋼等材料的HRC硬度值均高于60,易于滿足上述公差要。但是431不銹鋼材料的HRC硬度 值只有40左右。因為材料在加工過程中容易變形,所以達到上述公差要求的難度更大。在制作滾珠的過程中,首先在一個線圈上進行冷鐓頭操作。這樣得到的滾珠 看起來像土星,在中間環繞一個環形結構,其材料擠在兩半模具中間。通過一種稱為整平器的裝置將這個環消去。


下一步是進行熱加工,其中包括低溫冷凍和回火。然后對滾珠進行研磨、表面拋光、清潔和鈍化。最后進行鍍金以提高這些關鍵部件的耐腐 蝕能力。機械氣囊傳感器目前已經普遍被為微機電設備所取代,不過,它們曾經為數以千萬計的汽車用戶提供了良好的保護功能,從來沒有出現過一次故障,這一紀 錄是無可比擬的。


制作更高公差等級的微型滾珠

在微型滾珠的制造領域也取得了顯著的進步,這些微型滾珠用于多種計算機存儲設備、醫療和牙科設備、航空設備、精密機 械、實驗室儀器,用作鋰離子電池中的排放管,并用于多種其它尖端設備。大型滾珠做成球型,而小于1/16英寸的微型滾珠則是用線切削的。首先要仔細檢查線 的尺寸、表面層以及表面和內部是否完好,然后將線切削成圓柱形,一般每小時可以制作100,000件。


接下來將部件放到一個整平器中,位于兩個鑄鐵盤表面之間的槽內。槽內部是不平的,可以將滾珠的突起部位拉掉。在操作過程中,一個輪 子旋轉,另外一個輪子固定。固定的輪子有一個開口,可以將滾珠送入到槽內或從槽中取出來。使用一個特殊的傳輸帶將滾珠送入到一個孔內。接下來滾珠會繞著槽 移動,然后從另外一個孔出來。在后面的操作中,它們被送回到傳送帶反復通過輪槽,直到滾珠變得非常圓,并且尺寸比正常尺寸略大,突起部分已經完全消失。在 整平器中清除的原料尺寸大約為0.006英寸,具體數值與滾珠的尺寸有關。得到的滾珠大于正常尺寸,這樣可以在熱加工后將其研磨到成品大小。


在整平之后,滾珠運動到一個滾珠研磨機器進行軟研磨。在此操作中清除的原料尺寸一般為0.008英寸到0.010英寸。研磨或拋光 機器有一個固定軸或板以及一個旋轉軸或板。在軟研磨之后,對滾珠進行清潔和干燥,然后進行滾筒篩選操作。滾筒篩選器帶有精密旋轉滾筒,通過合理的布置確保 尺寸合適的滾珠能夠在滾筒間穿過,而尺寸過大或過小的滾珠則會掉出來。接下來,滾珠進行熱加工,以確保其具有良好的硬度,同時減少殘留奧氏體,或者滿足特 殊要求。


熱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約為0.006 英寸。然后進行新一輪的清潔、干燥和滾筒篩選操作。粗拋光大約除去0.0006英寸,將其圓球度至少提高到百萬分之二十五,在大多數情況下可以達到百萬分 之十。根據滾珠的尺寸,可以進行篩選操作或再進行一次滾筒篩選。最終進行亮拋光操作,除去0.0002英寸的原料,將其圓球度提高到百萬分之三到五。如果 要制作不銹鋼滾珠,接下來還要進行圓筒清潔和鈍化,然后進入離心機干燥,繼而進行最終檢查和測定。


大多數需要運動的設備都會使用滾珠。本文所述的精密高科技應用經常需要利用滾珠來滿足輕重量,小尺寸和精密公差等特殊要求。這些滾珠的設計和制造不僅需要創造性的工程設計,而且需要非常精細的工作態度。最終得到具有高質量和高公差、能夠滿足應用需求的產品。


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