李頌華,魏超,吳玉厚,張麗秀

(沈陽(yáng)建筑大學(xué) a.機(jī)械工程學(xué)院;b.高檔石材數(shù)控加工裝備與技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室,沈陽(yáng) 110168)

1 概述

軸承作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)、精密機(jī)床、高速列車(chē)等重大裝備的關(guān)鍵基礎(chǔ)部件,圍繞軸承開(kāi)展的設(shè)計(jì)、制造與服役相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)直接體現(xiàn)了國(guó)家高端制造的能力和水平[1]。隨著高端裝備技術(shù)的發(fā)展,軸承的使用環(huán)境越來(lái)越多樣化,對(duì)軸承服役性能的要求也越來(lái)越苛刻[2-6]。當(dāng)前主流軸承鋼種已不能滿(mǎn)足或不能充分滿(mǎn)足主機(jī)對(duì)軸承的要求,特別是在極端工況下服役的軸承,如航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承[7]、大型低溫風(fēng)洞軸承[8]、液體火箭渦輪泵低溫軸承[9]、超高速機(jī)床主軸軸承等對(duì)服役性能的可靠性要求格外嚴(yán)苛[10]。以航空發(fā)動(dòng)機(jī)為例,造成某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)提前報(bào)廢更換及空中停車(chē)的故障原因,分別有60%和37.5%與發(fā)動(dòng)機(jī)滾動(dòng)軸承磨損類(lèi)故障有關(guān)。例如2005年某型號(hào)飛機(jī)發(fā)生飛行事故,事后分解檢查發(fā)動(dòng)機(jī)事故原因?yàn)橹鬏S軸承滾道磨損及保持架斷裂導(dǎo)致的抱軸失效(圖1)[11],其中軸承材質(zhì)為M50NiL軸承鋼。

圖1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承磨損失效實(shí)例

軸承在極端工況服役過(guò)程中所面臨的技術(shù)局限性主要集中在軸承零件間的摩擦接觸及潤(rùn)滑等行為。文獻(xiàn)[12]研究了極端溫度工況下軸承的摩擦磨損性能,其對(duì)軸承鋼接觸表面進(jìn)行硬質(zhì)涂層及離子注入處理,提高了材料在極端溫度工況下的耐磨損和耐腐蝕性能,為后來(lái)極端工況下的軸承技術(shù)發(fā)展提供了研究基礎(chǔ)。文獻(xiàn)[13]從軸承材料性能角度對(duì)多種高性能軸承鋼進(jìn)行了對(duì)比分析,現(xiàn)階段不同軸承鋼圍繞材料硬度、尺寸穩(wěn)定性、耐高溫性、耐腐蝕性、疲勞壽命等指標(biāo)并不能實(shí)現(xiàn)整體性能提升,通常一項(xiàng)性能指標(biāo)的提升往往以“犧牲”另一項(xiàng)性能指標(biāo)為代價(jià)。因此,針對(duì)極端工況下服役的高性能軸承,在軸承材料性能、軸承設(shè)計(jì)、制造及服役等核心技術(shù)領(lǐng)域同時(shí)開(kāi)展研究已成為解決當(dāng)前高性能軸承“卡脖子”關(guān)鍵技術(shù)的突破口。

近年來(lái),以氮化硅(Si3N4)陶瓷材料為代表的新材料技術(shù)在工程中逐漸得到應(yīng)用,在部分領(lǐng)域逐步實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳統(tǒng)金屬材料的替代。Si3N4陶瓷的熱變形系數(shù)僅為軸承鋼材料的1/4～1/5,在高溫、低溫及高低溫交變工作條件下都能保證材料服役性能穩(wěn)定且工作壽命長(zhǎng)。此外,陶瓷材料還具有密度小,高速環(huán)境下承載能力強(qiáng),抗磨性能好,故障率低等特性[14-15]。圍繞陶瓷軸承技術(shù)領(lǐng)域的相關(guān)研究工作已逐步得到開(kāi)展:文獻(xiàn)[16]分析了目前國(guó)內(nèi)Si3N4陶瓷軸承技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀,發(fā)現(xiàn)在高精度陶瓷軸承關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域仍缺乏先進(jìn)的理論與工藝技術(shù);文獻(xiàn)[17]通過(guò)比較分析Si3N4陶瓷軸承和傳統(tǒng)鋼制軸承的服役性能、技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì),認(rèn)為Si3N4陶瓷軸承在超高溫、重載、腐蝕等工況下的服役特性較傳統(tǒng)鋼制軸承有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì),但因其材料本身硬脆特性導(dǎo)致Si3N4材料在提升其綜合力學(xué)性能和機(jī)械加工性能方面仍有較大的發(fā)展空間。

綜上所述,本文基于極端工況下軸承技術(shù)發(fā)展需求,分析Si3N4全陶瓷軸承在極端工況下服役的技術(shù)可行性,探究其材料性能、軸承設(shè)計(jì)、制造及應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展情況,分析陶瓷軸承未來(lái)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)及應(yīng)用前景,以明確極端工況對(duì)軸承服役性能的技術(shù)需求,全面了解全陶瓷軸承關(guān)鍵技術(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)金屬軸承在極端工況下的替代應(yīng)用。

2 極端工況下軸承服役關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 軸承技術(shù)領(lǐng)域極端工況概述

軸承服役工況是影響軸承能否可靠性服役的重要因素,不同技術(shù)領(lǐng)域?qū)?yīng)不同的軸承服役工況,特別是近年來(lái)工業(yè)技術(shù)向極端工況下發(fā)展對(duì)軸承的技術(shù)性能提出了更高要求。極端工況包括極端工作環(huán)境和極端工作載荷2個(gè)方面,極端工作環(huán)境指軸承所在外部物理環(huán)境,包括極端溫度環(huán)境、強(qiáng)腐蝕環(huán)境、高真空環(huán)境等。不同軸承應(yīng)用領(lǐng)域所對(duì)應(yīng)的極端工況條件如圖2所示,可知極端溫度工況涉及應(yīng)用領(lǐng)域最為廣泛,其應(yīng)用覆蓋范圍占總體應(yīng)用領(lǐng)域的一半以上,因此本文將圍繞極端溫度這一典型極端工況對(duì)軸承服役關(guān)鍵技術(shù)展開(kāi)研究。

圖2 不同軸承應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?yīng)的極端工況條件

軸承在服役過(guò)程中受環(huán)境與工況的耦合作用而影響軸承運(yùn)行狀態(tài),以高溫環(huán)境下9Cr18鋼制軸承為例,9Cr18軸承鋼線(xiàn)膨脹系數(shù)約為12.5×10-6℃-1,高溫環(huán)境下軸承升溫膨脹直接影響徑向游隙和軸向游隙的變化從而改變軸承預(yù)緊力,若預(yù)緊力超過(guò)所需限度,將導(dǎo)致軸承出現(xiàn)異常發(fā)熱、摩擦力矩增大、疲勞壽命下降等,甚至材料超限膨脹直接導(dǎo)致軸承“咬死”。因此,通常情況下軸承服役工況是外部條件驅(qū)動(dòng)與環(huán)境影響的共同作用,進(jìn)而影響軸承的服役性能[18]。

軸承在極端工況下的穩(wěn)定服役相對(duì)常規(guī)工況更加復(fù)雜,其中軸承失效是影響軸承服役行為的最主要原因。滾動(dòng)軸承的失效形式分為接觸表面磨損、剝落、腐蝕、塑性變形和軸承斷裂等,文獻(xiàn)[19]對(duì)503套滾動(dòng)軸承服役后的失效形式進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析(圖3),可知滾動(dòng)軸承表面磨損是滾動(dòng)軸承的主要失效形式。

通常情況下造成軸承失效而影響其穩(wěn)定服役的因素包括軸承材料、軸承制造工藝以及軸承潤(rùn)滑性能。由于常規(guī)潤(rùn)滑油(脂)不能滿(mǎn)足極端工況的需要,如在極端溫度環(huán)境下,潤(rùn)滑油(脂)的凝固與揮發(fā)會(huì)導(dǎo)致軸承零件間潤(rùn)滑膜結(jié)構(gòu)失去流動(dòng)性甚至整體消失;重載工況下,軸承零件接觸表面間滾動(dòng)/滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)副的潤(rùn)滑油膜會(huì)瞬間失去對(duì)界面的支承甚至潤(rùn)滑膜完全消失,最終導(dǎo)致軸承瞬時(shí)乏油或無(wú)油潤(rùn)滑;腐蝕環(huán)境下,潤(rùn)滑膜性能下降極易造成環(huán)境中的水或其他腐蝕元素進(jìn)入軸承內(nèi)部,進(jìn)而造成零件表面氧化腐蝕:因此潤(rùn)滑因素成為導(dǎo)致軸承在極端工況下失效的主要影響因素,圖4所示為極端工況下軸承失效形式與影響因素的關(guān)系。

圖4 極端工況下軸承失效形式與影響因素關(guān)系圖

2.2 軸承在極端溫度環(huán)境下的服役行為

極端溫度環(huán)境包括超高溫、超低溫以及高低溫交替變化的寬溫域環(huán)境。軸承在極端溫度環(huán)境下保持長(zhǎng)期穩(wěn)定的服役是隨著軸承應(yīng)用范圍不斷拓寬而形成的一個(gè)全新的研究熱點(diǎn)領(lǐng)域,涉及到軸承材料、潤(rùn)滑、動(dòng)力學(xué)、熱特性等核心關(guān)鍵技術(shù)。從軸承服役的極端溫度環(huán)境特性及現(xiàn)階段滾動(dòng)軸承在極端溫度環(huán)境下服役所需技術(shù)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析,有助于全面了解和掌握極端溫度環(huán)境下軸承服役的運(yùn)行規(guī)律。

低溫、超低溫環(huán)境一般指軸承在低溫流體介質(zhì)中的服役環(huán)境,包括液氫[20]、液氧[21-22]、液氮[23]等,如為大型飛行器模擬試驗(yàn)建造的大型低溫風(fēng)洞(圖5)、液體火箭渦輪泵等,其內(nèi)部核心軸承零件需長(zhǎng)期在超低溫、寬溫域(-162～51 ℃)的氮?dú)鈿夥罩羞\(yùn)行;航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中,壓氣機(jī)作為渦扇航空發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部件,其主要作用是將內(nèi)涵道中的空氣流通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)的壓氣機(jī)葉片進(jìn)行壓縮,提高其壓縮比,為燃?xì)馀蛎涀龉?chuàng)造條件以改善航發(fā)熱力循環(huán)效率,其內(nèi)部工作環(huán)境可持續(xù)維持在450 ℃以上,軸承在此溫度環(huán)境中運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)無(wú)法與周?chē)h(huán)境形成對(duì)流散熱,易使軸承局部溫升過(guò)高,工作間隙縮小,甚至可能出現(xiàn)軸承“卡死”現(xiàn)象[24-26]。在極端溫度環(huán)境下服役的軸承其運(yùn)行工況的復(fù)雜性和服役性能的高要求遠(yuǎn)不同于傳統(tǒng)普通軸承,常規(guī)潤(rùn)滑油(脂)更是無(wú)法滿(mǎn)足服役要求[27]。

圖5 低溫風(fēng)洞試驗(yàn)平臺(tái)與低溫下的Si3N4全陶瓷軸承

以航空應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)槔?航空軸承往往需要在高溫、高速、重載等環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)有效運(yùn)行,軍用航空軸承的服役壽命標(biāo)準(zhǔn)在4 000 h以上,民用飛行器的標(biāo)準(zhǔn)則更加嚴(yán)格,通常要求軸承工作總壽命不少于數(shù)萬(wàn)小時(shí)[28]。航空航天軸承服役環(huán)境涉及超高低溫、寬溫域交變、強(qiáng)輻射、微塵及空間碎片等可能影響軸承服役行為的因素[29-31],具體見(jiàn)表1。

表1 航空航天軸承服役行為影響因素

2.3 極端溫度環(huán)境下軸承技術(shù)研究現(xiàn)狀

極端溫度環(huán)境下潤(rùn)滑介質(zhì)的選擇與應(yīng)用是解決軸承在極端溫度環(huán)境下應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題,目前國(guó)內(nèi)已有學(xué)者通過(guò)試驗(yàn)手段采用PTFE作為固體潤(rùn)滑介質(zhì)對(duì)不同軸承鋼材料進(jìn)行摩擦學(xué)試驗(yàn),結(jié)果表明具有自潤(rùn)滑性的PTFE可以在低溫環(huán)境下降低摩擦因數(shù),實(shí)現(xiàn)低溫工況下的軸承材料固體潤(rùn)滑[32-33]。國(guó)外較早探究了PTFE復(fù)合材料在液氧/液氫中的摩擦磨損性能,并以PTFE軸承保持架作為軸承固體潤(rùn)滑介質(zhì)研究其運(yùn)行過(guò)程中載荷、轉(zhuǎn)速對(duì)轉(zhuǎn)移膜的形成、轉(zhuǎn)移和破裂現(xiàn)象的影響[34]。

此外,低溫環(huán)境對(duì)PTFE材料的摩擦學(xué)性能有著顯著的影響,摩擦接觸區(qū)產(chǎn)生的摩擦熱能顯著降低環(huán)境的冷卻能力,也使其磨損機(jī)理從黏著磨損轉(zhuǎn)變?yōu)轭w粒磨損[35]。目前已有學(xué)者圍繞低溫環(huán)境下的軸承自潤(rùn)滑開(kāi)展了深入研究,即采用PTFE作為保持架材料,探求其在軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中轉(zhuǎn)移膜的形成機(jī)理,分析其自潤(rùn)滑性能,同時(shí)對(duì)陶瓷軸承在低溫重載環(huán)境中的應(yīng)用情況開(kāi)展相關(guān)研究。聚合物基自潤(rùn)滑材料具有良好的耐磨性,在低溫工況下被用于保持架的設(shè)計(jì)和制造[36-39],基于此,科研人員從材料固體潤(rùn)滑的角度入手,依靠高分子材料保持架與滾動(dòng)體摩擦過(guò)程中產(chǎn)生的薄膜轉(zhuǎn)移至滾動(dòng)體表面形成高分子轉(zhuǎn)移膜,發(fā)現(xiàn)在超低溫及乏油潤(rùn)滑的工況下可保持軸承的基本潤(rùn)滑行為。

針對(duì)高溫環(huán)境下的軸承潤(rùn)滑,相關(guān)學(xué)者對(duì)材料耐高溫性能、高溫摩擦學(xué)性能、高溫潤(rùn)滑行為等關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)展了廣泛研究:文獻(xiàn)[40]對(duì)2種具有高強(qiáng)度及自潤(rùn)滑特性的復(fù)合材料與Inconel718高溫合金進(jìn)行了高溫摩擦學(xué)性能對(duì)比分析,探究了復(fù)合材料在400,600,800 ℃環(huán)境下的摩擦學(xué)行為,結(jié)果表明2種復(fù)合材料均表現(xiàn)出良好的自潤(rùn)滑性,隨著溫度升高,復(fù)合材料表面形成的氧化物有助于提高材料表面質(zhì)量從而降低摩擦因數(shù)和磨損率;文獻(xiàn)[41-42]通過(guò)大量試驗(yàn)分析了200 ℃環(huán)境下Pyrowear 675軸承材料摩擦磨損性能,結(jié)果表明該材料在高溫環(huán)境下主要表現(xiàn)為黏著磨損;文獻(xiàn)[43-45]采用真空離子鍍的方法在金屬軸承基體上噴涂TiN/Ti涂層后發(fā)現(xiàn)其表現(xiàn)出了優(yōu)異的承載能力和耐磨減摩性能,且TiN/Ti與PTFE組成的摩擦副與傳統(tǒng)軸承摩擦副相比,摩擦因數(shù)、扭矩均降低。

綜上所述,超低溫環(huán)境下軸承在服役過(guò)程中所暴露出的弊端主要集中在由低溫引起的潤(rùn)滑行為失效,為此開(kāi)展的廣泛研究工作中,探究新材料在超低溫環(huán)境下對(duì)軸承摩擦學(xué)行為的影響成為相關(guān)研究領(lǐng)域內(nèi)學(xué)者普遍的研究方向。高溫環(huán)境下面臨的技術(shù)瓶頸與低溫相似,對(duì)固體潤(rùn)滑材料的摩擦學(xué)機(jī)理開(kāi)展了較為廣泛且深入的研究,然而對(duì)金屬材料表面進(jìn)行改性處理雖可以獲得較為理想的固體潤(rùn)滑膜,但其制造工藝復(fù)雜,設(shè)備成本高,很難形成廣泛的應(yīng)用。因此充分挖掘陶瓷軸承在極端工況下服役的巨大潛力,圍繞陶瓷軸承發(fā)展的相關(guān)核心關(guān)鍵技術(shù)的深入研究勢(shì)必將成為未來(lái)軸承技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展的重點(diǎn)方向,對(duì)軸承技術(shù)的進(jìn)步、裝備制造及應(yīng)用領(lǐng)域水平的整體提升都具有舉足輕重的作用。

2.4 小結(jié)

極端工況下如何減少軸承失效的相關(guān)技術(shù)研究是提高高性能滾動(dòng)軸承在極端工況下服役水平的關(guān)鍵。傳統(tǒng)金屬軸承受材料性能制約,從材料強(qiáng)度、潤(rùn)滑維護(hù)、軸承運(yùn)轉(zhuǎn)精度、使用壽命等條件綜合考慮都難以在極端環(huán)境和復(fù)雜工況服役過(guò)程中保持穩(wěn)定,因此基于傳統(tǒng)金屬軸承材料向極端工況拓展應(yīng)用過(guò)程中產(chǎn)生了諸多技術(shù)局限性。在眾多軸承材料中,工程陶瓷材料具有比重小、強(qiáng)度高、剛性好、耐磨損、耐腐蝕、耐高溫、電絕緣等性能,且具有優(yōu)異的尺寸穩(wěn)定性和自潤(rùn)滑性能,在軸承材料應(yīng)用方面相比金屬軸承材料具有明顯優(yōu)勢(shì),被認(rèn)為是制造適用于極端工況的軸承的理想替代材料之一[46-49]。

3 高性能陶瓷球軸承關(guān)鍵技術(shù)

高性能陶瓷球軸承作為解決軸承在極端工況下服役的核心關(guān)鍵部件,其材料制備、設(shè)計(jì)理論、精密制造工藝等關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展水平對(duì)陶瓷軸承在極端工況下的服役行為起決定性作用。基于此,本節(jié)將結(jié)合陶瓷球軸承結(jié)構(gòu)特性、陶瓷材料特性、陶瓷球軸承設(shè)計(jì)理論、陶瓷球軸承零件精密制造等核心關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)展論述。

3.1 陶瓷球軸承結(jié)構(gòu)特性

軸承服役工況及裝備需求決定了軸承結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及類(lèi)型。隨著陶瓷軸承所覆蓋的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛,特別是針對(duì)不同技術(shù)領(lǐng)域的極端工況已開(kāi)發(fā)出不同類(lèi)型的陶瓷球軸承,例如針對(duì)超高速工況的數(shù)控機(jī)床電主軸領(lǐng)域,陶瓷球軸承因其質(zhì)量輕、熱特性好的特點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用。從不同角度對(duì)陶瓷軸承種類(lèi)進(jìn)行劃分,如圖6所示[50-51]。

圖6 陶瓷軸承分類(lèi)

3.2 陶瓷軸承材料特性

近年來(lái),隨著陶瓷材料技術(shù)領(lǐng)域得到廣泛的研究與發(fā)展,通過(guò)提高粉體質(zhì)量和燒結(jié)技術(shù),使得以Si3N4、氧化鋯(ZrO2)、碳化硅(SiC)等為代表的陶瓷材料相比傳統(tǒng)軸承鋼在諸多極端工況條件下性能優(yōu)勢(shì)明顯,避免了早期應(yīng)用于軸承領(lǐng)域的工程陶瓷因材料脆性引起的裂紋擴(kuò)展、剝落等失效形式的產(chǎn)生。在高精密機(jī)械行業(yè),Si3N4陶瓷材料在軸承領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用,常用軸承材料性能對(duì)比見(jiàn)表2[52-53],其中,密度影響軸承動(dòng)特性和滾動(dòng)體離心力,熱膨脹系數(shù)影響軸承溫升特性、游隙變化及載荷分布,彈性模量影響軸承滾動(dòng)體與套圈滾道間接觸狀態(tài),進(jìn)而影響接觸疲勞壽命,硬度影響疲勞失效和耐磨性,抗彎強(qiáng)度影響軸承動(dòng)態(tài)剛度,斷裂韌性影響軸承耐沖擊破壞性能,導(dǎo)熱系數(shù)影響軸承散熱效率。

表2 典型軸承鋼與陶瓷材料性能對(duì)比

Si3N4陶瓷制備工藝復(fù)雜,包括粉體制備、成型、燒結(jié)、精密加工等。隨著陶瓷粉體制備技術(shù)的提高,對(duì)坯體成型方法要求也越來(lái)越嚴(yán)苛,主要包括干壓成型法、塑性成型法、漿料成型法和固體無(wú)模成型法幾大類(lèi)[54-55]。影響Si3N4坯體致密化燒結(jié)的因素主要包括燒結(jié)助劑的選擇與用量、燒結(jié)溫度、保溫時(shí)間及燒結(jié)方法等。不同的燒結(jié)方式對(duì)粉體擴(kuò)散機(jī)制和相變過(guò)程的影響效果不同,致密化過(guò)程也就是燒結(jié)粉體擴(kuò)散與相變的耦合過(guò)程。工程陶瓷屬于硬脆性材料,相比金屬材料其塑性不足,一般情況下易產(chǎn)生加工崩邊或裂紋,存在加工困難問(wèn)題。目前,工程陶瓷材料加工以磨削、研磨、拋光等精密加工工藝為主,以Si3N4陶瓷球?yàn)槔牡枇悴考苽渑c生產(chǎn)工藝流程圖如圖7所示。

圖7 Si3N4陶瓷球制備與生產(chǎn)工藝流程圖

3.3 陶瓷球軸承基本設(shè)計(jì)理論

早期陶瓷軸承設(shè)計(jì)以改進(jìn)陶瓷材料性能為主要研究方向,隨著應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展,陶瓷軸承主要研究方向發(fā)展為提高陶瓷零件精密加工效率,建立混合陶瓷球軸承的疲勞壽命評(píng)價(jià)體系和疲勞壽命指標(biāo)參數(shù),提高混合陶瓷軸承可靠性領(lǐng)域涉及到的疲勞強(qiáng)度、摩擦學(xué)特性、接觸表面耐磨性等基礎(chǔ)性能研究。面向極端工況的陶瓷滾動(dòng)軸承設(shè)計(jì)理論見(jiàn)表3[56-59],現(xiàn)階段陶瓷球軸承主要圍繞表面控形控性工藝設(shè)計(jì),接觸潤(rùn)滑性能提升,基于表面鍍覆提升零件表面硬度,表面及亞表面裂紋等接觸表面缺陷形成及演化機(jī)理,潤(rùn)滑與密封、磨損機(jī)理,滾動(dòng)接觸疲勞壽命,振動(dòng)和無(wú)損檢測(cè)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。

表3 面向極端工況的陶瓷球軸承設(shè)計(jì)理論

目前陶瓷球軸承設(shè)計(jì)以參考鋼軸承相關(guān)設(shè)計(jì)理論為主,但陶瓷球軸承實(shí)際服役過(guò)程中表現(xiàn)的性能與理論結(jié)果存在較大偏差。以滾動(dòng)軸承基本壽命設(shè)計(jì)理論為例,鋼制滾動(dòng)軸承采用的Lundberg-Palmgren理論模型沿用至陶瓷滾動(dòng)軸承后,其計(jì)算的軸承壽命嚴(yán)重縮短,公式中的基本額定動(dòng)載荷、當(dāng)量動(dòng)載荷和壽命指數(shù)均需結(jié)合實(shí)際陶瓷材料屬性進(jìn)行精確修整,例如與材料有關(guān)的壽命指數(shù)在鋼制軸承壽命計(jì)算時(shí)通常選用9或10,這是鋼制軸承發(fā)展至今經(jīng)過(guò)大量數(shù)據(jù)驗(yàn)證后的結(jié)果,在陶瓷球軸承壽命計(jì)算上同樣需要大量數(shù)據(jù)積累才能得到更加正確的設(shè)計(jì)參數(shù)[11]。

3.4 陶瓷球軸承零件精密加工技術(shù)

3.4.1 高精度陶瓷球制造關(guān)鍵技術(shù)

陶瓷球制造工藝是陶瓷軸承研究取得成果最早的技術(shù)之一。早在20世紀(jì)60年代國(guó)際上已開(kāi)展圍繞陶瓷球的加工制造相關(guān)技術(shù),我國(guó)20世紀(jì)90年代有學(xué)者針對(duì)陶瓷球加工技術(shù)進(jìn)行了深入的研究,提出了多種新型陶瓷球表面加工工藝方案和應(yīng)用技術(shù)[60-63]。陶瓷球研磨拋光技術(shù)主要圍繞研磨拋光球體成球基本條件、研磨拋光工藝和陶瓷球表面完整性檢測(cè)3個(gè)方向展開(kāi),如圖8所示。

圖8 陶瓷球精密加工關(guān)鍵技術(shù)

隨著軸承服役工況的復(fù)雜多樣化,在極端工況下對(duì)滾動(dòng)軸承的承載能力及穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)特性提出了更高的要求,在此條件下相較于陶瓷球軸承而言陶瓷滾子軸承優(yōu)勢(shì)明顯。以航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承為例,該類(lèi)軸承可以在800～900 ℃下工作,傳統(tǒng)高溫合金材料軸承在650 ℃以上的工作溫度就難以獲得長(zhǎng)壽命。因此高速精密圓柱滾子軸承已是航空航天、石油化工以及高速、精密機(jī)械等領(lǐng)域必須解決的難題之一。目前,提高陶瓷圓柱滾子表面質(zhì)量最常用的加工方法與超聲精密磨削加工類(lèi)似,使磨具在滾子表面往復(fù)振蕩磨削,該工藝方法參考鋼制滾子的無(wú)心超精研加工來(lái)提高表面質(zhì)量[64-65]。

3.4.2 陶瓷球軸承套圈控形控性制造技術(shù)

軸承套圈是軸承工作中起旋轉(zhuǎn)和支承滾動(dòng)體運(yùn)轉(zhuǎn)的零件,其加工工藝水平及精度直接影響軸承服役行為。導(dǎo)致軸承失效的最主要原因之一是軸承套圈溝道表面質(zhì)量,因此軸承套圈溝道的精密加工是提高整個(gè)軸承服役性能的關(guān)鍵因素。相對(duì)于鋼制軸承套圈較成熟的制造工藝而言,陶瓷球軸承套圈的加工工藝因陶瓷材料本身脆硬特性而變得復(fù)雜。陶瓷球軸承套圈加工工藝以精密磨削、精密研磨為主,加工難度大、效率低,因此在陶瓷軸承技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用的過(guò)程中以鋼制軸承套圈與陶瓷球配合使用的混合陶瓷軸承率先得到應(yīng)用[66-67]。陶瓷球軸承溝道精密磨削與精密研磨是陶瓷軸承制造的關(guān)鍵技術(shù)之一,溝道加工質(zhì)量決定了溝道與球的配合,從而影響軸承的旋轉(zhuǎn)精度、表面抗磨損性能、承載能力、振動(dòng)及噪聲等,因此圍繞軸承套圈加工過(guò)程中如何實(shí)現(xiàn)陶瓷套圈高質(zhì)量的控形控性制造,是陶瓷球軸承套圈技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的首要問(wèn)題。

近年來(lái),隨著陶瓷材料性能及軸承制造裝備性能的發(fā)展,陶瓷球軸承套圈的加工精度及效率也得到了提升。與鋼制軸承套圈及相關(guān)加工設(shè)備不同的是,陶瓷球軸承套圈在參考鋼制軸承套圈制造工藝的過(guò)程中遇到諸多無(wú)法回避的技術(shù)問(wèn)題,如目前大多數(shù)軸承生產(chǎn)廠商考慮到軸承套圈加工的經(jīng)濟(jì)性和效率,在陶瓷套圈加工過(guò)程中通常采用三爪卡盤(pán)進(jìn)行裝夾,而卡盤(pán)分布式接觸的裝夾力會(huì)使沿套圈圓周方向材料去除率發(fā)生變化,最終導(dǎo)致套圈的加工精度和使用性能受到較大影響。目前較為理想的陶瓷軸承套圈裝夾方式包括壓輥式和氣動(dòng)式。在Si3N4套圈加工過(guò)程中,套圈在時(shí)變的熱、力或熱力耦合作用下,其幾何尺寸精度、精度穩(wěn)定性以及加工表面的抗疲勞性能將受到顯著影響,因此探究陶瓷軸承套圈在精密加工過(guò)程中的幾何精度、陶瓷材料表面宏微觀特性在不同加工工藝間的傳遞與演化規(guī)律,建立基于整個(gè)制造過(guò)程的軸承套圈材料微觀組織和宏觀表面狀態(tài)控制理論和設(shè)計(jì)方法,是保證陶瓷軸承在極端環(huán)境下保持疲勞壽命、精度壽命以及熱穩(wěn)定性的前提。

4 結(jié)論與展望

本文通過(guò)對(duì)高端裝備制造領(lǐng)域發(fā)展過(guò)程中面臨的極端工況的概述,分析了當(dāng)前軸承技術(shù)領(lǐng)域在面對(duì)極端工況條件尤其是極端溫度環(huán)境時(shí)高性能軸承的技術(shù)現(xiàn)狀及技術(shù)局限性,對(duì)比了傳統(tǒng)金屬軸承與陶瓷軸承在極端工況條件下的研究現(xiàn)狀,探究了Si3N4陶瓷球軸承技術(shù)應(yīng)用的可行性。通過(guò)對(duì)Si3N4陶瓷球軸承制造關(guān)鍵技術(shù)及現(xiàn)階段軸承技術(shù)在極端溫度環(huán)境下的發(fā)展進(jìn)行分析,進(jìn)一步突出了Si3N4陶瓷球軸承在極端溫度環(huán)境下的應(yīng)用前景,現(xiàn)階段的Si3N4陶瓷球軸承已經(jīng)成為航空器APU、飛機(jī)附件機(jī)匣、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)等領(lǐng)域部分裝備的標(biāo)配軸承,隨著高端制造裝備領(lǐng)域發(fā)展過(guò)程中服役環(huán)境與工況的極端復(fù)雜化,Si3N4陶瓷軸承將發(fā)揮出更顯著的綜合性能優(yōu)勢(shì),尤其陶瓷軸承設(shè)計(jì)理論、制造工藝以及極端溫度環(huán)境下Si3N4陶瓷軸承的發(fā)展趨勢(shì)與目標(biāo)將更為明確:

1)高性能Si3N4材料。Si3N4陶瓷材料在燒結(jié)過(guò)程中選用純度高、粒度分布集中的粉體,采用脫氧和脫碳等處理工藝。燒結(jié)工藝采用熱等靜壓燒結(jié),通過(guò)顯微結(jié)構(gòu)工程控制Si3N4晶粒長(zhǎng)徑比的生長(zhǎng)趨勢(shì),改善Si3N4陶瓷表面裂紋擴(kuò)展機(jī)理,掌握裂紋擴(kuò)展的可控性。

2)Si3N4陶瓷軸承設(shè)計(jì)理論。圍繞Si3N4滾動(dòng)軸承零件接觸副摩擦學(xué)特性分析、超高速或低速重載工況下零件接觸表面疲勞失效規(guī)律及壽命預(yù)測(cè)、極端溫度工況下陶瓷軸承溫升特性控制策略等關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)展接觸理論、熱力學(xué)理論、摩擦學(xué)理論、動(dòng)力學(xué)特性等研究。區(qū)別于傳統(tǒng)金屬軸承設(shè)計(jì)制造理論體系,上述關(guān)鍵技術(shù)均需結(jié)合陶瓷材料特性進(jìn)行精確分析與設(shè)計(jì)。

3)Si3N4陶瓷軸承零件超精密加工技術(shù)。針對(duì)陶瓷軸承在極端環(huán)境與復(fù)雜工況下的接觸與潤(rùn)滑形式,優(yōu)化對(duì)滾動(dòng)體、內(nèi)外圈、保持架等軸承零件表面質(zhì)量進(jìn)行控形控性的精密加工設(shè)備與工藝,通過(guò)對(duì)零件表面進(jìn)行微觀尺度表面形貌精密加工,提高零件間接觸與潤(rùn)滑性能。

4)Si3N4陶瓷軸承綠色潤(rùn)滑技術(shù)。在極端溫度環(huán)境下開(kāi)發(fā)Si3N4陶瓷軸承的自潤(rùn)滑性能,有效改善其潤(rùn)滑摩擦性能,克服傳統(tǒng)潤(rùn)滑技術(shù)缺點(diǎn),同時(shí)本身及其摩擦損耗產(chǎn)物不對(duì)生態(tài)環(huán)境造成危害,將成為Si3N4陶瓷軸承潤(rùn)滑技術(shù)的重要發(fā)展方向。

5)Si3N4陶瓷軸承極端工況下服役狀態(tài)與遠(yuǎn)期性能預(yù)測(cè)。搭建智能健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是未來(lái)航空裝備技術(shù)監(jiān)測(cè)的總體發(fā)展趨勢(shì),軸承健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)是其中最重要的一項(xiàng),其中包含軸承的運(yùn)行健康狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)、軸承無(wú)損檢測(cè)技術(shù)和軸承可靠性評(píng)估技術(shù)。

綜上所述,Si3N4陶瓷材料的理論性能滿(mǎn)足極端環(huán)境與復(fù)雜工況的服役條件,Si3N4陶瓷軸承極端工況下的服役將進(jìn)一步拓展陶瓷軸承的應(yīng)用范圍,同時(shí)提高我國(guó)整體裝備制造業(yè)在極端環(huán)境條件下的發(fā)展水平。