1 绪 论
1.1 陶瓷轴承的主要性能与分类
轴承常被称为“机械的关节”，其运行平稳度、回转精度、振声特性等性能对整个机械设备有着至关重要的影响[1-5]。轴承工业是国家基础性战略产业，对国民经济和国防建设起着重要的支撑作用。传统轴承采用轴承钢作为制造材料，近几十年来，随着科学技术进步，滚动轴承的使用环境和条件越来越苛刻，如高速、高温、腐蚀、强磁性、乏油润滑等恶劣工况，传统钢制轴承已不能满足要求，从而逐渐出现了陶瓷轴承、塑料轴承等非金属轴承种类。其中陶瓷轴承采用氮化硅、氧化锆等高性能陶瓷作为材料，这种材料具有很多传统金属材料所不具备的优良物理、化学特性，用陶瓷材料制造的轴承具有密度小、刚度大、表面硬度高、耐磨损、耐腐蚀、耐高温、运转精度高等特性，可广泛应用于航空航天、航海、石油、化工、汽车、电子设备、冶金、电力、纺织、泵类、医疗器械、科研和国防军事等领域，是应用新材料的高科技产品。
陶瓷轴承可分为混合陶瓷轴承与全陶瓷轴承两大类，两种轴承的共同点在于其滚动体均为陶瓷材料制成。陶瓷滚动体密度较小，便于在航空航天、航海相关设备中实现轻量化设计，减少设备负荷；陶瓷滚动体质量小，在高转速下离心力小，提高了轴承承载能力，减小了滚动体与轴承套圈间的磨损，延长了轴承使用寿命。混合陶瓷轴承与全陶瓷轴承的区别在于混合陶瓷轴承采用陶瓷材料制作滚动体，而内外圈依然采用轴承钢制成，而全陶瓷材料的内圈、外圈、滚动体均采用陶瓷材料制成，如图1.1所示。
（a）混合陶瓷轴承（b）全陶瓷轴承
图1.1 混合陶瓷轴承与全陶瓷轴承
混合陶瓷轴承制备简单，装配难度小，制造成本较低，生产效率高，在汽车发动机、高速机床上已得到广泛应用，但由于其采用两种材料配合制成，运行过程中由于硬度差易产生严重磨损，在极端工况下其内外圈寿命明显低于滚动体，大大降低了运行效率，提高了运行维护成本[6-8]。相比而言，全陶瓷轴承制备较困难，现有制造工艺难以满足高精度批量制造要求，但其材料的硬度远大于普通轴承钢，同种型号轴承相同工作条件下全陶瓷轴承使用寿命相比于普通钢制轴承可提高30%。随着对航空发动机主轴轴承与超高速主轴轴承的要求不断提高，对轴承极限转速下的耐高温性能要求也不断增强。金属轴承套圈在高速运动下受摩擦热影响产生的内部应力与变形量较大，长期处于高速、高温工况下外圈会发生塑性变形，并*终造成轴承失效、破坏，其抗热震性差是导致金属轴承在高速、高温工况下难以满足长时间工作的主要原因。目前航空发动机中轴承长期工作于高转速、高温、大温差的条件下，采用金属轴承与混合陶瓷轴承难以保持轴承工作精度，保证轴承使用寿命的难度也较大[9]。
同时，由于工作转速高，设备维修周期长，轴承易长时间处于乏油状态。研究表明，对带有金属构件的金属轴承与混合陶瓷轴承而言，乏油工况下轴承套圈与滚动体之间剧烈的摩擦会导致温度迅速升高，滚动体与套圈受热产生明显形变，轴承游隙减小，易导致轴承摩擦阻力增大，滚动体与套圈磨损量增加，工作效率降低，甚至导致轴承抱死，造成重大事故与经济损失。因此，乏油工况下全陶瓷轴承的服役性能是带有金属构件的金属轴承与混合陶瓷轴承难以满足的。而对全陶瓷轴承而言，其材料热变形系数仅为轴承钢材料的1/4~1/5，且耐磨性好，在乏油工况下能够保证较长的使用寿命。
另外，全陶瓷轴承材料内部带有空隙，可以填充固体润滑剂，因而可采用自润滑手段保证其工作性能[10]，这一优势使其在不能保证实时润滑条件下的服役性能明显优于传统钢制轴承。目前全陶瓷轴承在乏油工况下的极限工作温度已经能够突破1000°C，连续工作时间可达100h。由此可知，相比金属轴承，全陶瓷轴承在应用性能方面具有显著的优势。随着制造水平的不断发展，其应用前景势必更加广阔[11-13]。因此，全陶瓷轴承的设计与加工工艺制定已成为国内外学者研究热点。现阶段，用于制备全陶瓷轴承的工程陶瓷材料主要有氮化硅、氧化锆等，制备工艺为热等静压成型，其优点为制备元件密度分布均匀，致密度高，内部应力小，力学性能优异，便于实现近净成型，节约材料，节省制备成本。其中氮化硅陶瓷为黑色，氧化锆陶瓷为白色，全陶瓷轴承保持架材料为胶木或酚醛树脂，如图1.2所示。
（a）氮化硅全陶瓷轴承（b）氧化锆全陶瓷轴承
图1.2 主要全陶瓷轴承类型
1.2 高速陶瓷轴承的制备技术研究进展
1.2.1 高速陶瓷轴承选用材料研究进展
高速陶瓷轴承是指工作转速长期处于15000r/min以上的陶瓷轴承，其选用材料一般为氮化硅、氧化锆等工程陶瓷材料。在传统的加工过程中，裂纹的形成与扩展是工程陶瓷材料以磨削主要加工方式。陶瓷表面易形成诸如凹坑、划痕和微裂纹等表面损伤。这些表面缺陷在外部载荷的作用下，会扩展形成较大的脆性裂缝，从而导致高速陶瓷轴承的失效，严重降低了使用性能，不能达到使用要求。因此，提高陶瓷材料的断裂韧性和强度、改善可加工性能、降低材料缺陷是高速陶瓷轴承制备环节中的关键。
工程陶瓷属于硬脆性材料，在加工过程中容易产生裂纹等缺陷，表面质量难以控制。针对陶瓷材料磨削机理展开前瞻性研究能够对材料去除过程中存在的问题进行分析，对高速陶瓷轴承加工工艺的优化具有指导意义。在这一领域，Azarhoushang等[14]研究了如何控制热损伤和提高陶瓷材料去除率，大幅度减少正常磨削过程造成的陶瓷表面缺陷及内部裂纹，进而有助于改善表面粗糙度。Kumar等[15]发现磨削过程中产生的热量会诱发表层损伤、裂纹扩展，进而损害工件质量。Stojadinovic等[16]对微切削进行了实验研究，降低了陶瓷表面裂纹数量，提高了试件加工质量。Ahmad等[17]采用能够均匀控制的晶粒切削刃分布金刚石砂轮，与传统金刚石砂轮相比，在相同磨削参数下，陶瓷表面延性域磨削去除比例大幅度提高。万林林等[18]基于单颗磨粒磨削路径规划和未变形切割厚度建立了工程陶瓷加工表面延性域去除与加工参数之间的关系模型并进行了试验验证。朱宝义等[19]运用分子动力学仿真模拟高速磨削下单颗金刚石磨粒切削单晶硅的过程，通过分析切削、相变、位错运动并结合工件表面积的演变规律研究磨削速度对亚表层损伤和磨削表面完整性的影响。Liu等[20]基于平滑粒子流体动力学的单粒度划痕实验，研究了陶瓷材料磨削去除机理，包括材料去除过程，刮擦速度对裂纹扩展的影响，验证了单颗粒切削深度对陶瓷韧性-脆性转变临界条件的决定性作用，并分析了其对表面粗糙度和磨削力的影响规律。Tan等[21]利用离散元方法模拟了工程陶瓷材料的力学行为，并通过对磨削过程的建模仿真，研究了裂缝的萌生和扩展。Li等[22]在纳米压痕系统上进行了不同深度的单颗粒陶瓷材料纳米划痕试验，建立了基于不同深度的纳米划痕力学模型，并通过实验结果验证了模型的可靠性。
综上所述，国内外学者对陶瓷材料的增韧与加工方法进行了深入分析，并取得了一定的成果。但是对于工程陶瓷材料去除机理，目前在裂纹扩展与磨削损伤方面的理论分析及仿真手段还不够完善，且没有形成检测陶瓷表层裂纹的有效方法；传统宏观温度分析及有限元温度场分析方法不能揭示磨削过程中因高温引起工程陶瓷材料表面变质层形成机理，对磨削特性影响过程等问题无法进行有效分析；陶瓷材料延性域磨削转变机制及其关键影响因素还未确定。
1.2.2 陶瓷滚动体加工方法研究进展
作为陶瓷轴承的重要组成部分，陶瓷滚动体的加工精度及表面完整性是影响轴承应用性能、使用寿命的关键因素。因此，陶瓷滚动体的去除机理、研磨工艺一直是国内外研究的重点。Jiang等[23]和Ranjan等[24]分析得出高温、高压条件下，工件、磨料和加工介质之间还会发生化学机械作用。Stolarski等[25]提出陶瓷球表面的材料去除会随着压力和磨料粒度的变化产生刻划和压痕两种形式。Kang等[26]分析得出在陶瓷球的磁性流体研磨抛光过程中，磨粒嵌入研具表面，与球坯发生相对滑动，陶瓷球属于二体磨损形式。Jha等[27]提出陶瓷球存在二体和三体磨损形式，该磨损形式主要与加工载荷有关。Umehara等[28]讨论了磁性流体研磨过程中材料去除率、表面粗糙度和球度的改善方法。Childs等[29]研究了磁性流体研磨过程中球坯的运动，探讨陀螺效应对球运动的影响及每颗球承受不同研磨负荷对球运动和球与球之间相互作用力的影响。Zhang等[30]分析和观测了磁性流体研磨过程中球面的研磨轨迹，认为球面研磨轨迹是一组固定的圆环，以及球表面形状误差与支撑系统的振动问题。相对国外研究而言，国内对陶瓷球的加工研究起步稍晚，但也取得了较为显著的成果。朱晨[31]系统分析了不同研磨方式下球坯表面不同的研磨轨迹分布形式。Lee等[32]采用几何运动方程，计算了V形槽研磨过程中和偏心盘研磨过程中，自转角、自转角速度、公转速度的变化。郁炜等[33]认为磨损中的精密球体材料去除率不仅与外加载荷和速率的过程参数有关，而且与球、研磨料浓度和加工机械的物理性质、几何参数有关。
国内天津大学、哈尔滨工业大学、湖南大学、华侨大学、浙江工业大学，以及上海材料研究所、中国科学院上海硅酸盐研究所、山东工业陶瓷研究设计院有限公司、洛阳轴承研究所有限公司等单位均在研究陶瓷球加工机理及表面质量控制等方面取得了显著的成果。但在工程陶瓷球的表面质量控制及生产效率等方面我国还与欧洲发达国家、美国、日本等存在一定差距。因此，我国在提高工程陶瓷球表面质量及生产效率。研发新型陶瓷球研磨工艺与方法等方面还需要进行深入研究。
1.2.3 陶瓷套圈加工方法研究进展
陶瓷套圈滚道的表面粗糙度、滚道曲率及圆度等方面是影响全陶瓷球轴承性能及寿命的重要因素。由于工程陶瓷材料的硬脆特性，不能将钢制轴承套圈加工工艺完全复制到陶瓷轴承套圈加工中。因此，如何完善全陶瓷轴承套圈加工机理，开发改善陶瓷套圈滚道表面质量加工工艺是一个关键问题。目前，国外对于陶瓷套圈滚道加工精度及表面质量控制方面已获得了大量研究成果。但由于技术封锁，在该方面的相关学术论文及技术报告极为少见。国内在控制陶瓷套圈的表面质量的研究方面也取得了一定的成果，目前主要集中在陶瓷套圈加工过程中的变形、砂轮轮廓精度及超精工艺等对套圈滚道质量的影响等方面。
刘国仓等[34]分析陶瓷套圈车削加工使用传统三爪夹具存在的问题，设计了一种新型的陶瓷套圈车削用内夹式浮动夹具，并对夹具的*小夹紧力进行计算。林晓辉等[35]采用绿色碳化物（green carbide，GC）杯形砂轮修整器对圆弧砂轮进行修整，通过分析杯形砂轮修整器几何误差和原理误差，减小了不同的面形误差分布，验证了定位倾斜误差对非球面加工的影响。张贝等[36]采用磨粒有序排布的钎焊金刚石修整工具对钎焊砂轮进行了修整，并对砂轮形貌进行了观测统计，研究发现砂轮磨粒的等高性得到明显改善且避免了磨粒端部的严重钝化。刘月明等[37]为研究单点金刚石笔的磨损和修整参数对磨削工件表面的影响，
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