高速牙鉆軸承的材料選擇與工藝設計

張 逸

(上海天安軸承有限公司，上海 200233)

近年來隨著人民生活水平和生活質(zhì)量的提高，對牙病防治日益重視和普及。目前國內(nèi)對牙醫(yī)手機配套的高速牙鉆軸承的需求不斷增加。高速牙鉆軸承以前主要是從國外進口，現(xiàn)在國內(nèi)雖有少數(shù)幾家軸承企業(yè)生產(chǎn)，但其質(zhì)量、規(guī)格和數(shù)量都滿足不了市場的需求，所以對高速牙鉆軸承的研發(fā)具有重要的意義。

1 牙鉆組件和牙鉆軸承

高速牙鉆組件結(jié)構(gòu)如圖1所示。其由軸、蝸輪、彈簧夾頭、彈簧墊片、后蓋、外殼、滾動軸承、橡膠定位圈等零件組成。蝸輪、軸承與軸過盈配合并整體高速旋轉(zhuǎn)，軸承外圈靠橡膠定位圈彈性支承在殼體內(nèi)，后蓋及彈簧圈起緊固并施加軸向力的作用，外殼靠定位鋼球固定在手機內(nèi)，裝在軸孔內(nèi)的彈簧夾頭另一端夾緊鉆頭進行工作。

1—彈簧圈；2—后蓋；3,6—滾動軸承；4—蝸輪；5—橡膠定位圈；7—外殼；8—軸；9—彈簧夾頭圖1 牙鉆組件結(jié)構(gòu)

牙鉆軸承是牙鉆組件的關鍵部件，其典型型號SRl44TZ的外形尺寸為Φ3.175 mm×Φ6.35 mm×2.38 mm。其在粉塵、潮濕的惡劣環(huán)境下工作，具有高轉(zhuǎn)速、高精度、低噪聲和長壽命的要求。因此，要求其公差等級為P4，轉(zhuǎn)速為(3.5～4.5)×105r/min，工作壽命為6個月。

2 材料選擇

由于牙鉆組件是在粉塵、潮濕的惡劣環(huán)境下工作，因此，牙鉆軸承各零部件的材料應具有良好的耐腐蝕及耐磨性能。

2.1 套圈

一般的牙鉆軸承套圈材料選用傳統(tǒng)的440C不銹鋼(相當于我國9Cr18)；美國Timken公司開發(fā)了N-DUR特殊抗腐蝕不銹鋼，用于醫(yī)藥工業(yè)領域。這是一種比440C硬度高和防腐蝕性能更好的新型不銹鋼材料，其成分為：w(C)=0.66%,w(Cr)=14.5%和w(N)=0.1%。該鋼可被整體淬硬，最低硬度可達60 HRC。N-DUR鋼材采用特殊的冶煉方法，合金中碳化物均勻分布，共晶碳化物呈細小球狀，增加氮含量可獲得更高的硬度和耐蝕性能。N-DUR鋼制軸承精密磨削后的溝道表面質(zhì)量和表面粗糙度明顯優(yōu)于440C鋼制軸承，其耐腐蝕性能和低噪聲性能也都更佳。

圖2中摩擦力矩曲線圖顯示了套圈采用N-DUR和440C制造并經(jīng)溝道超精的高速牙鉆軸承的運轉(zhuǎn)情況。它記錄了軸承分別作順時針和逆時針運轉(zhuǎn)時摩擦力矩的數(shù)值，縱向坐標為摩擦力矩(μN·m)，橫向坐標為軸承運轉(zhuǎn)時0～360°的位置(度)，對比顯示：N-DUR材料的軸承摩擦力矩小而穩(wěn)定；440C材料的軸承摩擦力矩較大且不穩(wěn)定。

圖2 N-DUR和440C的摩擦力矩曲線圖[1]

2.2 球

一般牙鉆軸承球的材料為440C不銹鋼，使用在較低速牙鉆軸承場合。Si3N4陶瓷球具有硬度高(1 500～2 000 HV)、離心力小、耐腐蝕和摩擦磨損、熱膨脹系數(shù)小(僅為鋼球的25%)等特點，此外其吸收熱量低，冷卻要求較低，能在潤滑條件差的環(huán)境中運轉(zhuǎn)，因此，非常適合作為高速牙鉆軸承滾動體的材料。Si3N4陶瓷材料的性能參數(shù)見表1。

表1 Si3N4陶瓷球材料的性能參數(shù)

2.3 保持架

2.3.1 酚醛層壓布管

酚醛層壓布管是通過熱壓把布料用樹脂聚合而成，在高速運轉(zhuǎn)下其能使球在缺乏潤滑劑時保持潤滑。這種保持架材料在歐洲廣泛使用。

2.3.2 聚酰亞胺(TORLON)

TORLON是一種耐高溫熱塑性工程塑料，由三苯六酸和二胺化合物合成。該材料能在260 ℃溫度下正常使用，具有小的線膨脹系數(shù)和抗蠕變能力，到280 ℃時才開始變形。由它制成的零件比其他工程塑料更具有抗壓和抗沖擊性。TORLON系列材料主要在北美使用。其中TORLON 4301的力學性能見表2。

表2 TORLON 4301力學性能

2.4 潤滑脂

因為脂潤滑不易泄漏，具有一定的防止水、氣和灰塵等有害物質(zhì)侵入的能力，可延長軸承使用壽命，因此牙鉆軸承采用脂潤滑。一般的單蓋牙鉆軸承潤滑脂為CHEVRON SRI-2。Kluberspeed BF72-22高速潤滑脂的dn(保持架中心徑與轉(zhuǎn)速)值達2×106mm·r/min，這是一種化學性能穩(wěn)定、無毒合成脂，適用于高速牙鉆軸承的潤滑，能確保牙醫(yī)手機正常穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，其產(chǎn)品特性見表3。

表3 BF72-22 潤滑脂性能參數(shù)

3 工藝及結(jié)構(gòu)特點

3.1 套圈加工工藝

內(nèi)圈：車削成形→熱處理→磨平面→精磨外圓→精研外圓→磨孔→磨溝→精研溝

外圈：車削成形→熱處理→磨平面→精磨外圓→精研外圓→磨孔→研孔→磨溝→精研溝

3.2 套圈加工特點

3.2.1 套圈車削工藝特點

高速牙鉆軸承SRl44Tz的套圈屬薄壁結(jié)構(gòu)。 外圈上防塵槽的深度對外圓的壁厚按單邊計算僅為0.2 mm左右，車削加工時要求其要有很高的同心度，才能保證防塵槽處的強度和防塵蓋對內(nèi)圈的同心度，這對于傳統(tǒng)的車削前后道分散工序加工是有難度的，為此必須在數(shù)控車床上采用一次成形加工的工藝。

3.2.2 套圈磨削工藝特點

(1)由于套圈屬薄壁結(jié)構(gòu)，為避免套圈裝夾后產(chǎn)生外圓變形，可適當加大外圓留量，待磨、研溝道后再修磨外圓，從而保證溝道的幾何精度。

(2)為使套圈加工精度等級達到P4，將外圓加工列為關鍵過程，精研外圓的圓度特性值定為0.2 μm，從而保證套圈溝道最終加工的圓度達到0.3 μm。

(3)套圈溝道磨削加工的裝備定為進口自動磨床。該磨床穩(wěn)定性好、精度高，可以保證溝道溝位的一致性，溝位可控制在±0.005 mm，從而進入端面定位的自動超精研加工，使溝道的圓度和形狀誤差達到預定的精度指標。

3.3 保持架的特點

牙鉆軸承的高轉(zhuǎn)速性能決定了其保持架的尺寸精度和形位公差對軸承的重要性。牙鉆軸承保持架的加工設備為數(shù)控車床。該車床加工精度高，等分性能好，可以將保持架一次車削成形，不需再按傳統(tǒng)工藝作切口加工。保持架設計見圖3。

圖3 數(shù)控車床一次加工成形的冠狀實體保持架

3.4 防塵蓋結(jié)構(gòu)

由于高速牙鉆組件是在多粉塵、潮濕的惡劣條件下工作的，這就要求防塵蓋內(nèi)孔對內(nèi)圈外圓的間隙單邊控制在0.05 mm，這在普通的防塵槽結(jié)構(gòu)設計加工中很難達到。根據(jù)用戶的要求，可以設計以下2種防塵結(jié)構(gòu)：外圈連體防塵蓋(圖4)和以外圈內(nèi)孔定位的防塵蓋(圖5)，此兩種結(jié)構(gòu)均能保證防塵蓋內(nèi)孔對內(nèi)圈的同心度。

圖4 外圈帶連體防塵蓋結(jié)構(gòu) 圖5 以外圈內(nèi)孔為定位的防塵蓋結(jié)構(gòu)

4 結(jié)束語

通過以上分析得出，高速牙鉆軸承具有高轉(zhuǎn)速、高精度、低噪聲和長壽命等技術(shù)特點，要開發(fā)出符合用戶要求的牙鉆軸承必須在材料、加工工藝等方面采取必要的技術(shù)措施。

(1)軸承材料對于其精度、性能和壽命是至關重要的。高速牙鉆軸承套圈材料應選用特殊的抗腐蝕不銹鋼，球的材料選用熱膨脹系數(shù)小的Si3N4陶瓷球，保持架材料選用抗壓、抗沖擊和耐高溫的聚酰亞胺TORLON。

(2)嚴格軸承的加工工藝是產(chǎn)品成功的關鍵，應根據(jù)高速牙鉆軸承的結(jié)構(gòu)特點和技術(shù)要求優(yōu)化軸承套圈加工工藝，確定合理的工藝留量、防塵結(jié)構(gòu)和關鍵特性參數(shù)，設計適用數(shù)控車床一次加工成形的實體冠形保持架。