复合材料轴承设计与制造技术的应用
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作者: 刘彦菲
摘要:本文主要介绍作为新型轴承材料的聚酰亚胺(PI)和短纤维填充聚四氟乙烯(PTFE)基复合材料的力学性能和摩擦磨损性能,举例阐述了高速转动轴承的设计要点、制造技术及应用。
关键词:复合材料;轴承;聚四氟乙烯
高速转动轴承常采用在真空、高速、高温等严苛条件,高速转动轴承的工作情况决定了所要采用的复合材料应该具有优越的摩擦磨损性能、阻尼性能、导热性能、耐腐蚀性能等特点。由于性能的多样性,一般的材料是不能满足这些性能的,需要选取可以部分满足这些性能指标的常用材料合成新的复合材料。
一、复合材料的性能指标
高速转动轴承的性能跟所采用材料的磨损量、摩擦系数、损耗因子和高度都有直接关系,总结分析性能较好的高速转动轴承的采用材料应该具有以下几个性能:
(1)摩擦系数。摩擦系数对高速转动轴承的影响很大,特别是在玻璃化温度范围外。
(2)粘弹性能。粘弹性能主要体现在较大的平均损耗因子和较大的损耗因子峰值、较宽的玻璃化转变温度范围。同时,在经济成本允许的情况下,材料的动态力学性能最低值不能低于0.05。
(3)导热、耐热性能。复合材料能在高温下工作,快速有效地排出减振过程产生的热能。
(4)耐磨性能。良好的耐磨性能可以延长材料的使用寿命,减少轴承的拆卸次数,提高生产效率。因此,磨损率越低越好。
(5)耐腐蚀性能。复合材料轴承可以适应油污等恶劣的工作环境。
二、复合材料轴承的设计
(一)复合材料的选取
根据高速转动轴承的性能指标,采用的基体材料是满足条件的具有化学惰性、自润滑、耐高低温、摩擦系数稳定的聚四氟乙烯(PTFE)。为了改善聚四氟乙烯的耐磨损差、导热性不好的等缺点,可以用短纤维,如玻璃纤维和碳纤维,填充PTFE可以减小磨损、提高摩擦系数和改善导热性。由于短纤维的自身特点,填充后的复合材料的摩擦系数变得不稳定,需要添加摩擦系数较大、力学性能优良的聚酰亚胺(PI)。这样不仅可以避免摩擦系数不稳定,PTFE和PI混合之后还可以改善聚四氟乙烯的粘弹性能、扩大复合材料的使用温度区间。
(1)聚四氟乙烯(PTFE)。聚四氟乙烯的相对密度为2.17~2.19,分解温度为400℃,熔点为327℃,其可在260℃以下的环境里持续长期使用,摩擦系数较小,具有优良的耐腐蚀性。由于聚四氟乙烯熔融化粘度很大,要采用冷压和烧结结合的成型方式。
(2)聚酰亚胺(PI)。聚酰亚胺的长期使用温度范围在-200~300℃之间,具有高绝缘性能、无明显熔点、耐腐蚀、耐高辐射、耐火焰和吸水性差等特点,被认为是一种综合性能良好的有极高分子材料。PI虽然具有较高且稳定的摩擦系数、优良的耐磨性能,但是其韧性较差,目前使用成本较高。
(3)玻璃纤维(CF)。玻璃纤维是一种常用的短纤维。CF的密度比铝小、强度比钢大,同时具有耐腐蚀性、耐高温和良好的导电性能。是一种具有热学、电学和力学性能的优良材料。
(二)复合材料轴承模具设计
模具尺寸和形状主要根据轴承成型收缩率来确定。影响成型收缩率的主要因素包括成型温度、成型压力、成型保压时间、模具温度、制件形状、塑料含量等。
针对复合材料轴承, 设计模具时重点应考虑以下几点:
(1)浇注流程平直而短,系统界面要大,以利于粉料的分散。
(2)针对壁厚及轴承形状应特别考虑料的有利流畅通填充型腔。
(3)为使塑粉料分散,进料口增大,其长度取短。
试验表明,采用冷压和烧结结合制备工艺制造的模具,能满足该复合材料的设计要求和特点。构成动模和定模组成了型腔,主流道则设在定模一层。在轴承外圈,受定模上的凸形环的影响,制品应留在动模一侧,并且利用塑料的热膨胀性,快速从动模上取下来。在轴承内圈,开模后,无论模腔内的一对嵌件留在定模还是动模上只要将其拔出,就可以取出制件。
采用上述成型工艺,经过噪声试验和疲劳试验,用所设计的复合材料轴承模具制备的试件完全满足轴承的性能指标,而且具有更显著的优点。
三、复合材料的制造技术
根据该复合材料的特性,应采用冷压和烧结结合的制备工艺。具体步骤如下:
(1)原料干燥处理。将聚四氟乙烯粉料在120℃以下的烘焙箱中干燥处理8h,出去颗粒之间的水分。聚酰亚胺粉料在烘焙箱中干燥处理2h以上。短纤维也要经过干燥处理,便于与原料均匀混合。
(2)称重。按照规定的配比,用电子称选取适当的各种粉末。
(3)混料。在高速搅拌机中,将粉料搅拌约10分钟,使粉料混合均匀。
(4)压制成型。按所需轴承尺寸大小称取混合均匀的粉料填入模具,将液压机设定合适的压力压制成型。整个过程分两次卸压,并保压10分钟,确保气体从粉料中即使排出,这样制造的制品干燥密实。
(5)烧结固化。将烧结炉提前设定好烧结工艺,把压制好的制品放入烧结炉使制品烧制成型。
四、复合材料的应用
复合材料不仅仅在高速转动轴承中得以应用。在其他机械制造行业中也得到了广泛的应用。青岛第六橡胶厂首次在Φ610×1730橡胶机械上使用GS材料,获得了较为理想的使用效果和良好的耐磨性能,引起了橡胶机械制造、设计人员以及谁被管理人的极大热情和兴趣。之后,许多橡胶厂也开始研制这种复合轴承,也取得了一些较为满意的结果。
复合材料轴承早就在橡胶行业中大量应用,采用这种轴承的橡胶厂,对该产品有极高的评价,一致认为在橡胶机械的滑动摩擦部件和轴承上使用复合材料,能减少润滑油的使用量和达到间断,解决漏油;保证产品质量和节约润滑油;实现安全文明生产。
继青岛第六橡胶厂之后,肥城橡胶厂采用复合材料取代铜瓦解决三辊压延机漏油问题。枣庄橡胶厂也在开炼机、三辊压延机和四辊压延机上采用复合材料轴承。在压延机采用复合轴承,有效的避免了因电流过高造成的跳闸停电,使得铜瓦因发热而造成的烧瓦问题。使用复合轴承后,电流也大幅度下降,从使用前的800~1000A,降低到400~500A,确保正常生产。
随着,复合材料轴承稳定性加强,越来越多的橡胶机械厂也开始在新机中使用复合材料轴承,取代原来的铜套或铜瓦。例如,桂林橡胶机械厂在硫化机和其他橡胶机上采用复合材料轴承,并且在该厂的其他产品中逐步扩大使用量。大连橡胶机械厂也将复合材料轴承取代了双模定型硫化机中的铜套。
由于复合材料轴承具自身独特的使用性能,可以取代许多机械设备上的金属、非金属的滑动、滚动轴承。下面举几例可供参考借鉴。
(1)应用在汽车上。汽车的传动轴万向节轴承、方向机、减震器等都可以采用复合材料轴承。由于每辆汽车约使用数十件部件,汽车工业中对复合材的使用量比较大。
(2)应用在高压齿轮泵上。高压齿轮泵采用复合材料轴承代替原来的滚针轴承,可以使泵的工作压力提升约25%,由16MPa提高到20MPa以上。与此同时,高压齿轮泵的寿命也提高3倍以上。
(3)应用在穿孔机万向节上。穿孔万向节采用复合材料轴承取代原来的滚柱轴承,使使用寿命达到一年以上,每台穿孔机年增效益近15万。
(4)应用在锻压机床上。锻压机场采用复合材料轴承比较广泛、时间也较长。
参考文献:
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