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全陶瓷球軸承加工工藝與噪聲特性 版權信息
- ISBN：9787030718327
- 條形碼：9787030718327 ; 978-7-03-071832-7
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
全陶瓷球軸承加工工藝與噪聲特性 內容簡介
本書以全陶瓷球軸承加工工藝與噪聲分析為重點，對全陶瓷球軸承用工程陶瓷材料磨削加工的表面粗糙度、表面損傷與裂紋擴展、磨削模型、磨削力、磨削加工工藝與優化，以及全陶瓷球軸承聲輻射特性進行了重點闡述，形成相對完善的全陶瓷球軸承加工工藝與輻射噪聲特性模型，并采用大量理論和試驗圖片，深入地論述了全陶瓷球軸承的產品性能與技術特點。本書在全陶瓷球軸承的產品研發及其在工程上的應用研究方面具有較高的理論價值和實際指導作用。
全陶瓷球軸承加工工藝與噪聲特性 目錄
目錄
“21世紀先進制造技術叢書”序
前言
第1章 緒論 1
1.1 全陶瓷球軸承簡介 1
1.1.1 全陶瓷球軸承與工程陶瓷 1
1.1.2 氮化硅陶瓷材料 2
1.1.3 全陶瓷球軸承特性 5
1.2 全陶瓷球軸承制造及應用 7
1.2.1 氮化硅陶瓷材料的加工技術 7
1.2.2 全陶瓷球軸承的應用 15
1.3 全陶瓷球軸承用氮化硅磨削技術研究現狀及發展趨勢 15
1.3.1 氮化硅陶瓷磨削技術國內外研究現狀 16
1.3.2 氮化硅陶瓷磨削技術發展趨勢 18
1.4 全陶瓷球軸承振動與噪聲研究現狀及發展趨勢 19
1.4.1 全陶瓷球軸承振動與噪聲研究現狀 19
1.4.2 全陶瓷球軸承振動與噪聲研究發展趨勢 24
第2章 用于陶瓷軸承的氮化硅的磨削力與表面形貌 27
2.1 概述 27
2.2 工程陶瓷磨削過程有限元仿真分析 27
2.3 有限元模型的建立 28
2.3.1 氮化硅陶瓷材料本構模型 28
2.3.2 金剛石磨粒有限元模型建立 30
2.3.3 仿真邊界條件及相互作用定義 31
2.4 有限元仿真結果分析 32
2.4.1 磨削力仿真結果分析 32
2.4.2 表面形貌仿真結果分析 35
2.5 磨削力的試驗研究 36
2.5.1 試驗裝置與檢測設備 36
2.5.2 磨削力試驗測量結果與分析 37
2.5.3 試驗和仿真結果對比分析 40
2.6 表面形貌的試驗研究與分析 41
2.6.1 試驗檢測設備 41
2.6.2 磨削參數對氮化硅陶瓷表面形貌的影響 42
2.7 本章小結 45
第3章 用于陶瓷軸承的氮化硅的裂紋擴展與表層損傷 46
3.1 概述 46
3.2 磨削加工裂紋的形成 46
3.2.1 磨粒壓痕效應裂紋 46
3.2.2 不連續顯微塑變裂紋 47
3.2.3 磨削熱裂紋 48
3.3 氮化硅陶瓷裂紋擴展的試驗研究 48
3.3.1 加工設備與材料 48
3.3.2 裂紋形成及擴展機理的試驗研究 49
3.4 基于UDEC的氮化硅磨削裂紋擴展仿真研究 52
3.4.1 離散元法UDEC數值模擬 52
3.4.2 基于UDEC的氮化硅損傷模型 53
3.4.3 仿真結果分析 54
3.4.4 磨粒磨削深度對裂紋擴展影響機理 56
3.4.5 磨粒磨削速度對裂紋擴展影響機理 57
3.5 磨削參數及裂紋擴展對斷裂應力的影響規律 58
3.5.1 試驗原理與設備 58
3.5.2 試驗結果分析 60
3.6 磨削后陶瓷殘余應力的試驗研究 62
3.6.1 殘余應力的測量與分析 63
3.6.2 磨削對殘余應力的影響及其分布規律研究 65
3.6.3 殘余應力對氮化硅損傷的影響 68
3.7 本章小結 70
第4章 用于陶瓷軸承的氮化硅的磨削表面質量建模與優化 72
4.1 概述 72
4.2 磨削表面質量及其評價指標 72
4.2.1 表面質量與零件的使用性能 72
4.2.2 磨削表面質量評價指標 72
4.2.3 磨削表面質量的影響因素 73
4.3 算法簡介 74
4.3.1 BP神經網絡算法原理 74
4.3.2 PSO算法原理 75
4.3.3 PSO算法改進BP神經網絡 75
4.4 基于PSO-BP的氮化硅表面粗糙度單因素數值擬合 77
4.4.1 砂輪線速度與表面粗糙度 77
4.4.2 磨削深度與表面粗糙度 78
4.4.3 工件進給速度與表面粗糙度 79
4.5 基于PSO算法的表面粗糙度多元模型優化與檢驗 79
4.5.1 模型的假設與求解 79
4.5.2 多元模型驗證 81
4.6 基于PSO-BP的氮化硅磨削表面強度數值擬合 81
4.6.1 砂輪線速度與斷裂應力 81
4.6.2 磨削深度與斷裂應力 82
4.6.3 工件進給速度與斷裂應力 83
4.7 基于PSO算法的斷裂應力多元模型優化與檢驗 83
4.7.1 模型的假設與求解 83
4.7.2 多元模型驗證 85
4.8 基于PSO算法的雙目標優化 85
4.9 本章小結 86
第5章 氮化硅全陶瓷球軸承精密加工與檢測 87
5.1 概述 87
5.2 氮化硅陶瓷軸承外圈精密加工工藝及分析 87
5.3 氮化硅陶瓷軸承外圈端面精密磨削 89
5.3.1 加工設備及卡具 89
5.3.2 端面精磨粗糙度的測量 90
5.3.3 端面精磨表面形貌的測量 92
5.4 氮化硅陶瓷軸承外圈內圓精密磨削 94
5.4.1 加工設備及磨具 94
5.4.2 *優工藝參數計算分析 95
5.4.3 內圓精磨磨削力的測量與分析 96
5.4.4 內圓精磨粗糙度的測量與分析 96
5.4.5 內圓精磨圓度的測量與分析 98
5.5 氮化硅陶瓷軸承外圈溝道精密磨削 99
5.5.1 金剛石磨具與卡具 99
5.5.2 精磨加工后溝道粗糙度的檢測與分析 101
5.5.3 精磨加工后溝道圓度的檢測與分析 102
5.6 氮化硅陶瓷軸承外圈溝道超精加工 104
5.6.1 超精加工設備 104
5.6.2 磨具及卡具 104
5.6.3 試驗方案 106
5.6.4 試驗結果與分析 106
5.7 氮化硅陶瓷球研磨機理 110
5.7.1 陶瓷球研磨成球的過程 110
5.7.2 陶瓷球研磨中運動規律分析 114
5.7.3 陶瓷球研磨的動力學分析 119
5.7.4 批量加工中陶瓷球坯的直徑一致性 124
5.8 氮化硅陶瓷球研磨材料去除形式及表面缺陷 126
5.8.1 材料去除形式仿真 126
5.8.2 材料去除形式及表面缺陷試驗 134
5.8.3 氮化硅陶瓷球研磨工藝試驗 150
5.9 氮化硅全陶瓷球軸承檢測 164
5.10 本章小結 166
第6章 全陶瓷球軸承輻射噪聲模型 169
6.1 概述 169
6.2 全陶瓷球軸承組件相互作用分析 169
6.2.1 陶瓷球與套圈的作用分析 169
6.2.2 陶瓷球與保持架的作用分析 175
6.2.3 保持架與套圈的作用分析 176
6.3 全陶瓷球軸承動力學模型 178
6.3.1 陶瓷球的振動微分方程 179
6.3.2 保持架的振動微分方程 182
6.3.3 內圈的振動微分方程 183
6.3.4 外圈的振動微分方程 184
6.4 基于多聲源法的全陶瓷球軸承輻射噪聲模型 186
6.4.1 陶瓷球輻射噪聲 186
6.4.2 軸承套圈輻射噪聲 188
6.4.3 保持架輻射噪聲 191
6.4.4 基于多聲源法的輻射噪聲模型 191
6.5 多聲源輻射噪聲模型的驗證 193
6.5.1 全陶瓷球軸承輻射噪聲計算 193
6.5.2 全陶瓷球軸承輻射噪聲測試 194
6.5.3 試驗結果與仿真結果對比分析 195
6.6 本章小結 196
第7章 全陶瓷球軸承輻射噪聲聲場分布特性研究 198
7.1 概述 198
7.2 聲場的表征 198
7.2.1 聲場的聲壓級 198
7.2.2 聲場的指向性 199
7.2.3 聲場的頻率特性 200
7.3 全陶瓷球軸承輻射噪聲聲壓級分布特性仿真分析 201
7.3.1 圓周方向的聲壓級分布特性仿真分析 202
7.3.2 徑向方向的聲壓級分布特性仿真分析 204
7.3.3 軸向方向的聲壓級分布特性仿真分析 207
7.3.4 全聲場聲壓級分布特性仿真分析 209
7.4 全陶瓷球軸承輻射噪聲聲場頻譜特性仿真分析 212
7.4.1 圓周方向頻率特性仿真分析 212
7.4.2 徑向方向頻率特性仿真分析 214
7.4.3 軸向方向頻率特性仿真分析 216
7.4.4 全聲場頻率特性仿真分析 218
7.5 全陶瓷球軸承輻射噪聲分布特性試驗分析 220
7.5.1 全陶瓷球軸承輻射噪聲測試試驗 220
7.5.2 圓周方向的輻射噪聲試驗結果分析 223
7.5.3 徑向方向的輻射噪聲試驗結果分析 227
7.5.4 軸向方向的輻射噪聲試驗結果分析 231
7.6 本章小結 235
第8章 服役條件對全陶瓷球軸承輻射噪聲的影響研究 237
8.1 概述 237
8.2 轉速對全陶瓷球軸承輻射噪聲的影響分析 237
8.2.1 轉速對圓周方向聲場分布影響的仿真分析 238
8.2.2 轉速對徑向方向聲場分布影響的仿真分析 241
8.2.3 轉速對軸向方向聲場分布影響的仿真分析 244
8.2.4 轉速對全陶瓷球軸承聲場分布影響的試驗分析 247
8.3 預緊力對全陶瓷球軸承輻射噪聲的影響分析 252
8.3.1 預緊力對全陶瓷球軸承聲場分布影響的仿真分析 252
8.3.2 預緊力對全陶瓷球軸承聲場分布影響的試驗分析 257
8.4 供油量對全陶瓷球軸承輻射噪聲的影響分析 262
8.4.1 供油量對全陶瓷球軸承聲場分布影響的仿真分析 262
8.4.2 供油量對全陶瓷球軸承聲場分布影響的試驗分析 267
8.5 徑向載荷對全陶瓷球軸承輻射噪聲的影響分析 273
8.5.1 徑向載荷對全陶瓷球軸承聲場分布影響的仿真分析 273
8.5.2 徑向載荷對全陶瓷球軸承聲場分布影響的試驗分析 275
8.6 特殊條件下全陶瓷球軸承輻射噪聲特性分析 277
8.6.1 低速重載對全陶瓷球軸承輻射噪聲影響分析 278
8.6.2 沖擊載荷對全陶瓷球軸承輻射噪聲影響分析 280
8.6.3 無潤滑對全陶瓷球軸承輻射噪聲影響分析 281
8.6.4 環境溫度對全陶瓷球軸承輻射噪聲影響分析 284
8.7 本章小結 286
第9章 數控機床全陶瓷球軸承電主軸輻射噪聲研究 287
9.1 概述 287
9.2 數控機床全陶瓷球軸承電主軸的裝配與拆卸及噪聲分析 288
9.2.1 數控機床全陶瓷球軸承電主軸的拆裝工藝 288
9.2.2 超低溫無損傷裝配工藝全陶瓷球軸承電主軸的輻射噪聲分析 290
9.3 數控機床不同類型軸承電主軸輻射噪聲比較 290
9.3.1 測試電主軸及試驗設備 290
9.3.2 不同類型軸承電主軸輻射噪聲測試試驗方案 291
9.3.3 試驗結果分析 291
9.4 數控機床全陶瓷球軸承電主軸磨削加工時的輻射噪聲研究 297
9.4.1 數控磨床與測試電主軸介紹 297
9.4.2 磨削加工時的噪聲測試試驗方案 298
9.4.3 試驗結果分析 299
9.5 本章小結 302
參考文獻 303
“21世紀先進制造技術叢書”序
前言
第1章 緒論 1
1.1 全陶瓷球軸承簡介 1
1.1.1 全陶瓷球軸承與工程陶瓷 1
1.1.2 氮化硅陶瓷材料 2
1.1.3 全陶瓷球軸承特性 5
1.2 全陶瓷球軸承制造及應用 7
1.2.1 氮化硅陶瓷材料的加工技術 7
1.2.2 全陶瓷球軸承的應用 15
1.3 全陶瓷球軸承用氮化硅磨削技術研究現狀及發展趨勢 15
1.3.1 氮化硅陶瓷磨削技術國內外研究現狀 16
1.3.2 氮化硅陶瓷磨削技術發展趨勢 18
1.4 全陶瓷球軸承振動與噪聲研究現狀及發展趨勢 19
1.4.1 全陶瓷球軸承振動與噪聲研究現狀 19
1.4.2 全陶瓷球軸承振動與噪聲研究發展趨勢 24
第2章 用于陶瓷軸承的氮化硅的磨削力與表面形貌 27
2.1 概述 27
2.2 工程陶瓷磨削過程有限元仿真分析 27
2.3 有限元模型的建立 28
2.3.1 氮化硅陶瓷材料本構模型 28
2.3.2 金剛石磨粒有限元模型建立 30
2.3.3 仿真邊界條件及相互作用定義 31
2.4 有限元仿真結果分析 32
2.4.1 磨削力仿真結果分析 32
2.4.2 表面形貌仿真結果分析 35
2.5 磨削力的試驗研究 36
2.5.1 試驗裝置與檢測設備 36
2.5.2 磨削力試驗測量結果與分析 37
2.5.3 試驗和仿真結果對比分析 40
2.6 表面形貌的試驗研究與分析 41
2.6.1 試驗檢測設備 41
2.6.2 磨削參數對氮化硅陶瓷表面形貌的影響 42
2.7 本章小結 45
第3章 用于陶瓷軸承的氮化硅的裂紋擴展與表層損傷 46
3.1 概述 46
3.2 磨削加工裂紋的形成 46
3.2.1 磨粒壓痕效應裂紋 46
3.2.2 不連續顯微塑變裂紋 47
3.2.3 磨削熱裂紋 48
3.3 氮化硅陶瓷裂紋擴展的試驗研究 48
3.3.1 加工設備與材料 48
3.3.2 裂紋形成及擴展機理的試驗研究 49
3.4 基于UDEC的氮化硅磨削裂紋擴展仿真研究 52
3.4.1 離散元法UDEC數值模擬 52
3.4.2 基于UDEC的氮化硅損傷模型 53
3.4.3 仿真結果分析 54
3.4.4 磨粒磨削深度對裂紋擴展影響機理 56
3.4.5 磨粒磨削速度對裂紋擴展影響機理 57
3.5 磨削參數及裂紋擴展對斷裂應力的影響規律 58
3.5.1 試驗原理與設備 58
3.5.2 試驗結果分析 60
3.6 磨削后陶瓷殘余應力的試驗研究 62
3.6.1 殘余應力的測量與分析 63
3.6.2 磨削對殘余應力的影響及其分布規律研究 65
3.6.3 殘余應力對氮化硅損傷的影響 68
3.7 本章小結 70
第4章 用于陶瓷軸承的氮化硅的磨削表面質量建模與優化 72
4.1 概述 72
4.2 磨削表面質量及其評價指標 72
4.2.1 表面質量與零件的使用性能 72
4.2.2 磨削表面質量評價指標 72
4.2.3 磨削表面質量的影響因素 73
4.3 算法簡介 74
4.3.1 BP神經網絡算法原理 74
4.3.2 PSO算法原理 75
4.3.3 PSO算法改進BP神經網絡 75
4.4 基于PSO-BP的氮化硅表面粗糙度單因素數值擬合 77
4.4.1 砂輪線速度與表面粗糙度 77
4.4.2 磨削深度與表面粗糙度 78
4.4.3 工件進給速度與表面粗糙度 79
4.5 基于PSO算法的表面粗糙度多元模型優化與檢驗 79
4.5.1 模型的假設與求解 79
4.5.2 多元模型驗證 81
4.6 基于PSO-BP的氮化硅磨削表面強度數值擬合 81
4.6.1 砂輪線速度與斷裂應力 81
4.6.2 磨削深度與斷裂應力 82
4.6.3 工件進給速度與斷裂應力 83
4.7 基于PSO算法的斷裂應力多元模型優化與檢驗 83
4.7.1 模型的假設與求解 83
4.7.2 多元模型驗證 85
4.8 基于PSO算法的雙目標優化 85
4.9 本章小結 86
第5章 氮化硅全陶瓷球軸承精密加工與檢測 87
5.1 概述 87
5.2 氮化硅陶瓷軸承外圈精密加工工藝及分析 87
5.3 氮化硅陶瓷軸承外圈端面精密磨削 89
5.3.1 加工設備及卡具 89
5.3.2 端面精磨粗糙度的測量 90
5.3.3 端面精磨表面形貌的測量 92
5.4 氮化硅陶瓷軸承外圈內圓精密磨削 94
5.4.1 加工設備及磨具 94
5.4.2 *優工藝參數計算分析 95
5.4.3 內圓精磨磨削力的測量與分析 96
5.4.4 內圓精磨粗糙度的測量與分析 96
5.4.5 內圓精磨圓度的測量與分析 98
5.5 氮化硅陶瓷軸承外圈溝道精密磨削 99
5.5.1 金剛石磨具與卡具 99
5.5.2 精磨加工后溝道粗糙度的檢測與分析 101
5.5.3 精磨加工后溝道圓度的檢測與分析 102
5.6 氮化硅陶瓷軸承外圈溝道超精加工 104
5.6.1 超精加工設備 104
5.6.2 磨具及卡具 104
5.6.3 試驗方案 106
5.6.4 試驗結果與分析 106
5.7 氮化硅陶瓷球研磨機理 110
5.7.1 陶瓷球研磨成球的過程 110
5.7.2 陶瓷球研磨中運動規律分析 114
5.7.3 陶瓷球研磨的動力學分析 119
5.7.4 批量加工中陶瓷球坯的直徑一致性 124
5.8 氮化硅陶瓷球研磨材料去除形式及表面缺陷 126
5.8.1 材料去除形式仿真 126
5.8.2 材料去除形式及表面缺陷試驗 134
5.8.3 氮化硅陶瓷球研磨工藝試驗 150
5.9 氮化硅全陶瓷球軸承檢測 164
5.10 本章小結 166
第6章 全陶瓷球軸承輻射噪聲模型 169
6.1 概述 169
6.2 全陶瓷球軸承組件相互作用分析 169
6.2.1 陶瓷球與套圈的作用分析 169
6.2.2 陶瓷球與保持架的作用分析 175
6.2.3 保持架與套圈的作用分析 176
6.3 全陶瓷球軸承動力學模型 178
6.3.1 陶瓷球的振動微分方程 179
6.3.2 保持架的振動微分方程 182
6.3.3 內圈的振動微分方程 183
6.3.4 外圈的振動微分方程 184
6.4 基于多聲源法的全陶瓷球軸承輻射噪聲模型 186
6.4.1 陶瓷球輻射噪聲 186
6.4.2 軸承套圈輻射噪聲 188
6.4.3 保持架輻射噪聲 191
6.4.4 基于多聲源法的輻射噪聲模型 191
6.5 多聲源輻射噪聲模型的驗證 193
6.5.1 全陶瓷球軸承輻射噪聲計算 193
6.5.2 全陶瓷球軸承輻射噪聲測試 194
6.5.3 試驗結果與仿真結果對比分析 195
6.6 本章小結 196
第7章 全陶瓷球軸承輻射噪聲聲場分布特性研究 198
7.1 概述 198
7.2 聲場的表征 198
7.2.1 聲場的聲壓級 198
7.2.2 聲場的指向性 199
7.2.3 聲場的頻率特性 200
7.3 全陶瓷球軸承輻射噪聲聲壓級分布特性仿真分析 201
7.3.1 圓周方向的聲壓級分布特性仿真分析 202
7.3.2 徑向方向的聲壓級分布特性仿真分析 204
7.3.3 軸向方向的聲壓級分布特性仿真分析 207
7.3.4 全聲場聲壓級分布特性仿真分析 209
7.4 全陶瓷球軸承輻射噪聲聲場頻譜特性仿真分析 212
7.4.1 圓周方向頻率特性仿真分析 212
7.4.2 徑向方向頻率特性仿真分析 214
7.4.3 軸向方向頻率特性仿真分析 216
7.4.4 全聲場頻率特性仿真分析 218
7.5 全陶瓷球軸承輻射噪聲分布特性試驗分析 220
7.5.1 全陶瓷球軸承輻射噪聲測試試驗 220
7.5.2 圓周方向的輻射噪聲試驗結果分析 223
7.5.3 徑向方向的輻射噪聲試驗結果分析 227
7.5.4 軸向方向的輻射噪聲試驗結果分析 231
7.6 本章小結 235
第8章 服役條件對全陶瓷球軸承輻射噪聲的影響研究 237
8.1 概述 237
8.2 轉速對全陶瓷球軸承輻射噪聲的影響分析 237
8.2.1 轉速對圓周方向聲場分布影響的仿真分析 238
8.2.2 轉速對徑向方向聲場分布影響的仿真分析 241
8.2.3 轉速對軸向方向聲場分布影響的仿真分析 244
8.2.4 轉速對全陶瓷球軸承聲場分布影響的試驗分析 247
8.3 預緊力對全陶瓷球軸承輻射噪聲的影響分析 252
8.3.1 預緊力對全陶瓷球軸承聲場分布影響的仿真分析 252
8.3.2 預緊力對全陶瓷球軸承聲場分布影響的試驗分析 257
8.4 供油量對全陶瓷球軸承輻射噪聲的影響分析 262
8.4.1 供油量對全陶瓷球軸承聲場分布影響的仿真分析 262
8.4.2 供油量對全陶瓷球軸承聲場分布影響的試驗分析 267
8.5 徑向載荷對全陶瓷球軸承輻射噪聲的影響分析 273
8.5.1 徑向載荷對全陶瓷球軸承聲場分布影響的仿真分析 273
8.5.2 徑向載荷對全陶瓷球軸承聲場分布影響的試驗分析 275
8.6 特殊條件下全陶瓷球軸承輻射噪聲特性分析 277
8.6.1 低速重載對全陶瓷球軸承輻射噪聲影響分析 278
8.6.2 沖擊載荷對全陶瓷球軸承輻射噪聲影響分析 280
8.6.3 無潤滑對全陶瓷球軸承輻射噪聲影響分析 281
8.6.4 環境溫度對全陶瓷球軸承輻射噪聲影響分析 284
8.7 本章小結 286
第9章 數控機床全陶瓷球軸承電主軸輻射噪聲研究 287
9.1 概述 287
9.2 數控機床全陶瓷球軸承電主軸的裝配與拆卸及噪聲分析 288
9.2.1 數控機床全陶瓷球軸承電主軸的拆裝工藝 288
9.2.2 超低溫無損傷裝配工藝全陶瓷球軸承電主軸的輻射噪聲分析 290
9.3 數控機床不同類型軸承電主軸輻射噪聲比較 290
9.3.1 測試電主軸及試驗設備 290
9.3.2 不同類型軸承電主軸輻射噪聲測試試驗方案 291
9.3.3 試驗結果分析 291
9.4 數控機床全陶瓷球軸承電主軸磨削加工時的輻射噪聲研究 297
9.4.1 數控磨床與測試電主軸介紹 297
9.4.2 磨削加工時的噪聲測試試驗方案 298
9.4.3 試驗結果分析 299
9.5 本章小結 302
參考文獻 303
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全陶瓷球軸承加工工藝與噪聲特性 節選
第1章 緒論 1.1 全陶瓷球軸承簡介 1.1.1 全陶瓷球軸承與工程陶瓷 1. 全陶瓷球軸承概念 全陶瓷球軸承是一種軸承套圈與滾動體均由工程陶瓷材料制成的特種軸承，由于工程陶瓷材料的特殊性能，全陶瓷球軸承與傳統鋼制軸承相比具有優良的性能。全陶瓷球軸承具有剛度大、熱穩定性好、耐磨損、耐腐蝕以及運轉精度高、壽命長等優點。 2. 工程陶瓷材料特性 陶瓷材料是由金屬及非金屬元素的無機化合物構成的多晶固體材料，同金屬材料、高分子材料一起稱為三大固體材料。與傳統陶瓷材料相比，工程陶瓷材料是以人工合成的高純度化合物為原料，經過燒結和成形加工而成。由于工程陶瓷材料具有高強度、高硬度、高耐磨性、耐高溫、耐腐蝕、低密度、低膨脹系數等優越性能，已經用來制造軸承、密封環、燃氣輪機燃燒器、渦輪葉片、航天器噴嘴等，在各個裝備制造領域得到越來越多的應用[1]。 工程陶瓷的種類繁多，根據它的特性和用途可分為功能陶瓷和結構陶瓷兩大類[2]。其中，功能陶瓷又分為：用于電子材料的功能陶瓷，包括導電陶瓷、光電陶瓷、電介質陶瓷等；用于磁性材料的功能陶瓷，包括軟磁鐵氧體、硬磁鐵氧體和磁記錄材料等；用于光學材料的功能陶瓷，包括耐熱透明材料、透明陶瓷、紅外光學材料等。結構陶瓷包括高溫和高強度陶瓷、超硬工模具陶瓷及化工陶瓷等，具有優良的力學性能(高強度、高硬度、耐磨損)、熱性能(抗熱、抗蠕變)和化學性能(抗氧化、抗腐蝕)。氧化物和非氧化物結構陶瓷是廣泛應用的工程陶瓷，這類陶瓷包括氧化物陶瓷、氮化物陶瓷和硼化物陶瓷。氮化硅陶瓷就是一種氮化物陶瓷。 工程陶瓷材料有氮化硅(Si3N4)、氧化鋁(Al2O3)、碳化硅(SiC)和氧化鋯(ZrO2)等。經比較可知，氮化硅陶瓷材料的綜合性能優于其他陶瓷材料，是目前制備陶瓷球常用的陶瓷材料。氮化硅陶瓷材料的失效形式與軸承鋼類似，是以具有先兆的剝落方式出現的，而氧化鋯、氧化鋁均以突然碎裂的失效方式出現，不滿足陶瓷軸承平穩運行的要求[3]。表1.1列出了四種典型工程陶瓷的特性[4]。 表1.1 典型工程陶瓷的特性 1.1.2 氮化硅陶瓷材料 1. 氮化硅陶瓷材料概述 工程陶瓷作為陶瓷材料中的重要組成部分，已經引起了世界范圍內諸多科研機構的高度重視，并對其進行了深入研究，取得了大量研究成果及突破性進展。氮化硅在工程陶瓷材料中具有重要特性，很多研究學者對其優異的物理及化學性能產生了研究興趣。舉例來說，20世紀70年代前后英、法等發達國家的眾多高校及科研院所就已經開始了對氮化硅陶瓷的先行研究，他們*先對氮化硅陶瓷的結構、性能進行了分析，接著對其加工方式進行了探索，*后研究了其應用方向。在70年代之后，世界范圍內興起了對氮化硅陶瓷的研究和分析熱潮[5， 6]。到90年代，氮化硅陶瓷已經由試驗研究階段走向了應用領域并且成功地實現了產業化。從90年代至今，人們對氮化硅陶瓷進行了比較全面、細致、深入的分析和研究，發現這種材料能夠廣泛地應用在一些高科技領域，成為某些領域非常重要的替代材料。我國從1970年左右開始對氮化硅陶瓷及其相關技術進行研究，在初始階段主要對氮化硅陶瓷的性能、結構及其市場應用技術進行研究，在此之后，又對其加工與制備技術進行了研究[7-15]。 氮化硅作為現階段一種非常重要的工程陶瓷，具有許多優點，如抗熱、抗振、強度高、不易磨損、絕緣性能好、化學性穩定等[16]。氮化硅陶瓷材料在高溫下仍具有良好的物理性能，該優異性能是目前眾多學者專家研究的熱點。如今，氮化硅陶瓷正在逐漸被廣泛應用，應用領域包括機械工程及汽車領域中需要耐高溫的外殼、化工行業所使用的耐腐蝕部件、半導體行業內的坩堝，以及代替金屬材料的切削刀具、軸承及核反應堆中涉及的各種輔助部件(如隔離件等)，此外，因其優良的介電性能，而被研究用于高超聲速飛行器上的一種新型材料[17， 18]。目前，制備氮化硅的主要方法有氣壓燒結法、熱壓燒結法、反應燒結法和無壓燒結法等。經比較，相對于無壓燒結法，熱壓燒結法所需成本高，氣壓燒結法在進行燒結時溫度較為適中；從實際應用來看，反應燒結法制得的樣品強度較低，不夠致密[19]。 2. 氮化硅陶瓷材料結構與特性 物質結構是指物質材料的化學鍵與結晶結構。工程材料有分子鍵、金屬鍵、共價鍵、離子鍵等四類鍵合的形式。當材料鍵合的形式差別很大時，其基本性質也會隨之產生很大的區別。氮化硅的晶體化學鍵組成中，既包含共價鍵，也包含離子鍵，其中共價鍵占70%，離子鍵約占30%。陶瓷晶體材料中共價鍵和離子鍵所占比例的不同，會對材料的性能產生直接的影響。因氮化硅主要以共價鍵形式存在，故在溫度變化過程中較為穩定，具有低的熱膨脹性和高的熱傳導性。另外，共價鍵和離子鍵屬于結合強度高、方向性強的兩類結合鍵，故在這樣的晶體結構中發生位錯運動的概率很小[20-22]。這就決定了以氮化硅為代表的陶瓷材料和金屬材料的性能完全不一樣，*主要的區別是脆性大。 一般材料在靜拉伸試驗中，都會經歷彈性變形、塑性變形及斷裂等三個階段。氮化硅材料在靜彎曲(或常溫靜拉伸)負載作用下，塑性變形不會產生，即在陶瓷材料的變形過程中，塑性變形階段會消失，變形過程只有彈性變形和脆性斷裂。在工程材料中，能夠反映材料性能的一個重要參數為彈性模量，它所表示的物理意義為材料在產生單位變形時所需要的外力。從宏觀的角度來看，它反映的是材料的剛度；從微觀的角度來看，它反映的是材料原子之間化學鍵結合能力的大小。氮化硅等陶瓷材料和金屬材料具有不同的彈性模量，主要體現在以下三個方面[23-25]： (1) 氮化硅陶瓷的離子鍵和共價鍵更強固，故其比金屬類材料的彈性模量大很多倍。 (2) 氮化硅陶瓷材料在壓縮變形時產生的模量一般會比拉伸變形時產生的模量大。 (3) 氮化硅陶瓷的模量是通過結合鍵和分配比例，以及組成該材料的相所屬的類別及氣孔率來確定的。 在氮化硅等陶瓷材料的晶體結構中，一般發生范性變形的兩種方式為滑移和孿生。其中滑移是一種較為普遍存在的塑性變形方式，其定義為在外部所給切應力作用之下，晶體中的某一部分相對于另一部分沿著一個固定的晶面及晶向的移動。晶體的結構及其位向在發生移動時是始終保持不變的，即它不會沿著處于該晶體中的任意一個晶面及任意一方向移動，一般情況下原子排列*為緊密的那個晶面就是其滑移面。同理，原子密排的那個方向就是其滑移的方向。由位錯理論可知，滑移并不是一種發生在晶體任意兩個部分間相對剛性的移動，它由晶體間位錯的移動來完成。 氮化硅陶瓷為多晶狀態，一般來說多晶體較單晶體更不易發生滑移，因為其不規則的多晶體結構使其在常溫下不易發生塑性變形。此外，氮化硅等陶瓷材料都是大點陣常數、結構復雜且含有多種元素的多元化合物。由位錯能量公式可知，陶瓷晶體形成新的位錯，較金屬材料形成位錯所需的能量更大，所以在氮化硅等工程陶瓷材料中很難發生位錯現象。多晶體類陶瓷在受到外部應力作用時是比較容易發生塞積現象的，這是由于當陶瓷受外力時位錯不能夠輕易地穿過晶界。塞積現象同時也導致應力不易向鄰近的晶粒傳播，產生應力集中，故氮化硅等陶瓷材料具有塑性差、脆性大的特點。 1994年，Popper通過總結從20世紀70年代至1992年公開發表過的關于氮化硅陶瓷材料的文獻，發表了一篇針對氮化硅陶瓷應用的論文，這篇論文囊括了世界上眾多學者對氮化硅陶瓷材料的測量評估和有關其主要性能的理論性研究成果[26]。此后，Krstic等根據這篇文獻對氮化硅陶瓷材料的物理性能進行了總結并做了對照表，詳見表1.2[27]。氮化硅陶瓷比其他陶瓷材料有十分明顯的優勢，其能夠表現出良好的耐高溫性和只有熔融金屬才具備的化學惰性。這種材料為高硬度的材料，所以耐磨性高并且比其他陶瓷材料的斷裂韌性更高[28， 29]。 表1.2 氮化硅陶瓷材料綜合性能 1.1.3 全陶瓷球軸承特性 軸承作為現代機械工業中極其重要的零部件，在復雜多變的工業環境中起到支撐旋轉軸、減少摩擦磨損、降低熱傳遞的重要作用。隨著工程陶瓷制備、制造新技術的發展，以各類工程陶瓷為制造材料的精密全陶瓷球軸承開始大放異彩。精密全陶瓷球軸承因其密度低、抗磨損、耐高溫、耐腐蝕、不導電、不導磁等諸多優點，廣泛應用于真空、高污染、高溫、高速、腐蝕等特殊極端工況，在航空航天、船舶制造、能源開發、高速高檔機床等諸多領域得到越來越多的應用和發展。 陶瓷軸承不同于傳統金屬軸承的一點主要是材料的不同，同時陶瓷材料由于具有高硬度及高脆性等特點，制造加工比較困難，因此要想實現陶瓷軸承的批量化生產，必須解決陶瓷材料的加工技術。這就需要國內研究人員對其進行深入的研究，并且能夠將實驗室做出的研究數據轉化為產品。國內的高端陶瓷軸承90%依賴于進口，這對國內陶瓷軸承制造企業造成了極大的沖擊，但也使軸承行業清醒地認識到國內陶瓷軸承的巨大市場，要增強自身的競爭力，提高陶瓷軸承的制造技術水平。 全陶瓷球軸承與鋼制球軸承組成組件一樣，均由內外圈、球和保持架組成，圖?1.1?所示為全陶瓷角接觸球軸承的結構示意圖。對于鋼制高速角接觸球軸承，一般它們的保持架由外圈引導；而對于全陶瓷角接觸球軸承，由于陶瓷材料剛度大、熱膨脹系數小、摩擦系數低，當存在球徑誤差時，高速運轉過程中會產生小球徑陶瓷球與內圈不接觸的情況，導致較少的陶瓷球與內圈接觸，使與內圈接觸的陶瓷球受力增大，因此為了充分潤滑、減小摩擦，將全陶瓷角接觸球軸承設計為保持架由內圈引導，以使內圈滾道能夠形成良好的潤滑油膜。同時在保持架的引導面形成了油膜，在非承載區由于油膜的摩擦作用，內圈給保持架以拖動力，從而增加了保持架對陶瓷球的附加驅動力矩，進而可以起到防止打滑的效果。 圖1.1 全陶瓷角接觸球軸承結構示意圖 在圖1.1中，Di與Do分別為軸承內、外圈直徑，di與do分別為軸承內、外圈滾道直徑，dm為軸承節圓直徑，Dw為球的直徑，為接觸角，ri、ro分別為內、外圈溝道曲率半徑。陶瓷材料剛度較大，變形量相對較小，一般可以認為是點接觸。 基于鋼軸承的接觸分析，設球為接觸體I，內外圈為接觸體II，并令凸面為正值，凹面為負值，可計算全陶瓷角接觸球軸承各組件的主曲率分別如下。 球的曲率： (1.1) 內圈的曲率： (1.2) 外圈的曲率： (1.3) 式中，*，為無量綱幾何參量，*為軸承受載荷作用時的接觸角，*；*、分別為軸承內、外圈溝道曲率半徑系數。 全陶瓷角接觸球軸承的主曲率和主曲率函數分別如下。 球與內圈： (1.4) (1.5)
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