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量的提高，對牙病防治日益重視和普及。目前國內對牙醫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，現在國內雖有少數幾家軸承企業生產，但其質量、規格和數量都滿足不了市場的需求，所以對高速牙鉆軸承的研發具有重要的意義。

1 牙鉆組件和牙鉆軸承

高速牙鉆組件結構如圖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，軸承外圈靠橡膠定位圈彈性支承在殼體內，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，裝在軸孔內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 牙鉆組件結構

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、潮濕的惡劣環境下工作，具有高轉速、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的440C不銹鋼(相當于我國9Cr18)；美國Timken公司開發了N-DUR特殊抗腐蝕不銹鋼，用于醫藥工業領域。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量和表面粗糙度明顯優于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制造并經溝道超精的高速牙鉆軸承的運轉情況。它記錄了軸承分別作順時針和逆時針運轉時摩擦力矩的數值，縱向坐標為摩擦力矩(μN·m)，橫向坐標為軸承運轉時0～360°的位置(度)，對比顯示：N-DUR材料的軸承摩擦力矩小而穩定；440C材料的軸承摩擦力矩較大且不穩定。

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境中運轉，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見表1。

表1 Si3N4陶瓷球材料的性能參數

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(保持架中心徑與轉速)值達2×106mm·r/min，這是一種化學性能穩定、無毒合成脂，適用于高速牙鉆軸承的潤滑，能確保牙醫手機正常穩定運轉，其產品特性見表3。

表3 BF72-22 潤滑脂性能參數

3 工藝及結構特點

3.1 套圈加工工藝

內圈：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的套圈屬薄壁結構。 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圈的同心度，這對于傳統的車削前后道分散工序加工是有難度的，為此必須在數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)由于套圈屬薄壁結構，為避免套圈裝夾后產生外圓變形，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，不需再按傳統工藝作切口加工。保持架設計見圖3。

圖3 數控車床一次加工成形的冠狀實體保持架

3.4 防塵蓋結構

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

圖4 外圈帶連體防塵蓋結構 圖5 以外圈內孔為定位的防塵蓋結構

4 結束語

通過以上分析得出，高速牙鉆軸承具有高轉速、高精度、低噪聲和長壽命等技術特點，要開發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品成功的關鍵，應根據高速牙鉆軸承的結構特點和技術要求優化軸承套圈加工工藝，確定合理的工藝留量、防塵結構和關鍵特性參數，設計適用數控車床一次加工成形的實體冠形保持架。