復合材料軸承設計與制造技術的應用

摘要:本文主要介紹作為新型軸承材料的聚酰亞胺(PI)和短纖維填充聚四氟乙烯(PTFE)基復合材料的力學性能和摩擦磨損性能，舉例闡述了高速轉動軸承的設計要點、制造技術及應用。

關鍵詞:復合材料;軸承;聚四氟乙烯

高速轉動軸承常采用在真空、高速、高溫等嚴苛條件，高速轉動軸承的工作情況決定了所要采用的復合材料應該具有優越的摩擦磨損性能、阻尼性能、導熱性能、耐腐蝕性能等特點。由于性能的多樣性，一般的材料是不能滿足這些性能的，需要選取可以部分滿足這些性能指標的常用材料合成新的復合材料。

一、復合材料的性能指標

高速轉動軸承的性能跟所采用材料的磨損量、摩擦系數、損耗因子和高度都有直接關系，總結分析性能較好的高速轉動軸承的采用材料應該具有以下幾個性能:

(1)摩擦系數。摩擦系數對高速轉動軸承的影響很大，特別是在玻璃化溫度范圍外。

(2)粘彈性能。粘彈性能主要體現在較大的平均損耗因子和較大的損耗因子峰值、較寬的玻璃化轉變溫度范圍。同時，在經濟成本允許的情況下，材料的動態力學性能最低值不能低于0.05。

(3)導熱、耐熱性能。復合材料能在高溫下工作，快速有效地排出減振過程產生的熱能。

(4)耐磨性能。良好的耐磨性能可以延長材料的使用壽命，減少軸承的拆卸次數，提高生產效率。因此，磨損率越低越好。

(5)耐腐蝕性能。復合材料軸承可以適應油污等惡劣的工作環境。

二、復合材料軸承的設計

(一)復合材料的選取

根據高速轉動軸承的性能指標，采用的基體材料是滿足條件的具有化學惰性、自潤滑、耐高低溫、摩擦系數穩定的聚四氟乙烯(PTFE)。為了改善聚四氟乙烯的耐磨損差、導熱性不好的等缺點，可以用短纖維，如玻璃纖維和碳纖維，填充PTFE可以減小磨損、提高摩擦系數和改善導熱性。由于短纖維的自身特點，填充后的復合材料的摩擦系數變得不穩定，需要添加摩擦系數較大、力學性能優良的聚酰亞胺(PI)。這樣不僅可以避免摩擦系數不穩定，PTFE和PI混合之后還可以改善聚四氟乙烯的粘彈性能、擴大復合材料的使用溫度區間。

(1)聚四氟乙烯(PTFE)。聚四氟乙烯的相對密度為2.17~2.19，分解溫度為400℃，熔點為327℃，其可在260℃以下的環境里持續長期使用，摩擦系數較小，具有優良的耐腐蝕性。由于聚四氟乙烯熔融化粘度很大，要采用冷壓和燒結結合的成型方式。

(2)聚酰亞胺(PI)。聚酰亞胺的長期使用溫度范圍在-200~300℃之間，具有高絕緣性能、無明顯熔點、耐腐蝕、耐高輻射、耐火焰和吸水性差等特點，被認為是一種綜合性能良好的有極高分子材料。PI雖然具有較高且穩定的摩擦系數、優良的耐磨性能，但是其韌性較差，目前使用成本較高。

(3)玻璃纖維(CF)。玻璃纖維是一種常用的短纖維。CF的密度比鋁小、強度比鋼大，同時具有耐腐蝕性、耐高溫和良好的導電性能。是一種具有熱學、電學和力學性能的優良材料。

(二)復合材料軸承模具設計

模具尺寸和形狀主要根據軸承成型收縮率來確定。影響成型收縮率的主要因素包括成型溫度、成型壓力、成型保壓時間、模具溫度、制件形狀、塑料含量等。

針對復合材料軸承， 設計模具時重點應考慮以下幾點:

(1)澆注流程平直而短，系統界面要大，以利于粉料的分散。

(2)針對壁厚及軸承形狀應特別考慮料的有利流暢通填充型腔。

(3)為使塑粉料分散，進料口增大，其長度取短。

試驗表明，采用冷壓和燒結結合制備工藝制造的模具，能滿足該復合材料的設計要求和特點。構成動模和定模組成了型腔，主流道則設在定模一層。在軸承外圈，受定模上的凸形環的影響，制品應留在動模一側，并且利用塑料的熱膨脹性，快速從動模上取下來。在軸承內圈，開模后，無論模腔內的一對嵌件留在定模還是動模上只要將其拔出，就可以取出制件。

采用上述成型工藝，經過噪聲試驗和疲勞試驗，用所設計的復合材料軸承模具制備的試件完全滿足軸承的性能指標，而且具有更顯著的優點。

三、復合材料的制造技術

根據該復合材料的特性，應采用冷壓和燒結結合的制備工藝。具體步驟如下:

(1)原料干燥處理。將聚四氟乙烯粉料在120℃以下的烘焙箱中干燥處理8h，出去顆粒之間的水分。聚酰亞胺粉料在烘焙箱中干燥處理2h以上。短纖維也要經過干燥處理，便于與原料均勻混合。

(2)稱重。按照規定的配比，用電子稱選取適當的各種粉末。

(3)混料。在高速攪拌機中，將粉料攪拌約10分鐘，使粉料混合均勻。

(4)壓制成型。按所需軸承尺寸大小稱取混合均勻的粉料填入模具，將液壓機設定合適的壓力壓制成型。整個過程分兩次卸壓，并保壓10分鐘，確保氣體從粉料中即使排出，這樣制造的制品干燥密實。

(5)燒結固化。將燒結爐提前設定好燒結工藝，把壓制好的制品放入燒結爐使制品燒制成型。

四、復合材料的應用

復合材料不僅僅在高速轉動軸承中得以應用。在其他機械制造行業中也得到了廣泛的應用。青島第六橡膠廠首次在Φ610×1730橡膠機械上使用GS材料，獲得了較為理想的使用效果和良好的耐磨性能，引起了橡膠機械制造、設計人員以及誰被管理人的極大熱情和興趣。之后，許多橡膠廠也開始研制這種復合軸承，也取得了一些較為滿意的結果。

復合材料軸承早就在橡膠行業中大量應用，采用這種軸承的橡膠廠，對該產品有極高的評價，一致認為在橡膠機械的滑動摩擦部件和軸承上使用復合材料，能減少潤滑油的使用量和達到間斷，解決漏油;保證產品質量和節約潤滑油;實現安全文明生產。

繼青島第六橡膠廠之后，肥城橡膠廠采用復合材料取代銅瓦解決三輥壓延機漏油問題。棗莊橡膠廠也在開煉機、三輥壓延機和四輥壓延機上采用復合材料軸承。在壓延機采用復合軸承，有效的避免了因電流過高造成的跳閘停電，使得銅瓦因發熱而造成的燒瓦問題。使用復合軸承后，電流也大幅度下降，從使用前的800~1000A，降低到400~500A，確保正常生產。

隨著，復合材料軸承穩定性加強，越來越多的橡膠機械廠也開始在新機中使用復合材料軸承，取代原來的銅套或銅瓦。例如，桂林橡膠機械廠在硫化機和其他橡膠機上采用復合材料軸承，并且在該廠的其他產品中逐步擴大使用量。大連橡膠機械廠也將復合材料軸承取代了雙模定型硫化機中的銅套。

由于復合材料軸承具自身獨特的使用性能，可以取代許多機械設備上的金屬、非金屬的滑動、滾動軸承。下面舉幾例可供參考借鑒。

(1)應用在汽車上。汽車的傳動軸萬向節軸承、方向機、減震器等都可以采用復合材料軸承。由于每輛汽車約使用數十件部件，汽車工業中對復合材的使用量比較大。

(2)應用在高壓齒輪泵上。高壓齒輪泵采用復合材料軸承代替原來的滾針軸承，可以使泵的工作壓力提升約25%，由16MPa提高到20MPa以上。與此同時，高壓齒輪泵的壽命也提高3倍以上。

(3)應用在穿孔機萬向節上。穿孔萬向節采用復合材料軸承取代原來的滾柱軸承，使使用壽命達到一年以上，每臺穿孔機年增效益近15萬。

(4)應用在鍛壓機床上。鍛壓機場采用復合材料軸承比較廣泛、時間也較長。

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