一种无需装配的关节轴承用一体成型模具及成型方法

1.本发明涉及轴承制造技术领域，具体涉及一种无需装配的关节轴承用一体成型模具及成型方法。


背景技术：

2.关节轴承具有结构简单、承载能力高、可靠性高和易维护等特点，适用于有往复摆动、载荷大、滑动速度较慢的场合使用，常用作传动、回转、连接、支撑结构件，被广泛应用于航空航天、机器人、轨道交通、工程机械、海洋设备等领域。随着航空航天、船舶等高精尖领域的发展对关节轴承轻量化、重载、耐高温、耐腐蚀等性能要求越来越高，陶瓷关节轴承应运而生。但由于受陶瓷材料的限制，陶瓷关节轴承内、外圈装配，不能采用普通关节轴承的装配方式。
3.目前陶瓷关节轴承的生产有以下几种方式：第一种，轴承内圈、外圈单独制造，在外圈上加工缺口使其对称分布，宽度为轴承内圈的宽度，将内圈竖起放到外圈中，使内圈和外圈球面配合；由于外圈内侧存在缺口，造成外圈受力不均匀、承载能力较小，进而影响关节轴承的使用性能。第二种，将轴承外圈分为左半圈和右半圈，装配时将两个半外圈套装在内圈外侧，再将保护套套在外圈外侧，其中保护套和轴承外圈是过盈配合；由于外圈是两个半圈组成，造成轴承在使用过程中外圈受力不均匀，从而降低了关节轴承的使用寿命，长时间使用后，两半圈产生位移误差，加速内圈的摩擦损伤；所需要的装配精度较高，生产效率较低、生产成本较高。


技术实现要素：

4.针对现有技术存在的问题，本发明提供一种无需装配的关节轴承用一体成型模具及成型方法，在制备关节轴承时无需装配，可避免由于结构引起的受力不均匀、承载能力小等弊端，同时也可避免装配过程中对内外圈造成的损伤。
5.本发明的技术方案如下：
6.在本发明的第一方面，提供了一种无需装配的关节轴承用一体成型模具，包括内圈模具和外圈模具，所述内圈模具内设置有与关节轴承内圈相匹配的腔体和定位孔，内圈模具由内圈母模具和内圈子模具对接而成，并与定位芯轴配合使用；所述外圈模具内设置有与关节轴承外圈相匹配的腔体、与部分关节轴承内圈相匹配的腔体和定位孔，外圈模具由外圈母模具和外圈子模具对接而成，并与定位芯轴配合使用。
7.在本发明的一些实施方式中，所述内圈模具还包括内圈压头，所述内圈压头为环形结构，内圈压头的外径与内圈模具的上端孔的直径相同，内圈压头的内径与定位芯轴的直径相同。
8.在本发明的一些实施方式中，所述外圈模具还包括外圈压头，所述外圈压头为环形结构，外圈压头的外径与外圈模具的上端孔的直径相同，外圈压头环形端面与关节轴承外圈端面相贴合。
9.在本发明的一些实施方式中，所述内圈子模具上设置定位销，内圈母模具与定位销相对应的位置设置定位孔，所述外圈子模具上设置定位销，外圈母模具与定位销相对应的位置设置定位孔，所述定位销与定位孔相配合。
10.在本发明的一些实施方式中，所述定位芯轴包括基座和芯轴，所述基座与内圈模具内的定位孔或外圈模具内的定位孔相互配合。
11.在本发明的一些实施方式中，所述芯轴的直径与关节轴承的内圈内径相同，所述芯轴的高度大于外圈模具和内圈模具的高度。
12.在本发明的第二方面，提供了一种无需装配的关节轴承用一体成型方法，包括以下步骤：
13.将内圈母模具和内圈子模具进行对接，将定位芯轴放置在内圈模具定位孔内，从模具端口倒入关节轴承内圈原料，然后用内圈压头将原料压实；
14.待关节轴承内圈成型后，放入常压加热容器中，进行烧结；
15.在烧结好的关节轴承内圈外表面喷涂石墨粉并贴附一层柔性石墨纸，然后置于定位芯轴上，将定位芯轴放置在外圈模具的定位孔内，从模具端口倒入关节轴承外圈原料，用外圈压头压紧；
16.待关节轴承外圈成型后，将关节轴承整体放入常压加热容器中，进行烧结；
17.将成型的关节轴承从加热容器中取出，然后在氧化炉中加热至720℃-800℃把石墨纸层烧掉，即得到关节轴承。
18.在本发明的一些实施方式中，关节轴承内圈烧结时，封闭常压加热容器，充入氮气，压力控制在80mpa-190mpa，烧结温度为1950℃-2200℃，保温1-2小时。
19.在本发明的一些实施方式中，关节轴承整体烧结时，封闭常压加热容器，充入氮气，压力控制在2mpa-8mpa范围内，烧结温度为1200℃-1350℃，保温1-3小时。
20.在本发明的一些实施方式中，所述石墨纸层的厚度为0.01mm-0.1mm。
21.本发明一个或多个技术方案具有以下有益效果：
22.(1)本发明提供的成型模具，包括内圈模具和外圈模具，可以通过内圈模具先制备得到关节轴承内圈，然后将关节轴承内圈放置在外圈模具中，直接制备得到关节轴承的一体部件，生产陶瓷关节轴承可避免由于结构引起的受力不均匀、承载能力小等弊端，同时也可避免装配过程中对内外圈造成的损伤。
23.(2)本发明提供的成型方法，通过在关节轴承内圈的外壁面上喷涂石墨粉以及贴附柔性石墨纸，可以在制备得到整体关节轴承后，再放入纯氧气氛炉中加热至720℃-800℃将石墨层烧掉，可以得到整体的全陶瓷关节轴承，免去了关节轴承内圈和外圈进行装配的过程。
24.(3)本发明的成型模具结构简单，容易实现，制备关节轴承的过程也比较简单，无需装配，提高了关节轴承的精度和生产效率。
附图说明
25.图1为本发明的内圈子模具结构示意图；
26.图2为本发明的内圈母模具结构示意图；
27.图3本发明的关节轴承内圈压制剖面结构示意图；
28.图4本发明的外圈子模具结构示意图；
29.图5本发明的外圈母模具结构示意图；
30.图6本发明的关节轴承外圈压制剖面结构示意图；
31.图7本发明制备的关节轴承内圈示意图；
32.图8本发明制备的关节轴承外圈示意图；
33.图9本发明制备的关节轴承整体示意图。
34.图中：1-陶瓷关节轴承内圈；2-陶瓷关节轴承外圈；3-内圈压头；4-内圈母模具；41-内圈母模具定位孔；42-内圈母模具芯轴定位面；43-内圈母模具芯轴定位孔；44-内圈母模具端面；5-内圈子模具；51-内圈子模具定位销；52-内圈子模具芯轴定位面；53-内圈子模具芯轴定位孔；54-内圈子模具端面；6-轴承外圈压头；7-外圈子模具；71-外圈子模具定位销；72-外圈子模具定位面；73-外圈子模具芯轴定位孔；74-外圈子模具端面；8-外圈母模具；81-外圈母模具定位孔；82-外圈母模具芯轴定位面；83-外圈母模具芯轴定位孔；84-外圈母模具端面；9-定位芯轴。
具体实施方式
35.下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
36.实施例1
37.本发明的一种典型的实施方式中，如图1-6所示，提出一种无需装配的关节轴承用一体成型模具，包括内圈模具和外圈模具，内圈模具用来制备关节轴承内圈，外圈模具用来制备关节轴承外圈。
38.其中，内圈模具的结构如图1和图2所示，内圈模具由内圈母模具4和内圈子模具5对接而成，所述内圈模具内设置有与关节轴承内圈相匹配的腔体和定位孔，具体的，内圈母模具4的外形为长方体，在长方体的的侧面上开设曲面凹槽，曲面凹槽包括与关节轴承内圈相配合的曲面和与定位芯轴配合的曲面，定位芯轴通过内圈母模具芯轴定位面42进行定位，内圈子模具5的结构与内圈母模具4的结构相似，区别在于，内圈母模具4的内圈母模具端面44上设置有多个内圈母模具定位孔41，而内圈子模具5的内圈子模具端面54上设置有多个内圈子模具定位销51，内圈母模具定位孔41和内圈子模具定位销51的位置相对应，在内圈母模具4和内圈子模具5对接时，将内圈子模具定位销51插入内圈母模具定位孔41内，内圈母模具端面44和内圈子模具端面54相互紧密贴合，内圈母模具4和内圈子模具5之间形成了与关节轴承内圈相匹配的腔体和与定位芯轴配合的定位孔。
39.如图3所示，所述内圈模具还包括内圈压头3，在制备关节轴承内圈时，通过内圈压头对模具内的原料进行压实，所述内圈压头3为环形结构，内圈压头的外径与内圈模具的上端孔的直径相同，内圈压头的内径与定位芯轴的直径相同，所述定位芯轴9包括基座和芯轴，所述基座和芯轴均为圆柱形，在使用时，所述基座放置在内圈模具内的定位孔内，芯轴的直径与关节轴承内圈的内径相同，实现对关节轴承在制备过程中的定位，芯轴与内圈模具之间的空腔即为关节轴承内圈的成型腔体。
40.外圈模具的结构如图4和图5所示，外圈模具由外圈子模具7和内圈母模具8对接而成，所述外圈模具内设置有与关节轴承外圈相匹配的腔体、与部分关节轴承内圈相匹配的腔体、定位孔，具体的，外圈子模具7的外形为圆柱体，在圆柱体的侧面上开设曲面凹槽，曲
面凹槽包括与关节轴承内圈相配合的曲面、与部分关节轴承内圈相匹配的曲面、与定位芯轴配合的曲面，定位芯轴通过内圈子模具芯轴定位面72进行定位，外圈子模具7的结构与外圈母模具8的结构相似，区别在于，外圈母模具8的外圈母模具端面84上设置有多个外圈母模具定位孔81，而外圈子模具7的外圈子模具端面74上设置有多个外圈子模具定位销71，外圈母模具定位孔81和外圈子模具定位销71的位置相对应，在外圈子模具7和外圈母模具8对接时，将外圈子模具定位销71插入外圈母模具定位孔81内，外圈子模具端面74和外圈母模具端面84相互紧密贴合，外圈母模具8和外圈子模具7之间形成了与关节轴承内圈相匹配的腔体、部分关节轴承内圈相匹配的、与定位芯轴配合的定位孔。
41.如图6所示，所述外圈模具还包括外圈压头6，在制备关节轴承外圈时，通过外圈压头对模具内的原料进行压实，所述外圈压头6为环形结构，外圈压头的外径与外圈模具的上端孔的直径相同，外圈压头环形端面与关节轴承外圈端面相贴合，所述定位芯轴包括基座和芯轴，所述基座和芯轴均为圆柱形，在使用时，首先内圈模具制备的关节轴承内圈安装在定位芯轴9上，然后将定位芯轴的基座放置在外圈模具内的定位孔内，关节轴承内圈与外圈模具之间的空腔即为关节轴承外圈的成型腔体。
42.为了方便定位芯轴的安装与拆卸，将定位芯轴的芯轴的高度设置成大于外圈模具和内圈模具的高度。
43.实施例2
44.本发明的一种典型的实施方式中，提出一种无需装配的关节轴承用一体成型方法，包括以下步骤：
45.将内圈母模具和内圈子模具进行对接，将定位芯轴放置在内圈模具定位孔内，从模具端口倒入关节轴承内圈原料，然后用内圈压头将原料压实；
46.待关节轴承内圈成型后，放入常压加热容器中，进行烧结；
47.在烧结好的关节轴承内圈外表面喷涂石墨粉并贴附一层柔性石墨纸，然后置于定位芯轴上，将定位芯轴放置在外圈模具的定位孔内，从模具端口倒入关节轴承外圈原料，用外圈压头压紧；
48.待关节轴承外圈成型后，将关节轴承整体放入常压加热容器中，进行烧结；
49.将成型的关节轴承从加热容器中取出，然后在氧化炉中加热至720℃-800℃把石墨纸层烧掉，即得到关节轴承；该步根据石墨在有氧和无氧环境中的燃点不同实现的，石墨在无氧环境(氮气)中燃点大于2200℃，在有氧环境下燃点在700℃左右，因此可以确保关节轴承内圈在进行烧结时石墨纸层不会被烧掉。
50.在本实施例中，关节轴承内圈烧结时，封闭常压加热容器，充入氮气，压力控制在80mpa-190mpa，烧结温度为1950℃-2200℃，保温1-2小时。
51.在本实施例中，关节轴承整体烧结时，封闭常压加热容器，充入氮气，压力控制在2mpa-8mpa范围内，烧结温度为1200℃-1350℃，保温1-3小时。
52.在本实施例中，所述石墨纸层的厚度为0.01mm-0.1mm，石墨纸的厚度不能过大，若选择的石墨纸的厚度较大，烧结后内外圈之间的间隙较大，不符合关节轴承的游隙的标准，通过将石墨纸的厚度设置在0.01mm-0.1mm之间，可以保证关节轴承符合游隙的标准。
53.以制备陶瓷关节轴承为例：
54.第一步：陶瓷关节轴承内圈的原料按照碳化硅73％-83％、酚醛树脂5％-12％、炭
黑1％-1.5％、石墨1％-4％、聚乙烯醇6％-9％、碳化硼0.5％-1％的百分比进行混料，形成碳化硅陶瓷原料混合物，其中，碳化硅微粉的粒度为0.2-0.6μm。
55.第二步：将内圈子模具定位销放入内圈母模具定位孔内，使内圈子模具端面与内圈母模具端面紧密相贴；将定位芯轴放置在内圈模具定位孔内，将混合好的碳化硅陶瓷原料从模具端口倒入，然后用内圈压头将原料压实，并预压1-2分钟；
56.第三步：将关节轴承内圈从芯轴上取出，然后放入常压加热容器中，封闭容器，冲入氮气，压力控制在80mpa-190mpa范围内，烧结温度为1950℃-2200℃，保温1-2小时，由于内圈材料为sic陶瓷，sic的烧结温度大较难烧结，增大压强和烧结温度有利于促进烧结，然后自然冷却至室温。
57.第四步：将关节轴承内圈从加热容器中取出，将烧结好的关节轴承内圈的外表面进行处理，喷涂石墨粉，并在内圈外表面贴附一层柔性石墨纸，石墨纸的厚度介于0.01mm-0.1mm之间。
58.第五步：将烧结后的关节轴承内圈置于芯轴上，把芯轴安放在外圈子模具定位孔内，将外圈子模具的定位销放入外圈母模具的定位孔内，使外圈子模具端面与外圈母模具端面紧密贴合。
59.第六步：将40％-95％的氧化铝、1％-40％的氧化锆及1％-2％的燃烧助剂进行混料，原料的粒径均为0.2-0.7μm。
60.第七步：将混合好的氧化铝陶瓷原料从外圈模具端口倒入，后用外圈压头将原料压实，并预压1-2分钟，形成外圈坯料和内圈成品的结合体。
61.第八步：将得到的陶瓷关节轴承放入常压加热容器中，封闭容器，冲入氮气，压力控制在2mpa-8mpa范围内，烧结温度为1200℃-1350℃，保温1-3小时，外圈的材质为氧化铝，氧化铝的烧结温度较低，在较低压力和温度下即能实现烧结，之后自然冷却至室温。
62.第九步：将成形的陶瓷关节轴承从加热容器中取出，然后将轴承在氧化炉中加热至720℃-800℃将石墨层烧掉，即得到全陶瓷关节轴承，陶瓷关节轴承的结构如图7-9所示。
63.以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种无需装配的关节轴承用一体成型模具，其特征在于，包括内圈模具和外圈模具，所述内圈模具内设置有与关节轴承内圈相匹配的腔体和定位孔，内圈模具由内圈母模具和内圈子模具对接而成，并与定位芯轴配合使用；所述外圈模具内设置有与关节轴承外圈相匹配的腔体、与部分关节轴承内圈相匹配的腔体和定位孔，外圈模具由外圈母模具和外圈子模具对接而成，并与定位芯轴配合使用。2.如权利要求1所述的无需装配的关节轴承用一体成型模具，其特征在于，所述内圈模具还包括内圈压头，所述内圈压头为环形结构，内圈压头的外径与内圈模具的上端孔的直径相同，内圈压头的内径与定位芯轴的直径相同。3.如权利要求1所述的无需装配的关节轴承用一体成型模具，其特征在于，所述外圈模具还包括外圈压头，所述外圈压头为环形结构，外圈压头的外径与外圈模具的上端孔的直径相同，外圈压头环形端面与关节轴承外圈端面相贴合。4.如权利要求1所述的无需装配的关节轴承用一体成型模具，其特征在于，所述内圈子模具上设置定位销，内圈母模具与定位销相对应的位置设置定位孔，所述外圈子模具上设置定位销，外圈母模具与定位销相对应的位置设置定位孔，所述定位销与定位孔相配合。5.如权利要求1所述的无需装配的关节轴承用一体成型模具，其特征在于，所述定位芯轴包括基座和芯轴，所述基座与内圈模具内的定位孔或外圈模具内的定位孔相互配合。6.如权利要求5所述的无需装配的关节轴承用一体成型模具，其特征在于，所述芯轴的直径与关节轴承的内圈内径相同，所述芯轴的高度大于外圈模具和内圈模具的高度。7.一种无需装配的关节轴承用一体成型方法，其特征在于，包括以下步骤：将内圈母模具和内圈子模具进行对接，将定位芯轴放置在内圈模具定位孔内，从模具端口倒入关节轴承内圈原料，然后用内圈压头将原料压实；待关节轴承内圈成型后，放入常压加热容器中，进行烧结；在烧结好的关节轴承内圈外表面喷涂石墨粉并贴附一层柔性石墨纸，然后置于定位芯轴上，将定位芯轴放置在外圈模具的定位孔内，从模具端口倒入关节轴承外圈原料，用外圈压头压紧；待关节轴承外圈成型后，将关节轴承整体放入常压加热容器中，进行烧结；将成型的关节轴承从加热容器中取出，然后在氧化炉中加热至720℃-800℃把石墨纸层烧掉，即得到关节轴承。8.如权利要求7所述的无需装配的关节轴承用一体成型方法，其特征在于，关节轴承内圈烧结时，封闭常压加热容器，充入氮气，压力控制在80mpa-190mpa，烧结温度为1950℃-2200℃，保温1-2小时。9.如权利要求7所述的无需装配的关节轴承用一体成型方法，其特征在于，关节轴承整体烧结时，封闭常压加热容器，充入氮气，压力控制在2mpa-8mpa范围内，烧结温度为1200℃-1350℃，保温1-3小时。10.如权利要求7所述的无需装配的关节轴承用一体成型方法，其特征在于，所述石墨纸层的厚度为0.01mm-0.1mm。

技术总结
本发明公开了一种无需装配的关节轴承用一体成型模具及成型方法，所述成型模具包括内圈模具和外圈模具，所述内圈模具内设置有与关节轴承内圈相匹配的腔体和定位孔，内圈模具由内圈母模具和内圈子模具对接而成，并与定位芯轴配合使用；所述外圈模具内设置有与关节轴承外圈相匹配的腔体、与部分关节轴承内圈相匹配的腔体和定位孔，外圈模具由外圈母模具和外圈子模具对接而成，并与定位芯轴配合使用；本发明可以通过内圈模具先制备得到关节轴承内圈，然后将关节轴承内圈放置在外圈模具中，直接制备得到关节轴承的一体部件，生产陶瓷关节轴承可避免由于结构引起的受力不均匀、承载能力小等弊端，同时也可避免装配过程中对内外圈造成的损伤。的损伤。的损伤。


技术研发人员：陈辉 刘香港 许崇海 张静婕 肖光春 孙泽 苏伟光
受保护的技术使用者：齐鲁工业大学（山东省科学院）
技术研发日：2023.04.21
技术公布日：2023/8/4