一种超高速轴承滚珠制造方法与设备

本发明采用高频快速熔炼、失重成型等技术，设计了以低比重大块非晶金属合金为原料，经高频熔炼为合金液体，在均匀阻力场作用下，使合金液体在失重状态下滴落，快速冷却，依靠液体表面张力自然成型的超高速轴承滚珠制造方法与设备。这种方法制造的轴承滚珠，其内部金属原子分布均匀、致密、没有金属晶体结构、也不存在晶格缺陷，与现有金属合金材料及现有加工工艺制造的超高速轴承滚珠相比，具有更佳的刚性、弹性、韧性和耐高温、耐疲劳性、耐磨损性，并且可以一次成型。既简化了制造工艺，降低了制造成本，又提高了轴承使用寿命。适用于飞行器、高速离心机等超高速轴承制造行业。本发明属于新材料应用和金属材料加工工艺领域。

非晶金属又称为液体金属、或玻璃金属。熔融状态的金属液体在极速(百万分之一秒)冷却状况下，金属液体中的原子来不及移动形成有序晶格就以无序状态凝固成固体。这种固体被称之为非晶金属。由于非晶金属固体内部原子分布具有液体的特征，也称为玻璃态特征，所以，非晶金属内部的微观结构与普通金属内部原子有序排列构成晶格的微观结构迥异。这种金属内部原子分布状态的改变，直接导致金属性能发生了令人吃惊的变异。譬如，非晶金属不存在晶格，也就没有晶格之间的滑动和晶格缺陷，因而非晶金属没有普通金属的延展性。正因为非晶金属质地紧密、均匀、无结构性缺陷的玻璃态特性，决定了非晶金属具有普通金属难以媲美的刚性、韧性、弹性和化学稳定性。此外，非晶金属在受热融化时，没有固定的熔点，像玻璃一样，先软化，再由稠变稀，经过一个温度上升区间后，才能完全液化。并且，非晶金属在液化过程中具有较好的流动性和填充性，经冷却固化后、因没有晶体形成，故原子排列状态仍然与液态时相同，所以，体积保持不变。这种特性使得非晶金属可以在一定温度区间内，像玻璃、塑料一样，利用模具精确成型。

由于采用极速冷却方法获得的非晶金属，不但成本高昂且很难获得大体积的非晶金属。通常这种方法只能用于制造薄片状或粉末状的非晶金属。

大体积的非晶金属又称大块非晶金属合金。现有的大块非晶金属合金制造技术是利用几种原子体积相差较大的金属，按照一定的配比混合，在加热熔融为液态时，由于金属原子体积相差较大，形成相互粘滞状态，定向移动困难，所以在凝固时难以组合形成有序晶格。因此，通过设计恰当的金属组分和配比，就可以在非极速冷却条件下，得到原子呈无序状态的大块非晶金属合金。

现有超高速轴承滚珠主要制造材料有钛、镍、锰、钨、铬等超硬金属，或其合金。由于这些材料以金属晶体状态存在，其内部不可避免存在着一定量的晶格缺陷，会产生疲劳、断裂、磨损现象，限制了超高速轴承滚珠的力学性能和使用寿命进一步提高。而采用大块非晶金属合金材料制造超高速轴承滚珠可以解决金属晶体合金的缺陷，大幅度提高其使用性能。

大块非晶金属合金液体在地球重力场、及液态粘稠均匀介质阻力场共同作用形成的失重环境中，下落时的形状受表面张力作用，由流线体转变为较完美的球体，经冷却凝固后，可以一次成型为用于轴承的滚珠。解决了大块非晶金属合金这种超硬合金不容易机械加工的问题。采用这种方法制造的超高速轴承滚珠不仅省去了机械加工过程，而且表面光洁度高于机械抛光工艺。此外，处于液态介质环境中，大块非晶金属合金液体在固化成型过程中，完全与空气隔绝，可以避免内部存在孔隙或表面发生氧化反应。

为进一步提高超高速轴承滚珠力学、化学、热学性能，延长使用寿命、简化加工工艺、降低制造成本，本发明提出的制造方法与设备解决方案如下：

采用以铝、钛、锆、镍、铜、锌、铬、锰等金属元素为主要成分的大块非晶金属合金材料为原料提高超高速轴承滚珠的使用性能，降低比重。

采用具有较强粘滞性的淀粉类有机高分子溶液作为均匀阻力场，调整控制其粘度与大块非晶金属合金材料比重相互匹配，使大块非晶金属合金液体在有机高分子溶液中，重力与阻力接近，以匀速运动下落，在凝固过程中形成完美的球体。既解决了硬度极高的大块非晶金属合金加工成型问题，又解决了大块非晶金属合金液体固化过程中可能发生的氧化反应和内部出现孔隙等影响质量的问题。

采用高频炉熔融大块非晶金属合金原料，既操作方便，又可以提高大块非晶金属合金液化速度。

采用导热性能优良的并具有循环热油调控恒温功能的金属容器保持有机高分子溶液处于恒温状态。既可以起到散热冷却作用又可以使有机高分子溶液粘度保持稳定。

采用具有旋转阀门功能的密封原料罐，既避免原料高温氧化，又可以解决大块非晶金属合金液体定量问题。只有每次下落的大块非晶金属合金液体体积相同，才能保证凝固成型的轴承滚珠直径一致。

图1是本发明生产设备结构图。生产设备由原料熔融系统、大块非晶金属合金液体定量系统、均匀粘稠介质阻力场系统组成。原料熔融系统包括：高频电源(1)、高频加热线圈(2)、耐热陶瓷管(3)、密封耐热陶瓷原料罐(4)、液态原料通道(16)、及通道入口(17)构成。液体定量系统由密封耐热陶瓷原料罐(4)、转动控制器(10)构成。均匀粘稠介质阻力场系统包括：金属容器(11)、有机高分子溶液(12)、热油通道(13)、恒温控制柜(14)、超高速轴承滚珠(15)、出料阀门(18)构成。

图2是密封耐热陶瓷原料罐(4)结构图。罐体(4)由耐热陶瓷活塞(5)、大块非晶合金原料(6)、液态原料(7)通道(8)、及通道出口(9)构成。设备工作时，密封耐热陶瓷原料罐(4)插入高频加热线圈(2)缠绕的耐热陶瓷管(3)中，当转动控制器带动密封耐热陶瓷原料罐(4)转动使通道出口(9)与耐热陶瓷管(3)底部液态原料通道(16)入口(17)发生对接时，液态原料(7)滴落入金属容器中的有机高分子溶液中。

本发明优选实施方案为：金属容器(11)是直径约1米的高度约为1.5米的圆柱体，由导热良好的金属铜制成。金属容器(11)漏斗形内腔体充满由有机高分子制成的粘稠状溶液(12)。金属容器(11)腔体外壁夹层中由热油通道(13)通入恒温控制柜(14)提供的循环热油。金属容器(11)上部密封盖中心安装缠绕着高频加热线圈(2)的耐热陶瓷管(3)。高频加热线圈(2)通过导线与高频电源(1)联通后，可产生的高频电磁场将颗粒状大块非晶合金原料(6)熔化为液体。耐热陶瓷管(3)底部液态原料(7)通道(16)与金属容器(11)腔体联通。金属容器(11)漏斗形内腔体底部安装有出料阀门(18)。

原料罐由耐热陶瓷制成，罐体(4)内装有颗粒状大块非晶合金原料(6)，由耐热陶瓷制作的具有液态原料(7)通道(8)的圆柱体活塞(5)将罐体(4)开口封堵。罐体(4)外径与缠绕着高频加热线圈(2)的耐热陶瓷管(3)的内径相同。罐体(4)底部安装在转动控制器(10)下方。当罐体(4)插入耐热陶瓷管(3)后，可以在耐热陶瓷管(3)中转动。当耐热陶瓷活塞(5)液态原料(7)通道(8)的出口(9)与耐热陶瓷管(3)底部液态原料(7)通道(16)入口(17)重合时，大块非晶合金原料(6)熔化形成的液态原料(7)从原料罐体(4)通过通道(8)通道(16)流入金属容器(11)内腔体，落入粘稠状溶液(12)中。

流出液态原料(7)的量与转动控制器(10)驱动罐体(4)的转速有关。转速快时，出口(9)与入口(17)重合时间短，液态原料(7)流出量少，形成的滚珠(15)直径较小；转速慢时，每次旋转中出口(9)与入口(17)重合时间长，液态原料(7)流出量多，形成的滚珠(15)直径较大。如果控制原料罐体(4)旋转至出口(9)与入口(17)处于重合状态时停止转动，此时液态原料(7)将连续不断地流出，落入粘稠状溶液(12)后，则凝固为较长的圆柱体。分段切割后可以制造圆柱体形状的轴承滚珠。

制造超高速轴承滚珠(15)的具体工艺流程为：

将原料罐罐体(4)内装填颗粒状大块非晶合金原料(6)后，装入耐热陶瓷活塞(5)并将耐热陶瓷活塞(5)与罐体(4)内壁固定。＝＝》将罐体(4)插入固定在金属容器(11)上部密封盖中心的耐热陶瓷管(3)底部，使耐热陶瓷活塞(5)与耐热陶瓷管(3)底部凸出圆柱台充分接触，但耐热陶瓷活塞(5)通道(8)与耐热陶瓷管(3)底部凸出圆柱台的通道(16)处于不重合的对应位置，即通道关闭状态。＝＝》调整转动控制器(10)高度，将原料罐体(4)的尾端固定在转动控制器(10)转动装置上。＝＝》启动恒温控制柜(14)向金属容器(11)提供循环热油，保持粘稠状溶液(12)温度在摄氏90度左右。＝＝》启动高频电源(1)接通高频加热线圈(2)，使大块非晶合金原料(6)熔化形成的液态原料(7)。＝＝》启动转动控制器(10)转动装置驱动原料罐体(4)在耐热陶瓷管(3)内匀速转动，每当原料罐体(4)旋转至耐热陶瓷活塞(5)的通道(8)出口(9)与耐热陶瓷管(3)底部通道(16)入口(17)重合位置时，液态原料(7)从原料罐体(4)通过通道(8)通道(16)流入金属容器(11)内腔体，滴落入粘稠状溶液(12)中，凝固为球形滚珠(15)或圆柱体，汇集在金属容器(11)漏斗形内腔体底部。＝＝》打开金属容器(11)漏斗形内腔体底部安装的出料阀门(18)，排放滚珠(15)，清洗滚珠(15)表面粘液后，将检测合格的滚珠(15)包装出货。