中空或部分中空的滚动元件的增材制造的制作方法

中空或部分中空的滚动元件的增材制造
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求2020年2月4日提交的美国临时专利申请62/969,962和2021年1月26日提交的美国专利申请17/158,398的优先权，该美国临时专利申请和美国专利申请的全部公开内容通过参引并入本文。
技术领域
3.本公开涉及制造轴承滚动元件的方法。更具体地，本公开涉及采用增材制造来制造中空或具有晶格内芯的滚动轴承的方法。


背景技术：

4.轴承减少了意在相对于彼此移动的部件之间的摩擦，尤其是当力从部件中的一个部件传递至另一个部件时。在滚动元件轴承中，在两个部件中的每个部件中形成有滚道，并且滚道内容纳有一组元件，从而使部件分开。元件与滚道之间的接触主要是滚动接触而不是滑动接触，由此显著减少了相对运动的阻力。在一些应用中，滚动元件可以通过笼状件相对于彼此间隔开。滚动元件可以是滚珠、筒形滚子、锥形滚子或球形滚子。
5.根据应用，滚动元件可以由金属、陶瓷或其他材料制成。图1图示了用于模制用于滚动元件的坯料的常规工艺。坯料由两件式模具10和12形成。在压实时上模具与下模具之间的模具间隙14为约100微米，但是模具间隙的宽度和厚度两者将根据滚珠的尺寸、加工条件和其他变量而变化。加工和压实过程的质量将决定所形成的滚珠的状况以及在随后的步骤中纠正任何缺陷的必要处理。一旦滚珠在模具系统中形成，上述间隙将在滚珠的赤道周围留下一条薄的额外材料。这种凸起的材料通常被称为“土星环”并且必须在随后的处理步骤中去除。此外，在压实期间，模具的形状中的任何缺陷和施加在滚珠上的压力平衡将导致将不被认为是圆形的滚珠。这种形状偏差以及烧结过程期间的其他影响、比如变形和收缩都需要在允许去除更多的材料时考虑，从而在完成时形成完美的球形形状。为了补偿这些变形，添加了大量的“研磨”原料，以使得能够通过一系列的处理操作来创建真正的球体。这种研磨原料余量通常从对于10mm直径的滚珠的0.8mm变化至对于60mm直径的滚珠的1.9mm。
6.在一些应用中，陶瓷滚动元件提供了优于其钢制对应物的优势。大多数陶瓷(特别是氮化硅si3n4)的密度低于钢的密度，使得零部件非常坚固且轻，从而允许良好的热耗散。它还提供在一些应用中有价值的电绝缘性能。通过减小离心力和提高系统效率，较轻的重量也在高速应用中有益。
7.当前的实心陶瓷滚动元件的主要问题是生产这种产品所需的材料成本和时间长度。典型的制造工艺包括通过将陶瓷粉末与粘结剂混合来制造坯料，然后将混合物压入到模具中。所得到的坯料可以在烧结之前进行机加工，或者直接烧结，然后通过若干处理步骤达到最终尺寸和表面光洁度。为了使陶瓷颗粒在从模具中移除后保持其形状，需要粘结材料。尽管需要粘结材料来制造滚动元件，但是粘结材料必须在硬化过程期间被去除，以生产出具有尽可能高的颗粒密度水平的纯陶瓷产品。陶瓷硬化期间需要极热来烧掉粘结材料。
更大的滚动元件需要更长的处理时间，并且更有可能因收缩而变形。
8.上述工艺的缺点是由于昂贵的材料(高达总成本的70％)和多个非常长的处理步骤(通常在150小时与500小时之间)而导致的高成本。这种高成本限制了这些产品在热或速度是关键因素的利基领域的应用。此外，由于坯料在模具中生产，因此加工成本和运送是使小批量应用的成本效益显著增加的重要因素。


技术实现要素：

9.一种陶瓷滚动元件制造过程，使用增材制造工艺制造坯料、烧结坯料、并研磨坯料。坯料由陶瓷粉末和粘结剂的混合物形成。烧结去除了粘结剂并使陶瓷粉末硬化。研磨产生最终的滚动元件形状。坯料可以具有围绕具有至少一个有意空隙的芯部的外壳体。芯部可以是中空的或者可以形成陶瓷粉末和粘结剂的晶格。壳体可以具有球形外表面。
附图说明
10.图1是常规坯料形成工艺的示意图。
11.图2是中空的滚珠滚动元件的剖视图。
12.图3是具有晶格芯部的部分中空的滚珠滚动元件的剖视图。
具体实施方式
13.本文中描述了本公开的各实施方式。应该意识到的是，出现在不同附图视图中的同样的附图标记标识相同或功能相似的结构元件。还要理解的是，所公开的各实施方式仅是示例，并且其他实施方式可以采取各种形式和替代性形式。这些图不一定是按比例的；为了示出特定部件的细节，一些特征可以被放大或最小化。因此，本文中所公开的特定结构性和功能性细节不应被解释为限制性的，而是仅作为用于教示本领域的技术人员以各种方式采用各实施方式的代表性基础。如本领域中的普通技术人员将理解的，参照各图中的任何一个图所图示和描述的各种特征可以与在一个或更多个其他图中所图示的特征相结合，以产生未明确图示或描述的实施方式。所图示的特征的组合为典型应用提供了代表性实施方式。然而，对于特定应用或实现方式，可能期望与本公开的教示相一致的特征的各种组合和改型。
14.本文中所使用的术语仅为了描述特定方面的目的，并且不意在限制本公开的范围。除非以其他方式限定，否则本文中所使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员中的一个普通技术人员通常所理解的含义相同的含义。尽管可以在本公开的实践或测试中使用类似于或等同于本文中所描述的那些方法、装置或材料的任何方法、装置或材料，但是现在描述以下示例方法、装置和材料。
15.不管材料和几何构型如何，使用中空或部分中空的滚动元件在许多应用中都具有优势。
16.图2是图示了中空的滚珠滚动元件20的剖视图。除了滚珠以外的滚动元件也可以是中空的。滚珠包括具有内球形表面24和外球形表面26的壳体22。壳体必须足够厚，以承载设计负载。中空的陶瓷滚动元件特别有利。对于给定的滚动元件直径，中空的滚动元件使用显著更少的材料，从而降低了成本和质量两者。此外，将粘结材料从壳体中抽出比将粘结材
料从实心元件的芯部中去除需要显著更少的时间。
17.图3是图示了具有骨架芯部28的部分中空的滚珠滚动元件20’的剖视图。骨架框架提供了额外的强度，从而增加了负载能力或减少了给定设计负载所需的壳体厚度。在烧结过程期间，晶格中的开放空间允许粘结材料从晶格材料容易地移动至壳体的内表面，使得烧结时间相对于实心显著减少。
18.常规的模制工艺不适于制造用于图1和图2的滚珠的坯料。然而，增材制造工艺(有时称为3d打印)能够生产这些坯料。若干陶瓷增材制造工艺是可用的。纳米颗粒喷射(npj)利用3轴坐标系来射出通过聚焦光源而硬化的浆料。尽管速度慢(完整的2英寸滚珠的生产时间为约70小时)，但是工作台相对较大，从而允许同时生产十二个2英寸滚珠。滚珠必须在水溶液中清洗，并且然后烧结、完全硬化，这导致15％至20％的收缩。
19.另一工艺是基于光刻的陶瓷制造(lcm)。该工艺包括浆料台和构建板，该构建板相对于浆料台竖向移动，从而向上(或向下，取决于机器和工艺设计)构建产品。在工作台的相反端部处使用光来固化浆料。氮化硅滚珠的工艺电流能力为约1.5mm/小时。两个2英寸的滚珠可以在约18小时中完成。可以联接额外的工作头来提高生产率。
20.这些3d打印工艺提供了比双模具工艺更好的均匀性，从而能够生产更接近成品尺寸的坯料。它们也能够完全消除“土星环”。继而，这转化为减少的研磨余量和缩短的处理时间，从而减少材料和精加工操作成本两者。这些过程还能够生产中空元件和部分中空的元件，从而进一步减少材料成本、解决芯部材料去除所固有的问题并且减少烧结时间。
21.由增材制造提供的优点对于小批量生产的大型产品尤其有益。增材制造工艺提供了显著提高的产品性能，同时降低了成本，并且由于生产工艺允许(相对于批量生产)经济地生产单个滚珠，与固定资本相关的费用也减少了。
22.尽管上面描述了示例性实施方式，但是这些实施方式并不意在对权利要求所涵盖的所有可能的形式进行描述。说明书中所使用的词语是描述性的而非限制性的词语，并且应当理解的是，可以在不偏离本公开的精神和范围的情况下做出各种改变。如先前所描述的，可以对各种实施方式的特征进行组合以形成本公开的可能未明确描述或说明的另外的实施方式。尽管各种实施方式可以关于一个或更多个期望特性被描述为提供优点或者优于其他实施方式或者现有技术的实现方案，但是本领域普通技术人员意识到的是，一个或更多个特征或特性可以被折衷以实现取决于特定应用和实现方案的期望的整体系统属性。因此，在任何实施方式关于一个或更多个特性被描述为比其他实施方式或现有技术实现方案不那么理想的程度下，这些实施方式并不超出本公开的范围并且对于特定应用而言可能是期望的。