高速轉(zhuǎn)動(dòng)軸承常采用在真空、高速、高溫等嚴(yán)苛條件,高速轉(zhuǎn)動(dòng)軸承的工作情況決定了所要采用的復(fù)合材料應(yīng)該具有優(yōu)越的摩擦磨損性能、阻尼性能、導(dǎo)熱性能、耐腐蝕性能等特點(diǎn)。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(biāo)的常用材料合成新的復(fù)合材料。
　　一、復(fù)合材料的性能指標(biāo)
　　高速轉(zhuǎn)動(dòng)軸承的性能跟所采用材料的磨損量、摩擦系數(shù)、損耗因子和高度都有直接關(guān)系,總結(jié)分析性能較好的高速轉(zhuǎn)動(dòng)軸承的采用材料應(yīng)該具有以下幾個(gè)性能:
　　(1)摩擦系數(shù)。摩擦系數(shù)對(duì)高速轉(zhuǎn)動(dòng)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(xiàn)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(zhuǎn)變溫度范圍。同時(shí),在經(jīng)濟(jì)成本允許的情況下,材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能最低值不能低于0.05。
　　(3)導(dǎo)熱、耐熱性能。復(fù)合材料能在高溫下工作,快速有效地排出減振過程產(chǎn)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(shù),提高生產(chǎn)效率。因此,磨損率越低越好。
　　(5)耐腐蝕性能。復(fù)合材料軸承可以適應(yīng)油污等惡劣的工作環(huán)境。
　　二、復(fù)合材料軸承的設(shè)計(jì)
　　(一)復(fù)合材料的選取
　　根據(jù)高速轉(zhuǎn)動(dòng)軸承的性能指標(biāo),采用的基體材料是滿足條件的具有化學(xué)惰性、自潤滑、耐高低溫、摩擦系數(shù)穩(wěn)定的聚四氟乙烯(PTFE)。為了改善聚四氟乙烯的耐磨損差、導(dǎo)熱性不好的等缺點(diǎn),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(shù)和改善導(dǎo)熱性。由于短纖維的自身特點(diǎn),填充后的復(fù)合材料的摩擦系數(shù)變得不穩(wěn)定,需要添加摩擦系數(shù)較大、力學(xué)性能優(yōu)良的聚酰亞胺(PI)。這樣不僅可以避免摩擦系數(shù)不穩(wěn)定,PTFE和PI混合之后還可以改善聚四氟乙烯的粘彈性能、擴(kuò)大復(fù)合材料的使用溫度區(qū)間。
　　(1)聚四氟乙烯(PTFE)。聚四氟乙烯的相對(duì)密度為2.17~2.19,分解溫度為400℃,熔點(diǎn)為327℃,其可在260℃以下的環(huán)境里持續(xù)長期使用,摩擦系數(shù)較小,具有優(yōu)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(jié)結(jié)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(diǎn)、耐腐蝕、耐高輻射、耐火焰和吸水性差等特點(diǎn),被認(rèn)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(wěn)定的摩擦系數(shù)、優(yōu)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(qiáng)度比鋼大,同時(shí)具有耐腐蝕性、耐高溫和良好的導(dǎo)電性能。是一種具有熱學(xué)、電學(xué)和力學(xué)性能的優(yōu)良材料。
　　(二)復(fù)合材料軸承模具設(shè)計(jì)
　　模具尺寸和形狀主要根據(jù)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(shí)間、模具溫度、制件形狀、塑料含量等。
　　針對(duì)復(fù)合材料軸承, 設(shè)計(jì)模具時(shí)重點(diǎn)應(yīng)考慮以下幾點(diǎn):
　　(1)澆注流程平直而短,系統(tǒng)界面要大,以利于粉料的分散。
　　(2)針對(duì)壁厚及軸承形狀應(yīng)特別考慮料的有利流暢通填充型腔。
　　(3)為使塑粉料分散,進(jìn)料口增大,其長度取短。
　　試驗(yàn)表明,采用冷壓和燒結(jié)結(jié)合制備工藝制造的模具,能滿足該復(fù)合材料的設(shè)計(jì)要求和特點(diǎn)。構(gòu)成動(dòng)模和定模組成了型腔,主流道則設(shè)在定模一層。在軸承外圈,受定模上的凸形環(huán)的影響,制品應(yīng)留在動(dòng)模一側(cè),并且利用塑料的熱膨脹性,快速從動(dòng)模上取下來。在軸承內(nèi)圈,開模后,無論模腔內(nèi)的一對(duì)嵌件留在定模還是動(dòng)模上只要將其拔出,就可以取出制件。
　　采用上述成型工藝,經(jīng)過噪聲試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn),用所設(shè)計(jì)的復(fù)合材料軸承模具制備的試件完全滿足軸承的性能指標(biāo),而且具有更顯著的優(yōu)點(diǎn)。
　　三、復(fù)合材料的制造技術(shù)
　　根據(jù)該復(fù)合材料的特性,應(yīng)采用冷壓和燒結(jié)結(jié)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(jīng)過干燥處理,便于與原料均勻混合。
　　(2)稱重。按照規(guī)定的配比,用電子稱選取適當(dāng)?shù)母鞣N粉末。
　　(3)混料。在高速攪拌機(jī)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(jī)設(shè)定合適的壓力壓制成型。整個(gè)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(shí)。
　　(5)燒結(jié)固化。將燒結(jié)爐提前設(shè)定好燒結(jié)工藝,把壓制好的制品放入燒結(jié)爐使制品燒制成型。