高速牙钻轴承的材料选择与工艺设计

张 逸

(上海天安轴承有限公司，上海 200233)

近年来随着人民生活水平和生活质量的提高，对牙病防治日益重视和普及。目前国内对牙医手机配套的高速牙钻轴承的需求不断增加。高速牙钻轴承以前主要是从国外进口，现在国内虽有少数几家轴承企业生产，但其质量、规格和数量都满足不了市场的需求，所以对高速牙钻轴承的研发具有重要的意义。

1 牙钻组件和牙钻轴承

高速牙钻组件结构如图1所示。其由轴、蜗轮、弹簧夹头、弹簧垫片、后盖、外壳、滚动轴承、橡胶定位圈等零件组成。蜗轮、轴承与轴过盈配合并整体高速旋转，轴承外圈靠橡胶定位圈弹性支承在壳体内，后盖及弹簧圈起紧固并施加轴向力的作用，外壳靠定位钢球固定在手机内，装在轴孔内的弹簧夹头另一端夹紧钻头进行工作。

1—弹簧圈；2—后盖；3,6—滚动轴承；4—蜗轮；5—橡胶定位圈；7—外壳；8—轴；9—弹簧夹头图1 牙钻组件结构

牙钻轴承是牙钻组件的关键部件，其典型型号SRl44TZ的外形尺寸为Φ3.175 mm×Φ6.35 mm×2.38 mm。其在粉尘、潮湿的恶劣环境下工作，具有高转速、高精度、低噪声和长寿命的要求。因此，要求其公差等级为P4，转速为(3.5～4.5)×105r/min，工作寿命为6个月。

2 材料选择

由于牙钻组件是在粉尘、潮湿的恶劣环境下工作，因此，牙钻轴承各零部件的材料应具有良好的耐腐蚀及耐磨性能。

2.1 套圈

一般的牙钻轴承套圈材料选用传统的440C不锈钢(相当于我国9Cr18)；美国Timken公司开发了N-DUR特殊抗腐蚀不锈钢，用于医药工业领域。这是一种比440C硬度高和防腐蚀性能更好的新型不锈钢材料，其成分为：w(C)=0.66%,w(Cr)=14.5%和w(N)=0.1%。该钢可被整体淬硬，最低硬度可达60 HRC。N-DUR钢材采用特殊的冶炼方法，合金中碳化物均匀分布，共晶碳化物呈细小球状，增加氮含量可获得更高的硬度和耐蚀性能。N-DUR钢制轴承精密磨削后的沟道表面质量和表面粗糙度明显优于440C钢制轴承，其耐腐蚀性能和低噪声性能也都更佳。

图2中摩擦力矩曲线图显示了套圈采用N-DUR和440C制造并经沟道超精的高速牙钻轴承的运转情况。它记录了轴承分别作顺时针和逆时针运转时摩擦力矩的数值，纵向坐标为摩擦力矩(μN·m)，横向坐标为轴承运转时0～360°的位置(度)，对比显示：N-DUR材料的轴承摩擦力矩小而稳定；440C材料的轴承摩擦力矩较大且不稳定。

图2 N-DUR和440C的摩擦力矩曲线图[1]

2.2 球

一般牙钻轴承球的材料为440C不锈钢，使用在较低速牙钻轴承场合。Si3N4陶瓷球具有硬度高(1 500～2 000 HV)、离心力小、耐腐蚀和摩擦磨损、热膨胀系数小(仅为钢球的25%)等特点，此外其吸收热量低，冷却要求较低，能在润滑条件差的环境中运转，因此，非常适合作为高速牙钻轴承滚动体的材料。Si3N4陶瓷材料的性能参数见表1。

表1 Si3N4陶瓷球材料的性能参数

2.3 保持架

2.3.1 酚醛层压布管

酚醛层压布管是通过热压把布料用树脂聚合而成，在高速运转下其能使球在缺乏润滑剂时保持润滑。这种保持架材料在欧洲广泛使用。

2.3.2 聚酰亚胺(TORLON)

TORLON是一种耐高温热塑性工程塑料，由三苯六酸和二胺化合物合成。该材料能在260 ℃温度下正常使用，具有小的线膨胀系数和抗蠕变能力，到280 ℃时才开始变形。由它制成的零件比其他工程塑料更具有抗压和抗冲击性。TORLON系列材料主要在北美使用。其中TORLON 4301的力学性能见表2。

表2 TORLON 4301力学性能

2.4 润滑脂

因为脂润滑不易泄漏，具有一定的防止水、气和灰尘等有害物质侵入的能力，可延长轴承使用寿命，因此牙钻轴承采用脂润滑。一般的单盖牙钻轴承润滑脂为CHEVRON SRI-2。Kluberspeed BF72-22高速润滑脂的dn(保持架中心径与转速)值达2×106mm·r/min，这是一种化学性能稳定、无毒合成脂，适用于高速牙钻轴承的润滑，能确保牙医手机正常稳定运转，其产品特性见表3。

表3 BF72-22 润滑脂性能参数

3 工艺及结构特点

3.1 套圈加工工艺

内圈：车削成形→热处理→磨平面→精磨外圆→精研外圆→磨孔→磨沟→精研沟

外圈：车削成形→热处理→磨平面→精磨外圆→精研外圆→磨孔→研孔→磨沟→精研沟

3.2 套圈加工特点

3.2.1 套圈车削工艺特点

高速牙钻轴承SRl44Tz的套圈属薄壁结构。 外圈上防尘槽的深度对外圆的壁厚按单边计算仅为0.2 mm左右，车削加工时要求其要有很高的同心度，才能保证防尘槽处的强度和防尘盖对内圈的同心度，这对于传统的车削前后道分散工序加工是有难度的，为此必须在数控车床上采用一次成形加工的工艺。

3.2.2 套圈磨削工艺特点

(1)由于套圈属薄壁结构，为避免套圈装夹后产生外圆变形，可适当加大外圆留量，待磨、研沟道后再修磨外圆，从而保证沟道的几何精度。

(2)为使套圈加工精度等级达到P4，将外圆加工列为关键过程，精研外圆的圆度特性值定为0.2 μm，从而保证套圈沟道最终加工的圆度达到0.3 μm。

(3)套圈沟道磨削加工的装备定为进口自动磨床。该磨床稳定性好、精度高，可以保证沟道沟位的一致性，沟位可控制在±0.005 mm，从而进入端面定位的自动超精研加工，使沟道的圆度和形状误差达到预定的精度指标。

3.3 保持架的特点

牙钻轴承的高转速性能决定了其保持架的尺寸精度和形位公差对轴承的重要性。牙钻轴承保持架的加工设备为数控车床。该车床加工精度高，等分性能好，可以将保持架一次车削成形，不需再按传统工艺作切口加工。保持架设计见图3。

图3 数控车床一次加工成形的冠状实体保持架

3.4 防尘盖结构

由于高速牙钻组件是在多粉尘、潮湿的恶劣条件下工作的，这就要求防尘盖内孔对内圈外圆的间隙单边控制在0.05 mm，这在普通的防尘槽结构设计加工中很难达到。根据用户的要求，可以设计以下2种防尘结构：外圈连体防尘盖(图4)和以外圈内孔定位的防尘盖(图5)，此两种结构均能保证防尘盖内孔对内圈的同心度。

图4 外圈带连体防尘盖结构 图5 以外圈内孔为定位的防尘盖结构

4 结束语

通过以上分析得出，高速牙钻轴承具有高转速、高精度、低噪声和长寿命等技术特点，要开发出符合用户要求的牙钻轴承必须在材料、加工工艺等方面采取必要的技术措施。

(1)轴承材料对于其精度、性能和寿命是至关重要的。高速牙钻轴承套圈材料应选用特殊的抗腐蚀不锈钢，球的材料选用热膨胀系数小的Si3N4陶瓷球，保持架材料选用抗压、抗冲击和耐高温的聚酰亚胺TORLON。

(2)严格轴承的加工工艺是产品成功的关键，应根据高速牙钻轴承的结构特点和技术要求优化轴承套圈加工工艺，确定合理的工艺留量、防尘结构和关键特性参数，设计适用数控车床一次加工成形的实体冠形保持架。