物理

滚球

如今,滚珠轴承无处不在:汽车,计算机或旱冰鞋都包括可减少旋转零件摩擦的轴承。为了达到这些性能,制造商制造了校准良好的球。

朱塞佩·潘纳乔尼(Giuseppe Panaccione) 科学档案N°41
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滚珠不仅仅是一种幼稚的游戏工具,它们还是经济中的重要角色:大多数现代技术设备的轴承均设计有非常光滑的滚珠,其直径已精确校准。正如轮子减少了与地面的摩擦一样,轴承也减少了零件之间相对运动的摩擦,从而节省了能量并减少了零件的磨损。

在我们不知道的情况下,轴承围绕着我们:洗衣机,汽车,真空吸尘器,钻头,溜冰鞋等,甚至计算机也装有大大降低活动部件摩擦的轴承。滚动轴承最简单的形式是由一个内圈和一个外圈组成,在它们之间放置滚动元件,通常是球或滚子,它们通过一个保持架保持等距(见图1)。这些是滚动元件,其在轴承中以相对运动的方式在元件之间传递载荷。

由于轴承的滚珠是实心的,所以球体,或者更确切地说是球体,必须尽可能的完美,并且其表面没有缺陷。机械接触的所有区域也必须精美装饰。同样,对机械接触区域的充分润滑也有助于减少摩擦,从而减小使由轴承连接的零件运动所需的力的转矩。此外,这种摩擦的减小还降低了滚动噪音,这是许多应用中必不可少的质量。通过滚珠轴承的历史,我们将了解工程师如何以所需的完美度来制造滚珠。

工匠的球

滚动球是一个非常简单的理论对象:它是唯一具有立方体的实体,可以用一个参数(直径)来描述。但是直到轴承制造结束,才开始大量生产轴承用球。 ixe 最早的轴承制造商诞生后的一个世纪 vie 世纪。所需的精度水平和不存在优先的对称轴将这些球的生产限于专家。因此,与轴承的其他部分不同,这种生产长期以来一直是手工的。

一些文件和挖掘证明了在古代使用轴承和滚动元件。此外,轴承不能被认为是车轮原始发明的完善吗?从某种意义上说,埃及人和亚述人用来运输巨大石材的圆形截面树干可以看作是滚动元件的最早例子:像它们一样,它们的功能是将滑动摩擦转换成滚动摩擦。

1929年,在罗马南部的内米湖上,发现了两艘船,显然是卡利古拉皇帝为宗教目的委托的。在这些船上,考古学家发现了有史以来最古老的轴向轴承(或推力轴承),以及从中伸出一种杆的青铜球。这些作品的年代表明公元37年至41年之间的建设时期。这些轴承最有可能在旋转用于支撑雕像的大型基座时减少摩擦。

在文艺复兴初期,对不同类型的摩擦进行了深入研究的莱昂纳多·达·芬奇(Leonardo da Vinci)于1500年设计了一个真正的推力轴承,旨在促进千斤顶螺钉的操作(请参见图1中的弹壳)。 。我们不知道这位意大利科学家想要用来制造其机械装置的环和球的技术。

在随后的几个世纪中,轴承的使用随着对自然力量的利用而变得越来越普遍,而自然力量不同于传统上使用的奴隶和动物。因此,随着风车的出现,水,然后是蒸汽,轴承的使用越来越多。

十八e 世纪以来,首选滚动轴承,可能是因为它们具有承受高载荷的能力,并且与滚珠相比,滚子的制造更简单。确实,直到 十八e 二十世纪,仍然通过切割钢丝获得的小圆柱体生产原木,然后在特殊的车床上加工。

目前已知的这种形式的滚珠和圆锥滚子轴承在1802年由工程师Cardinet申请了专利,该工程师试图促进旋转木马的垂直轴的旋转。 1892年轮到了第一枚循环滚珠丝杠,而在1896年,第一本滚珠轴承目录被印刷并发行了10,000册。当时,钢球的制造仍是一项复杂的操作,需要使用特殊的机器和仪器。只有很少的英国和德国生产商将大部分球提供给所有轴承制造商。

结束之间 ixe 和开始 xx e 世纪,出现了几家专门从事轴承及其组件制造的公司。当时的主要趋势是走向自给自足:每个公司生产所有部件并开发制造用于加工的机器和用于测量的仪器所必需的技术。同时,钢球开始由高硬度的工具钢制成,而不再使用表面硬化钢,直到那时才开始使用,以提高机械加工性。

格兰特球轴承公司(Grant Ball Bearing)于1898年诞生,该公司不仅生产用于加工轴承的机械工具,还生产滚珠套。在同一年,英国霍夫曼公司(Hoffmann)开发了一种精确地制造大理石的方法,使其在市场上建立了很长一段时间。

所有主要的轴承公司都成立于 xx e 世纪。 1902年,康拉德(Conrad)获得了专利,该系统通过利用轴承套圈的偏心位置将滚珠插入轴承套圈之间。这是今天仍然用于所谓的深沟轴承的一种方法,该方法当时可以避免必须切割外圈来插入滚珠。 1906年,R.I.V。诞生于意大利,并于1975年与SKF合并.SKF是1907年成立的瑞典公司,目前是世界上最大的轴承制造商。

从线到球

如今,轴承球是由高碳铬钢(约占百分之一)制成的,命名为100 Cr6,与轴承套圈所用的钢相同。它们不再像过去那样以传统的方式一一制作,而是按批量生产。 “批次”对应于在过程的所有阶段中以相同的方式,同时进行加工的相同直径的多个球的集合。批号的大小可能会有所不同,具体取决于所讨论的原木的直径和制造商的生产“理念”,范围从几公斤到多吨不等。

如何获得球形球?加工过程从拉制钢丝开始,然后将其切成适当长度的小圆柱体,将其自身压在两个半球形轮廓的模具之间。拉丝保证了圆柱直径的精度,并消除了拉丝表面可能出现的细小缺陷。冲压球具有两个非常不同的区域,称为赤道和极点(见图3)。赤道对应于一种土星环,这种土星环是由钢形成的,在压制过程中,由于两个模具之间的裂纹而泄漏。这两个杆位于赤道的任一侧,是由于在锻造结束时将球推出而产生的。

处理良好的日志

球轴承的特定方面之一是接触点的准时性使其承受很高的压力。为了提高对这些应力的抵抗力,球要经过相当复杂的热处理。然后,将球在砂轮上研磨,最后用研磨膏进行一次(或多次)研磨。这些操作是按照与锉削(两个圆盘之间的研磨)相同的原理执行的,但是圆盘的材料,机器的尺寸和旋转速度是不同的。

今天的最后一项操作是研磨,用两个由非常细的磨料颗粒(尺寸为几微米)制成的圆盘通过树脂型粘合剂固定在一起。去除速度非常适中:每小时工作直径约为0.5微米。最后,这是一个至关重要的方面,滚珠的表面变得非常光滑:表面不规则的最大尺寸可以减小到5纳米。

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