关节轴承制造与实验作业
题目航空关节轴承及外圈材料
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航空关节轴承及外圈材料
摘要:随着科学技术的迅速发展，航空关节轴承的研究兴起并被广泛应用，本文简要介绍了关节轴承的特点和使用情况，对常用的关节轴承外圈材料作了部分概括说明，并展望了未来外圈材料的发展趋势。
关键词:航空；关节轴承；外圈；材料
关节轴承(Joint bearing)是一种特殊结构的滑动轴承，又称为球面滑动轴承。它的结构比滚动轴承简单，其主要是由一个有外球面的内圈和一个有内球面的外圈组成，能承受较大的负荷，根据其不同的类型和结构，可以承受径向负荷、轴向负荷或径向、轴向同时存在的联合负荷。关节轴承一般用于速度较低的摆动运动（即角运动），由于滑动表面为球面形，亦可在一定角度范围内作倾斜运动（即调心运动），在支承轴与轴壳孔不同心度较大时，仍能正常工作。其特点是结构简单、体积小、承载力大，而且还具有摩擦系数小、耐冲击、耐腐蚀、减少振动、适用温度范围广，寿命长，在工作过程中可以免维修和无需添加润滑剂等优异特性，广泛应用于工程机械、载重汽车、水利设施、军工机械等方面。
关节轴承的类型较多，按其所承受能力、承受载荷的方向、公称接触角按和结构形式,可分为向心关节轴承、角接触关节轴承、推力关节轴承和杆端关节轴承。向心关节轴承(GE型)的公称接触角为0度,适于承受径向载荷和较小的轴向载荷。角接触关节轴承(GAC 型)又分角接触向心关节轴承和角接触推力关节轴承两种,角接触向心关节轴承的公称接触角大于0度但小于或等于30度,适应承受径向载荷和轴向载荷同时作用的联合载荷;角接触推力关节轴承的公称接触角大于30度小于90度,适于承受轴向载荷,也能承受联合载荷,但此时其径向载荷不得大于轴向载荷的0.5倍。推力关节轴承(GX)的公称接触角为90度,适于承受轴向载荷,不能承受径向载荷杆端关节轴承适于承受径向载荷较小的轴向载荷。根据是否需要补充润滑剂，关节轴承也有润滑型和自润滑型之分。自润滑关节轴承是一种无须补充润滑剂的特殊形式的关节轴承。自润滑关节轴承是在轴承外圈内球面粘贴一层自润滑垫层，用垫层滑动表面对内圈外球面的滑动摩擦来代替对钢表面的滑动摩擦。
关节轴承在航空装备中的使用十分广泛，是使用数量较多的标准件之一。除了使用数量多之外，轴承所使用的部位也十分重要，大量应用于飞机的动力系统(发动机)、传动系统、操纵系统以及执行系统等飞机的关键和重要系统中，这些系统的可靠性对产品的安全有着关键的影响。由于航空关节轴承的使用环境恶劣，技术要求高，寿命和可靠性要求也非常高，因此对其产品的质量和可靠性要求极高。外圈选择要考虑耐蚀性（盐雾、湿热）、强度、可塑性（对挤压工艺适应性）和耐冲击等要求,这对轴承外圈材料提出了苛刻的要求。目前航空关节轴承常用的外圈材料有不锈钢、轴承钢、铍青铜、玻璃钢、铝合金等，由于钛合金的优良性能，其在关节轴承材料中的地位也越来越重要。
不锈钢是铬含量不少於12％的耐腐蚀钢﹐是不锈耐酸钢的简称。钢中的铬与腐蚀介质中的氧作用﹐在钢的表面形成一层很薄的氧化膜﹐称为自钝化膜﹐使钢在空气、水和酸、碱、盐中很耐腐蚀。钢中除铬以外﹐还可加入镍、鉬、铜、钛等合金元素﹐使其具有更好的耐蚀性、工艺性或机械性能等。不锈钢一般分为铬不锈钢﹑铬镍不锈钢和高强度不锈钢3类。不锈钢是目前人类应用最广泛的金属材料之一，是一种具有优异的耐蚀性、耐磨性、韧性及工艺性的合金钢，其优良的力学性能、较好的化学稳定性及无毒特性，使其广泛地应用于宇航、海洋、核能工程、汽车工业等方面。不锈钢关节轴承能组织批量性的生产，实现了高强度、高精度、大负载能力。可以使用在易锈蚀、强腐蚀的各种产品中，运用广泛。不锈钢轴承与普通轴承钢相比，有更强的防锈、防腐蚀性，表面美观，长久耐用，耐高温氧化，维护简便，选择合适的润滑剂、防尘盖等，可以在-60℃~+300℃的环境下使用。
轴承钢又称高碳铬钢，含碳量ωc为1%左右，含铬量ωcr为0.5%-1.65%。轴承钢又分为高碳铬轴承钢、无铬轴承钢、渗碳轴承钢、不锈轴承钢、中高温轴承钢及防磁轴承钢六大类。轴承钢是所有合金钢中质量要求最严格及检验项目最多的钢种。世界公认，轴承钢的冶炼水平代表着一个国家的冶金水平，因此，轴承钢也被称作是“特钢之王”。从应用角度上评价，轴承钢是非常优秀的钢种—主要合金元素不多且含量低，属于“高碳低合金钢”，但经过常规热处理后，对于轴承的不同使用条件具有“广谱”适用性—如载荷能力高，使用温度范围宽(- 45℃一100℃或120℃)，具有抗疲劳、耐磨损、刚度高、尺寸与形状稳定性好、一定的耐腐蚀能力等显著优点;同时还具有良好的工艺性能(包括锻造等热加工性能和车削、磨削等冷加工性能等)，便于实现高质量、高效率的轴承制造。在轴承钢中，渗碳轴承钢常用于关节轴承的外圈，渗碳轴承钢的表面经渗碳处理后具有高硬度和高耐磨性，而心部仍有良好的韧性，能承担较大的冲击。这类钢的最高使用温度也一般在200℃以下。例如GE„DE1型向心关节轴承、GAC„S型角接触关节轴承、GX„S型推力关节轴承、GE„CS-2Z型自润滑向心关节轴承等外圈都采用轴承钢。
玻璃钢，学名玻璃纤维增强塑料（GFRP或FRP)，一般指用玻璃纤维增强不饱和聚脂、环氧树脂与酚醛树脂基体，以玻璃纤维或其制品作增强材料的增强塑料。塑料是指可塑性的材料，现在一般是指人造塑料，即由树脂加上各种添加剂制成的，如果树脂中没有添加任何添加剂则不能称为塑料，只能叫做树脂。因树脂有热塑性和热固性之分，所以塑料也分为热塑性和热固性两种。如果用玻璃纤维去增强热塑性塑料，可称为热塑性玻璃钢：如果用玻璃纤维去增强热固性塑料，就叫做热固性玻璃钢。玻璃钢相对密度在1.5-2.0之间，只有碳钢的1/4-1/5，而拉伸强度可达300-500Mpa，超过普通钢的极限强度，与碳钢的拉伸强度接近，甚至超过。某些环氧FRP的拉伸、弯曲和压缩强度均能达到400Mpa以上，而比强度（强度除以密度）可以与高级合金钢相比，并且具有运输、安装和维修方便的优点。玻璃钢是良好的耐腐材料，对大气、水和一般浓度的酸、碱、盐以及多种油类和溶剂都有较好的抵抗能力。作为当前广为人知的复合材料，玻璃钢因其独特的性能优势，已在航空航天业中广泛应用，由于其质量轻，强度高，十分适合于作关节轴承的外圈材料，例如GE„F2型自润滑向心关节轴承的外圈就是使用该材料。
在铝中添加一定元素形成的合金称为铝合金，铝合金密度低，但强度比较高，接近或超过优质钢，塑性好，可加工成各种型材，具有优良的导电性、导热性和抗蚀性，一些铝合金可以采用热处理获得良好的机械性能，物理性能和抗腐蚀性能，成为理想的结构材料。随着飞机轻量化的发展，采用高比强度的铝合金替代不锈钢内外圈成为航空轴承的发展趋势。铝合金关节轴承承载较大，对基体材料的成分、组织状态、力学性能等要求高。铝合金本身刚度低，易受夹装力和切削力影响而产生残余应力，不宜使用磨、研等工序，且为了提高铝合金的表面强度、耐磨性和使用寿命，经常采用表面处理工艺。
钛是20世纪50年代发展起来的一种重要金属，密度小，比强度高和耐腐蚀性好。因此钛及钛合金一直是航空航天工业的“脊柱”之一。钛合金是以金属钛为基体，加入适量其他元素组成的合金。室温下，钛合金有三种基体组织，钛合金也就分为以下三类：α合金,(α+β)合金和β合金。α钛合金是α相固溶体组成的单相合金，不论是在一般温度下还是在较高的实际应用温度下，均是α相，组织稳定，耐磨性高于纯钛，抗氧化能力强。β钛合金是β相固溶体组成的单相合金，未热处理即具有较高的强度，淬火、时效后合金得到进一步强化，室温强度可达1372～1666 MPa；但热稳定性较差，不宜在高温下使用。α+β钛合金是双相合金，具有良好的综合性能，组织稳定性好，有良好的韧性、塑性和高温变形性能，能较好地进行热压力加工，能进行淬火、时效使合金强化。钛合金具有强度高而密度又小，机械性能好，韧性和抗蚀性能很好。钛合金是航空航天工业中使用的一种新的重要结构材料，比重、强度和使用温度介于铝和钢之间，但比铝、钢强度高并具有优异的抗海水腐蚀性能和超低温性能。阻碍钛合金普遍应用最主要原因还是成本过高，无论是金属最初的冶炼还是后续的加工，钛合金的价格都远远高于其他金属。钛合金的硬度与不锈钢、轴承钢相比较低，作关节轴承内外圈时摩擦面易磨损划伤，通常要在其摩擦工作面作表面处理。
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