［編輯簡介］：本文概述了最古老的機(jī)械裝置之一－－滾珠的歷史發(fā)展及在當(dāng)今高科技領(lǐng)域的應(yīng)用情況，涉及飛機(jī)、汽車、多種計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)設(shè)備、醫(yī)療和牙科設(shè)備、精密機(jī)械等領(lǐng)域。
［摘要］：目前，人們?nèi)栽诓粩嚅_發(fā)精密滾珠的新式設(shè)計(jì)、制造技術(shù)和應(yīng)用功能。微型滾珠制造技術(shù)的發(fā)展，使制造商迅速提升了磁盤驅(qū)動(dòng)器、牙科鉆具、衛(wèi)星制導(dǎo)系統(tǒng)和其它重要應(yīng)用的水準(zhǔn)。
［關(guān)鍵詞］：滾珠軸承 滾珠 萬向滾珠
滾珠是最古老的機(jī)械裝置之一，早在公元40年的羅馬船只上就開始使用它們作為軸承部件，目前，人們?nèi)栽诓粩嚅_發(fā)精密滾珠的新式設(shè)計(jì)、制造技術(shù)和應(yīng)用功能。比如，用于飛機(jī)貨艙的萬向滾珠使用空心滾珠來減輕重量和降低燃料消耗。采用不銹鋼滾珠的機(jī)械安全氣囊傳感器已經(jīng)用于數(shù)以百萬計(jì)的交通工具，從來沒有出現(xiàn)打開失敗或錯(cuò)誤打開的情況。同樣，微型滾珠制造技術(shù)的發(fā)展，使制造商迅速提升了磁盤驅(qū)動(dòng)器、牙科鉆具、衛(wèi)星制導(dǎo)系統(tǒng)和其它重要應(yīng)用的水準(zhǔn)。
減少飛機(jī)的重量
最近燃料價(jià)格大幅上升，而很久以前，航空貨運(yùn)行業(yè)就開始尋找減輕重量以節(jié)省燃料的方法，其中就包括如何減輕航空貨艙的重量。航空貨艙一般裝載成組裝運(yùn)設(shè)備（ULD），例如行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)集裝箱等。借助萬向滾珠（BTU），裝載人員可以在貨艙內(nèi)迅速裝入、安放和卸下成組裝運(yùn)設(shè)備。萬向滾珠的滾珠位于殼體內(nèi)，它們向上方突出并接觸成組裝運(yùn)設(shè)備的下表面。一般情況下使用直徑1英寸的滾珠，滾珠的頂部切點(diǎn)位于面板上表面以上0.25英寸的位置。實(shí)心的1英寸滾珠重量為 67克。這些滾珠一般在殼體內(nèi)由一組1/8英寸的小球支撐，這些小球密封在一個(gè)外罩內(nèi)。
萬向滾珠在外罩內(nèi)按照一定方式排列，以形成滾珠面板，這些面板使飛機(jī)載運(yùn)的貨物表面對(duì)齊。大型飛機(jī)的貨艙內(nèi)有數(shù)萬個(gè)滾珠，所以重量很大。相關(guān)方請(qǐng)求滾珠制造商想辦法生產(chǎn)重量更輕，同時(shí)仍然能夠承受6,000磅高峰荷載的軸承。最終的解決方案是制作一種空心滾珠軸承，其方法是將兩個(gè)440不銹鋼半球結(jié)構(gòu)壓在一起，然后將其焊接起來。
最大的困難來自焊接操作，在此過程中必須將兩個(gè)半球精確對(duì)準(zhǔn)，然后結(jié)合在一起，使其能夠承受負(fù)載并防止泄露。在滾珠焊接完畢之后，會(huì)進(jìn)行整平對(duì)接以消除焊口，進(jìn)行軟研磨、熱加工和硬研磨達(dá)到精度公差。滾珠如果需要中等精度，則會(huì)在一個(gè)圓筒內(nèi)進(jìn)行翻轉(zhuǎn)、清潔和鈍化處理，以使其具有耐腐蝕性。精度更高的滾珠則首先進(jìn)行拋光，然后進(jìn)行清潔和鈍化處理。熱加工工藝已經(jīng)進(jìn)行了改良，可以提高滾珠的表面硬度，避免出現(xiàn)痕跡或凹陷，并延長其使用壽命。
空心滾珠的重量只有21克，每個(gè)滾珠減少了47克或大約0.1磅的重量。與原來的實(shí)心滾珠相比，其重量少了69%。舉例來說，一架C-130H 大力神軍用運(yùn)輸機(jī)的貨艙尺寸為36英尺長9英尺寬，總面積為324平方英尺。地板表面的滾珠面板大約有40,000個(gè)滾珠，如果使用空心滾珠，大約可以減輕4,000磅的重量。在通常情況下，通過減輕飛機(jī)重量節(jié)省的燃料約為0.0036加侖/磅/小時(shí)。因此，假設(shè)每年飛行2,000小時(shí)，減輕4,000磅的重量每年就可以節(jié)約大概28,800加侖的燃料，按照目前噴氣式飛機(jī)燃料的價(jià)格，每年可以節(jié)約43,200美元左右。空心滾珠也用于其它領(lǐng)域，比如需要輕型磁滾珠的流量閥。
提高汽車的安全性
機(jī)械氣囊傳感器是另外一種重要的應(yīng)用。在傳感器中使用一個(gè)空心管來引導(dǎo)滾珠。通過位于管子開口端的一個(gè)彈簧將滾珠固定就位。在傳感器組裝完畢之后，首先通過滾珠使彈簧產(chǎn)生位移，形成一個(gè)預(yù)負(fù)荷。當(dāng)汽車突然減速導(dǎo)致滾珠突然加速?zèng)_出管子時(shí)，傳感器就會(huì)觸發(fā)。滾珠會(huì)克服彈簧上的預(yù)負(fù)荷并使彈簧移位，直到其接觸位于其路徑上的第二個(gè)彈簧。當(dāng)第一個(gè)彈簧接觸第二個(gè)彈簧時(shí)，會(huì)形成一個(gè)回路，觸發(fā)氣囊操作。
此應(yīng)用的難點(diǎn)在于滾珠必須能夠在操作汽車的很大溫度范圍內(nèi)與管子保持相同的間隙。因?yàn)楣茏邮紫冗x擇了不銹鋼材料，所以滾珠制造商必須找到具有相同熱膨脹系數(shù)的滾珠材料，431類不銹鋼就是具有合適系數(shù)的一種材料。不過在此之前尚未有人用431不銹鋼制作過滾珠，并且此應(yīng)用需要嚴(yán)密的公差。滾珠所需的球公差為0.000010英寸，尺寸變化為+/- 0.000010英寸，表面起伏度低于Ra 1。
52100含鉻不銹鋼或者440C不銹鋼等材料的HRC硬度值均高于60，易于滿足上述公差要。但是431不銹鋼材料的HRC硬度值只有40左右。因?yàn)椴牧显诩庸み^程中容易變形，所以達(dá)到上述公差要求的難度更大。在制作滾珠的過程中，首先在一個(gè)線圈上進(jìn)行冷鐓頭操作。這樣得到的滾珠看起來像土星，在中間環(huán)繞一個(gè)環(huán)形結(jié)構(gòu)，其材料擠在兩半模具中間。通過一種稱為整平器的裝置將這個(gè)環(huán)消去。
下一步是進(jìn)行熱加工，其中包括低溫冷凍和回火。然后對(duì)滾珠進(jìn)行研磨、表面拋光、清潔和鈍化。最后進(jìn)行鍍金以提高這些關(guān)鍵部件的耐腐蝕能力。機(jī)械氣囊傳感器目前已經(jīng)普遍被為微機(jī)電設(shè)備所取代，不過，它們曾經(jīng)為數(shù)以千萬計(jì)的汽車用戶提供了良好的保護(hù)功能，從來沒有出現(xiàn)過一次故障，這一紀(jì)錄是無可比擬的。
制作更高公差等級(jí)的微型滾珠
在微型滾珠的制造領(lǐng)域也取得了顯著的進(jìn)步，這些微型滾珠用于多種計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)設(shè)備、醫(yī)療和牙科設(shè)備、航空設(shè)備、精密機(jī)械、實(shí)驗(yàn)室儀器，用作鋰離子電池中的排放管，并用于多種其它尖端設(shè)備。大型滾珠做成球型，而小于1/16英寸的微型滾珠則是用線切削的。首先要仔細(xì)檢查線的尺寸、表面層以及表面和內(nèi)部是否完好，然后將線切削成圓柱形，一般每小時(shí)可以制作100,000件。
接下來將部件放到一個(gè)整平器中，位于兩個(gè)鑄鐵盤表面之間的槽內(nèi)。槽內(nèi)部是不平的，可以將滾珠的突起部位拉掉。在操作過程中，一個(gè)輪子旋轉(zhuǎn)，另外一個(gè)輪子固定。固定的輪子有一個(gè)開口，可以將滾珠送入到槽內(nèi)或從槽中取出來。使用一個(gè)特殊的傳輸帶將滾珠送入到一個(gè)孔內(nèi)。接下來滾珠會(huì)繞著槽移動(dòng)，然后從另外一個(gè)孔出來。在后面的操作中，它們被送回到傳送帶反復(fù)通過輪槽，直到滾珠變得非常圓，并且尺寸比正常尺寸略大，突起部分已經(jīng)完全消失。在整平器中清除的原料尺寸大約為0.006英寸，具體數(shù)值與滾珠的尺寸有關(guān)。得到的滾珠大于正常尺寸，這樣可以在熱加工后將其研磨到成品大小。
在整平之后，滾珠運(yùn)動(dòng)到一個(gè)滾珠研磨機(jī)器進(jìn)行軟研磨。在此操作中清除的原料尺寸一般為0.008英寸到0.010英寸。研磨或拋光機(jī)器有一個(gè)固定軸或板以及一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸或板。在軟研磨之后，對(duì)滾珠進(jìn)行清潔和干燥，然后進(jìn)行滾筒篩選操作。滾筒篩選器帶有精密旋轉(zhuǎn)滾筒，通過合理的布置確保尺寸合適的滾珠能夠在滾筒間穿過，而尺寸過大或過小的滾珠則會(huì)掉出來。接下來，滾珠進(jìn)行熱加工，以確保其具有良好的硬度，同時(shí)減少殘留奧氏體，或者滿足特殊要求。
熱加工后的下一步操作是硬研磨。在此操作中清除的原料尺寸大約為0.006 英寸。然后進(jìn)行新一輪的清潔、干燥和滾筒篩選操作。粗拋光大約除去0.0006英寸，將其圓球度至少提高到百萬分之二十五，在大多數(shù)情況下可以達(dá)到百萬分之十。根據(jù)滾珠的尺寸，可以進(jìn)行篩選操作或再進(jìn)行一次滾筒篩選。最終進(jìn)行亮拋光操作，除去0.0002英寸的原料，將其圓球度提高到百萬分之三到五。如果要制作不銹鋼滾珠，接下來還要進(jìn)行圓筒清潔和鈍化，然后進(jìn)入離心機(jī)干燥，繼而進(jìn)行最終檢查和測定。
大多數(shù)需要運(yùn)動(dòng)的設(shè)備都會(huì)使用滾珠。本文所述的精密高科技應(yīng)用經(jīng)常需要利用滾珠來滿足輕重量，小尺寸和精密公差等特殊要求。這些滾珠的設(shè)計(jì)和制造不僅需要?jiǎng)?chuàng)造性的工程設(shè)計(jì)，而且需要非常精細(xì)的工作態(tài)度。最終得到具有高質(zhì)量和高公差、能夠滿足應(yīng)用需求的產(chǎn)品。