全陶瓷球軸承高性能制造研究進(jìn)展

摘 要：全陶瓷球軸承具有質(zhì)量輕、耐磨損、耐高（低）溫、耐腐蝕、精度保持性好等優(yōu)良性能，在裝備制造、航空航天等先進(jìn)技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。全陶瓷球軸承高性能制造技術(shù)體系尚未完全形成，嚴(yán)重制約了其在高端裝備中的應(yīng)用與發(fā)展，這也成為全陶瓷球軸承應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步拓展的技術(shù)難題?；谛袠I(yè)對(duì)高端軸承產(chǎn)品的需求，分析了全陶瓷球軸承的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)，探討了適用于全陶瓷球軸承的設(shè)計(jì)方法，綜述了陶瓷球、陶瓷套圈等關(guān)鍵組件的高性能制造工藝，評(píng)估了全陶瓷球軸承的服役性能及其試驗(yàn)技術(shù)，并針對(duì)其相關(guān)技術(shù)與應(yīng)用進(jìn)行了展望。

關(guān) 鍵 詞：全陶瓷球軸承；陶瓷球；陶瓷套圈；高性能制造；優(yōu)化設(shè)計(jì)；研磨；磨削加工；性能測(cè)試

中圖分類號(hào)：ＴＨ１３３.３３ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ 文章編號(hào)：１０００－１６４６（２０２４）０５－０６０５－１５

軸承產(chǎn)業(yè)是國(guó)家基礎(chǔ)性戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)，軸承更是高端裝備核心基礎(chǔ)零部件，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)起著重要支撐作用。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速進(jìn)步，滾動(dòng)軸承的使用環(huán)境和應(yīng)用條件越發(fā)苛刻，我國(guó)現(xiàn)有軸承鋼種已不能滿足或不能充分滿足主機(jī)對(duì)軸承的工業(yè)要求［１－２］。圖１為應(yīng)用于超高速大功率數(shù)控機(jī)床主軸的超精密球軸承［２］，此類軸承要求轉(zhuǎn)速超過５００００ｒ／ｍｉｎ，軸承中徑與轉(zhuǎn)速之積達(dá)到３.５×１０３ｍ·ｒ／ｍｉｎ，未來在更高要求下甚至需要達(dá)到４.０×１０３ｍ·ｒ／ｍｉｎ。在液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪泵中軸承需在液氫或液氧等介質(zhì)中運(yùn)行，其環(huán)境溫度在－２５３℃以下（如圖２［２］所示），應(yīng)用于各類航天器中的航天軸承在承受－２００～１５０℃大幅度溫度變化的同時(shí)，還需要真空、電磁輻射等極端空間環(huán)境［３－５］下服役，而應(yīng)用于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)及附件機(jī)匣等部件中的軸承通常要求在－５０～４００℃寬溫域范圍穩(wěn)定工作，同時(shí)還面臨高速、重載等運(yùn)行工況的考驗(yàn)，有時(shí)服役溫度甚至?xí)^４００℃（如圖３所示）。以上工況條件要求軸承材料具有極好適應(yīng)性，表現(xiàn)為極端低溫不脆化、極端高溫不軟化，高低溫交變環(huán)境下長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行且不出現(xiàn)劇烈磨損、劃傷、黏結(jié)、咬死等現(xiàn)象。同時(shí)，因常規(guī)軸承潤(rùn)滑介質(zhì)已很難適應(yīng)上述極端工況條件，因此，新型固體自潤(rùn)滑或無油潤(rùn)滑成為主要潤(rùn)滑形式，即要求軸承材料具有較好的自潤(rùn)滑性能和耐磨損能力［６－７］。

陶瓷材料以其低密度、耐高／低溫、耐磨、耐腐蝕、抗磁電絕緣、無油自潤(rùn)滑等特性，體現(xiàn)出優(yōu)于傳統(tǒng)金屬材料的物理化學(xué)性能。大量試驗(yàn)研究［８－９］表明，工程陶瓷材料（氮化硅Ｓｉ３Ｎ４、碳化硅ＳｉＣ、氧化鋯ＺｒＯ２、氧化鋁Ａｌ２Ｏ３等）具有作為軸承基礎(chǔ)材料的優(yōu)良特性。以熱等靜壓氮化硅（ＨＩＰＳＮ）陶瓷材料為例，其熱變形系數(shù)僅為軸承鋼材料的１／５至１／４，在高溫或低溫條件下具有良好穩(wěn)定性；在高低溫交變工況條件下陶瓷軸承服役性能突出，工作壽命更長(zhǎng)［１０－１１］。

陶瓷軸承分為全陶瓷軸承和混合陶瓷軸承兩大類，其中全陶瓷軸承的套圈及滾動(dòng)體均為陶瓷材料；混合陶瓷軸承僅滾動(dòng)體為陶瓷材料。本文分析的全陶瓷球軸承主要是指內(nèi)外圈和滾動(dòng)體均為陶瓷材料的球軸承。目前，全陶瓷球軸承的極限工作溫度能夠突破１０００℃，連續(xù)工作時(shí)間可達(dá)１００ｈ以上，且具有自潤(rùn)滑特性，能夠保證工作精度與使用壽命［１２－１４］。

在超高速、寬溫域等極端工況下，軸承運(yùn)行的環(huán)境更為復(fù)雜，普通軸承難以滿足。此外，陶瓷材料的特殊性導(dǎo)致全陶瓷球軸承在設(shè)計(jì)理論與方法、球／套圈關(guān)鍵組件制造技術(shù)、極端工況服役性能等方面與傳統(tǒng)鋼球軸承差異較大［１５］。現(xiàn)階段我國(guó)尚不具備應(yīng)用于極端工況的超高精度全陶瓷球軸承的設(shè)計(jì)制造能力，嚴(yán)重制約了相關(guān)重大裝備技術(shù)的發(fā)展，影響了國(guó)民經(jīng)濟(jì)健康高效發(fā)展和國(guó)防安全［１６］。因此，針對(duì)超高精度全陶瓷球軸承，在軸承材料性能、軸承設(shè)計(jì)、關(guān)鍵組件制造及服役等核心技術(shù)領(lǐng)域開展深入研究，已成為解決當(dāng)前高性能全陶瓷球軸承關(guān)鍵技術(shù)的突破口。

１ 高性能陶瓷軸承材料制備技術(shù)

對(duì)于早期應(yīng)用于軸承領(lǐng)域的工程陶瓷材料而言，因脆性引起的裂紋擴(kuò)展、剝落等是造成軸承失效的最主要形式［１２］。近年來，通過提高粉體質(zhì)量和燒結(jié)技術(shù)，以氮化硅（Ｓｉ３Ｎ４）、氧化鋯（ＺｒＯ２）、碳化硅（ＳｉＣ）等為代表的陶瓷材料相比于傳統(tǒng)軸承鋼在諸多極端工況條件下性能優(yōu)勢(shì)更加明顯，常用軸承材料性能對(duì)比如表１所示。適宜密度能夠改善軸承動(dòng)態(tài)特性并降低離心力，較小熱膨脹系數(shù)有利于提高軸承工作精度，較高硬度能夠提高軸承耐磨性，較大抗彎強(qiáng)度有利于提高軸承動(dòng)態(tài)剛度，較大導(dǎo)熱系數(shù)能夠提高軸承散熱效率，無磁性材料能夠減少電、磁損傷，達(dá)到節(jié)能效果。大量試驗(yàn)研究［１７－１８］表明，氮化硅陶瓷材料具有極佳綜合性能。氮化硅是目前被認(rèn)為最適合用來制造高性能滾動(dòng)軸承的陶瓷材料。以陶瓷球?yàn)槔杼沾汕驑O耐高溫，可在１２００℃維持較高強(qiáng)度［１９］。此外，氮化硅還在加工精度方面表現(xiàn)出色，具有較高強(qiáng)度和硬度，寬溫域交變環(huán)境下不易形成炸裂裂紋，更適用于高性能全陶瓷球軸承。本文將以氮化硅陶瓷材料為例，分析并介紹工程陶瓷材料的制備方法與燒結(jié)技術(shù)。

１.１ 粉體制備技術(shù)

影響陶瓷材料性能的最主要因素是陶瓷粉體品質(zhì)。制備方法對(duì)粉體品質(zhì)具有很大影響，制備工程陶瓷粉體方法主要有液相法、固相法和氣相法。氮化硅陶瓷制備原料為氮化硅粉體，其品質(zhì)對(duì)材料性能的影響至關(guān)重要。氮化硅粉體的常見合成方法有硅粉氮化法、氣相沉淀法、碳熱還原法、氨解法、燃燒合成法等，不同制備方法具有不同控制難點(diǎn)和應(yīng)用范疇，在工業(yè)上需要根據(jù)不同需求選取不同制備工藝路線［２０－２１］。目前，國(guó)內(nèi)氮化硅粉體制備的主流技術(shù)是自蔓延高溫合成技術(shù)與碳熱還原合成技術(shù)［２２］。自蔓延高溫合成技術(shù)又稱燃燒合成技術(shù)，利用外部能量誘發(fā)局部化學(xué)反應(yīng)中放出的高反應(yīng)熱在很短時(shí)間內(nèi)合成材料。氮化硅粉體制備過程中通過多點(diǎn)增微技術(shù)控制粉體燃燒過程中的活化能，使得粉體化學(xué)反應(yīng)過程不受擴(kuò)散傳質(zhì)的影響，解決了粉體自蔓延燃燒過程中溫度梯度大（２５～２４００℃），部分粉料液化后被包裹在液相中無法被催化等問題。自蔓延高溫合成陶瓷粉體過程如圖４［２２］所示。自蔓延高溫合成陶瓷粉體技術(shù)已愈發(fā)成熟，能夠?qū)崿F(xiàn)氮化硅陶瓷粉體催化過程中溫度、壓力與應(yīng)變的精確控制，進(jìn)而完成對(duì)高性能陶瓷粉體顆粒均勻、質(zhì)相一致性的主動(dòng)控制，該技術(shù)已成為高純度β氮化硅粉末的主要生產(chǎn)方法。碳熱還原合成技術(shù)又稱碳熱還原二氧化硅法。將高純度石英粉與高純碳粉作為原料，混合均勻后放入通有惰性氣體的反應(yīng)爐內(nèi)，加熱到１４００℃進(jìn)行反應(yīng)，從而得到粒徑小、含大量α相的氮化硅粉末。碳熱還原合成技術(shù)以成本低、反應(yīng)速度快、成品率高等特點(diǎn)，迅速實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)，成為國(guó)內(nèi)生產(chǎn)α-氮化硅粉末的主要方式。

１.２ 坯體燒結(jié)技術(shù)

氮化硅材料致密化燒結(jié)技術(shù)是影響材料制備的另一關(guān)鍵因素，影響氮化硅坯體致密化燒結(jié)的因素主要包括燒結(jié)助劑種類與用量、燒結(jié)溫度、保溫時(shí)間與燒結(jié)方法等。燒結(jié)助劑類型的選擇、成分和用量的控制對(duì)改善氮化硅陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)，提高燒結(jié)坯體的綜合性能具有重要作用［２３］。目前，制備氮化硅陶瓷的常見燒結(jié)方式有常壓燒結(jié)、反應(yīng)燒結(jié)、熱壓燒結(jié)、氣壓燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)和放電等離子燒結(jié)等［２４］。不同燒結(jié)方式對(duì)粉體擴(kuò)散機(jī)制和相變過程的影響效果顯著不同，致密化過程（燒結(jié)粉體擴(kuò)散與相變的耦合過程）亦不相同。同時(shí)，提高燒結(jié)溫度有利于促進(jìn)粉體擴(kuò)散和相變過程演化、流動(dòng)性提高、致密化加速等過程。因此，燒結(jié)工藝的改善及其對(duì)燒結(jié)溫度和保溫時(shí)間的控制對(duì)提高氮化硅材料致密性及綜合性能意義重大。此外，微波燒結(jié)作為一種新型燒結(jié)方式，其應(yīng)用過程中能源利用率高、安全無污染，并且能夠?qū)崿F(xiàn)細(xì)化晶粒效果，縮短了燒結(jié)時(shí)間，提高了材料的致密化程度和綜合性能［２５］。軸承用氮化硅陶瓷材料制備技術(shù)流程圖如圖５［２５］所示。對(duì)陶瓷粉末進(jìn)行處理并添加燒結(jié)助劑壓模成型后，進(jìn)行高溫高壓燒結(jié)可使材料致密化，陶瓷粉末內(nèi)多晶體得以收縮最終成為陶瓷軸承組件毛坯。

熱等靜壓（ｈｏｔｉｓｏｓｔａｔｉｃｐｒｅｓｓｉｎｇ，ＨＩＰ）是一種燒結(jié)工程陶瓷快速致密化的最有效方法。該方法以氣體作為壓力介質(zhì)，燒結(jié)過程中在產(chǎn)品的各個(gè)方向上施加同等壓力，在高溫、高壓作用下實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品致密化［２６］。相比于其他燒結(jié)方式，熱等靜壓燒結(jié)制品具有更理想的壓碎載荷比、離散度和截面孔隙度，進(jìn)而獲得更好的軸承組件硬度和斷裂韌性。目前，美國(guó)ＯＲＴＥＣＨ、加拿大ＣＹＣＬＯＮＥ、日本ＵＢＥ等公司生產(chǎn)的氮化硅陶瓷球均采用熱等靜壓燒結(jié)方式。而國(guó)內(nèi)廠商受限于燒結(jié)過程中用于隔絕高溫／高壓氣體的包套的相關(guān)制備技術(shù)不成熟，無法實(shí)現(xiàn)粉體在惡劣環(huán)境中的直接熱等靜壓燒結(jié)成型，因而多采用氣壓燒結(jié)預(yù)成型后，再經(jīng)熱等靜壓二次燒結(jié)處理，該種燒結(jié)方式制得的陶瓷軸承組件與直接熱等靜壓成型相比，其硬度和斷裂韌性等屬性均有所下降［２７］。

２ 全陶瓷球軸承設(shè)計(jì)理論

全陶瓷球軸承設(shè)計(jì)理論相對(duì)于金屬及混合陶瓷球軸承發(fā)展較為滯后，目前面向超精密全陶瓷球軸承的高性能制造基礎(chǔ)理論與技術(shù)體系尚未構(gòu)建［２８］。全陶瓷球軸承的設(shè)計(jì)可以借鑒金屬球軸承的設(shè)計(jì)理論，但由于陶瓷與金屬材料屬性的不同，鋼軸承設(shè)計(jì)理論在全陶瓷軸承的設(shè)計(jì)過程中存在諸多局限。陶瓷材料本身對(duì)應(yīng)力較為敏感，當(dāng)設(shè)計(jì)軸承的內(nèi)外圈溝曲率半徑系數(shù)時(shí)，若直接沿用鋼軸承設(shè)計(jì)參數(shù)，會(huì)使球與內(nèi)外圈接觸應(yīng)力偏大，降低軸承的疲勞壽命。另外，陶瓷球硬度和彈性模量比軸承鋼大很多，如果鋼球直接換成陶瓷球，勢(shì)必造成接觸應(yīng)力增大以及其他性能參數(shù)的改變，最終導(dǎo)致軸承壽命縮短，工作性能降低［２９］。因此，形成適用于全陶瓷球軸承的設(shè)計(jì)理論體系是提高其工作特性與服役性能的前提。

全陶瓷球軸承設(shè)計(jì)理論包括結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)、解析數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)、潤(rùn)滑與密封設(shè)計(jì)、動(dòng)力學(xué)仿真分析設(shè)計(jì)等，部分設(shè)計(jì)理論如表２［３０］所示。全陶瓷球軸承的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)決定了軸承球－圈接觸形式、摩擦系數(shù)、極限轉(zhuǎn)速等服役特性，而解析數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)軸承服役性能精確表征，準(zhǔn)確預(yù)判其服役狀態(tài)并改善工況條件延長(zhǎng)使用性能與壽命的依據(jù)。因此，結(jié)構(gòu)參數(shù)與數(shù)學(xué)模型的設(shè)計(jì)是全陶瓷球軸承設(shè)計(jì)理論的核心。

２.１ 結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

全陶瓷球軸承結(jié)構(gòu)如圖６所示。全陶瓷球軸承內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)主要包括：球直徑Ｄｂ、球數(shù)Ｚ、軸承中徑Ｄｍ、內(nèi)溝曲率半徑系數(shù)ｆｉ、外溝曲率半徑系數(shù)ｆｅ和接觸角α等。

全陶瓷球軸承內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)關(guān)系［３１］為

ｆｉ＝ｒｉ／Ｄｂ （１）

ｆｅ＝ｒｅ／Ｄｂ （２）

式中：ｒｉ為軸承內(nèi)溝曲率半徑；ｒｅ為軸承外溝曲率半徑。

設(shè)軸承徑向游隙為μ，根據(jù)式（１）、（２）和圖６中的幾何關(guān)系推導(dǎo)可得

ｃｏｓα＝１－ μ／２（ｆｉ＋ｆｅ－１）Ｄｂ （３）

軸承徑向游隙一般根據(jù)全陶瓷球軸承材料和服役環(huán)境作為已知條件給出［３２］。接觸角可由式（３）求得，且并非獨(dú)立變量。通常球軸承內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)是指Ｄｂ、Ｚ、Ｄｍ、ｆｉ和ｆｅ等線性無關(guān)變量。上述內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)直接決定了全陶瓷球軸承的疲勞壽命、額定靜負(fù)荷、磨損壽命、摩擦力矩、旋滾比和剛性等各項(xiàng)服役性能。

由于材料和工況存在差異，全陶瓷球軸承在不同條件下可出現(xiàn)多種失效形式，在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)其各項(xiàng)服役性能要求需要有所側(cè)重。針對(duì)氮化硅全陶瓷球軸承內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)需要遵循以下原則：以疲勞壽命為優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)，同時(shí)以約束條件形式限制ｆｉ和ｆｅ的最小值，從而控制軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的摩擦、發(fā)熱和磨損程度。上述優(yōu)化設(shè)計(jì)原則的依據(jù)為：

１）氮化硅等陶瓷材料彈性模量較大，當(dāng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)和負(fù)荷相同時(shí)，全陶瓷球軸承球和溝道間的接觸面積比鋼軸承小，接觸應(yīng)力相對(duì)較大。同時(shí)，氮化硅材料對(duì)接觸應(yīng)力較敏感，因而對(duì)全陶瓷球軸承而言，延長(zhǎng)疲勞壽命就顯得更為重要。

２）由于氮化硅等陶瓷材料具有密度小、耐磨損、摩擦系數(shù)小和耐高溫等優(yōu)點(diǎn)，除疲勞壽命外，軸承其他服役性能均明顯優(yōu)于鋼球軸承，在全陶瓷球軸承內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，摩擦力矩、磨損壽命、旋滾比等各項(xiàng)服役性能為需要實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的重要目標(biāo)。

３）通常疲勞壽命是正常工作條件下使用滾動(dòng)軸承的最重要服役性能，而全陶瓷球軸承的疲勞壽命預(yù)測(cè)模型尚未完善，其服役性能分析方法尚未成熟。

目前，全陶瓷球軸承設(shè)計(jì)以參考金屬球軸承相關(guān)設(shè)計(jì)理論為主，但實(shí)際服役過程中表現(xiàn)的性能與理論結(jié)果存在較大偏差。以球軸承基本壽命設(shè)計(jì)理論為例，金屬球軸承采用的ＬＰ公式沿用至全陶瓷球軸承后，計(jì)算得到的軸承壽命嚴(yán)重縮短，Ｌ-Ｐ公式中的基本額定動(dòng)載荷、當(dāng)量動(dòng)載荷和壽命指數(shù)均需結(jié)合實(shí)際陶瓷材料屬性進(jìn)行精確修正，例如與材料有關(guān)的壽命指數(shù)在金屬球軸承壽命計(jì)算中通常選用９或１０，這是金屬球軸承發(fā)展至今經(jīng)過大量數(shù)據(jù)研究后得到的優(yōu)化結(jié)果，在全陶瓷球軸承壽命計(jì)算方向上同樣需要進(jìn)行大量數(shù)據(jù)積累才能得到更加正確的設(shè)計(jì)參數(shù)［３３］。

２.２ 解析數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)

全陶瓷球軸承解析數(shù)學(xué)模型的設(shè)計(jì)是指建立相應(yīng)適應(yīng)性數(shù)學(xué)模型，從而準(zhǔn)確表征軸承服役過程中的表面摩擦學(xué)性能匹配性、材料匹配性、結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能、熱特性、潤(rùn)滑性能和工作性能等參數(shù)。該方面的研究國(guó)內(nèi)起步較晚，尚未形成適用于全陶瓷球軸承的準(zhǔn)確數(shù)學(xué)模型，建議可從以下方面開展相應(yīng)研究工作：

１）研究軸承宏觀結(jié)構(gòu)尺寸與多物理場(chǎng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的自適應(yīng)規(guī)律，探索多界面摩擦副損傷與潤(rùn)滑性能退化抑制機(jī)制。

２）研究軸承典型動(dòng)態(tài)特征的時(shí)、空域多維信息傳遞精確建模方法。

３）綜合考慮結(jié)構(gòu)－潤(rùn)滑－工況－溫度等因素及其演變特征，建立全陶瓷球軸承摩擦磨損與疲勞壽命等性能指標(biāo)計(jì)算模型。

４）分析磨損與疲勞演化的相關(guān)性，協(xié)調(diào)目標(biāo)函數(shù)權(quán)重，建立綜合性能表征模型，建立宏觀結(jié)構(gòu)尺寸與微觀表面完整性指標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

為了形成適用于全陶瓷球軸承的解析數(shù)學(xué)模型，全方位預(yù)判軸承在復(fù)雜工況下的服役性能，降低疲勞磨損和沖擊損傷，應(yīng)針對(duì)軸承損傷機(jī)理和損傷演化機(jī)制方面展開全陶瓷球軸承模型設(shè)計(jì)。所建立的數(shù)學(xué)模型應(yīng)考慮到軸承組件宏觀結(jié)構(gòu)尺寸與軸承多物理場(chǎng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)關(guān)系，以及軸承組件表面完整性與微觀接觸界面潤(rùn)滑成膜效果的本質(zhì)聯(lián)系。

轉(zhuǎn)速、載荷、環(huán)境溫度、潤(rùn)滑條件等工況對(duì)軸承宏觀結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)和微觀表面完整性指標(biāo)的設(shè)計(jì)具有重要影響，服役條件直接作用于軸承組件的動(dòng)態(tài)響應(yīng)分布特征和時(shí)域演化規(guī)律。全陶瓷球軸承數(shù)學(xué)模型的建立需要借助先進(jìn)數(shù)據(jù)處理技術(shù)來提煉軸承組件動(dòng)態(tài)響應(yīng)典型特征參數(shù)與各因素隱含關(guān)系，進(jìn)而建立動(dòng)態(tài)特征參數(shù)與各影響因素的映射模型。目前，已有學(xué)者基于滑動(dòng)磨損理論和滾動(dòng)接觸疲勞理論，充分考慮陶瓷軸承組件微觀真實(shí)形貌特征，并引入相應(yīng)特征參數(shù)，初步建立了考慮軸承宏微觀結(jié)構(gòu)－潤(rùn)滑－工況－溫度的全陶瓷球軸承磨損深度和疲勞壽命計(jì)算模型。也有相關(guān)學(xué)者［３４］運(yùn)用多種優(yōu)化方法，并結(jié)合分析獲得的全陶瓷球軸承宏觀結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)和表面完整性指標(biāo)優(yōu)選范圍，確定了滿足高性能、長(zhǎng)壽命服役需求的全陶瓷球軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化取值范圍。全陶瓷球軸承數(shù)學(xué)模型參數(shù)化設(shè)計(jì)路線如圖７［３４］所示。

綜上所述，目前尚未完全形成適用于全陶瓷球軸承的設(shè)計(jì)理論及方法，該方面的研究思想主要是在現(xiàn)有金屬球軸承計(jì)算模型基礎(chǔ)上進(jìn)行相應(yīng)系數(shù)優(yōu)化和參數(shù)替換，進(jìn)而形成比較接近于全陶瓷球軸承結(jié)構(gòu)及服役特征的解析數(shù)學(xué)模型。但該種設(shè)計(jì)方法本質(zhì)上并未脫離金屬球軸承的設(shè)計(jì)理論及體系，所表征的軸承及其組件受力與變形、運(yùn)動(dòng)關(guān)系、摩擦溫升、熱效應(yīng)等特性仍限用于金屬球軸承，并不適用在復(fù)雜極端工況條件下服役的全陶瓷球軸承。因此，亟須開展全陶瓷球軸承的正向設(shè)計(jì)相關(guān)研究工作，開發(fā)面向性能與服役工況的全陶瓷球軸承設(shè)計(jì)方法。本文作者與研究團(tuán)隊(duì)在國(guó)家自然科學(xué)基金區(qū)域創(chuàng)新發(fā)展聯(lián)合基金“超精密全陶瓷球軸承高性能制造理論與方法（Ｕ２３Ａ２０６３１）”等項(xiàng)目支持下正開展相關(guān)研究工作。

３ 全陶瓷球軸承組件精密加工技術(shù)

３.１ 高精度制造關(guān)鍵技術(shù)

陶瓷球制造工藝是陶瓷軸承組件研究取得成果最早的技術(shù)之一。早在２０世紀(jì)６０年代國(guó)際上已開展針對(duì)陶瓷球加工制造相關(guān)技術(shù)的研發(fā)工作，我國(guó)在９０年代出現(xiàn)了一批聚焦陶瓷球表面加工的研究學(xué)者，針對(duì)陶瓷球加工技術(shù)進(jìn)行了深入研究，提出了多種新型陶瓷球表面加工工藝方案和應(yīng)用技術(shù)［３５］。陶瓷球研磨拋光的技術(shù)主要圍繞球體成球基本條件、研磨拋光工藝和陶瓷球表面完整性檢測(cè)３個(gè)方向展開，具體工藝技術(shù)特點(diǎn)如圖８［３５］所示。

國(guó)內(nèi)外專家針對(duì)陶瓷球精密研磨關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了大量研究，其中代表性成果包括吳玉厚等［３６］提出的錐形研磨陶瓷球坯方法（見圖９ａ）和林明星等［３７］提出的變曲率溝槽精密球超精密加工技術(shù)（見圖９ｂ）。錐形研磨陶瓷球坯方法中上研磨盤為錐形，下研磨盤為圓筒形，上下研磨盤共有３個(gè)研磨面，下研磨盤基座設(shè)有減振系統(tǒng)，解決了陶瓷球坯傳統(tǒng)加工工藝效率低、質(zhì)量差等瓶頸問題。變曲率溝槽精密球超精密加工裝置主要由上下盤、循環(huán)機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)裝置組成，上盤為變曲率溝槽盤，其上開有截面為Ｖ形的溝槽滾道，溝槽上任意一點(diǎn)相對(duì)于磨盤中心的曲率半徑均不同且曲率半徑連續(xù)變化［３７］?？子绖偟龋郏常福萏岢隽艘环N主軸偏心同心圓Ｖ形槽加工方式。該加工方式中上下磨盤的回轉(zhuǎn)中心不在一條直線上，由于球坯的公轉(zhuǎn)中心與上盤旋轉(zhuǎn)中心并不同軸，球坯與上研磨盤的接觸點(diǎn)將沿上盤徑向移動(dòng)，該研磨方式能夠獲得更小的球形偏差。

３.２ 套圈制造技術(shù)

軸承套圈在軸承工作中起著旋轉(zhuǎn)和支撐滾動(dòng)體運(yùn)轉(zhuǎn)作用，其加工工藝水平和精度直接影響軸承服役行為。導(dǎo)致軸承失效的最主要原因之一是軸承溝道表面質(zhì)量欠佳，因此，軸承套圈溝道的精密加工是提高整個(gè)軸承服役性能的關(guān)鍵因素。相對(duì)于鋼制軸承套圈較成熟的制造工藝而言，陶瓷軸承套圈的加工工藝因陶瓷材料本身的脆硬特性而變得復(fù)雜。圖１０為不同材質(zhì)軸承套圈加工工藝對(duì)比結(jié)果［３９－４０］。陶瓷軸承套圈加工工藝以精密磨削、精密研磨為主，加工難度大、效率低，因而在陶瓷軸承技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用過程中以鋼軸承圈和陶瓷球配合使用的混合陶瓷軸承率先得到應(yīng)用。

陶瓷軸承溝道精密磨削與精密研磨是陶瓷軸承制造最重要的關(guān)鍵技術(shù)之一，溝道加工質(zhì)量決定了溝道與滾動(dòng)體的配合程度，從而影響軸承的旋轉(zhuǎn)精度、表面磨損性能、承載能力、振動(dòng)及噪聲等性能，因此，軸承套圈加工過程中如何實(shí)現(xiàn)陶瓷套圈高質(zhì)量的控形控性制造成為陶瓷軸承套圈技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的首要問題。近年來，隨著陶瓷材料性能及軸承制造裝備性能的發(fā)展，陶瓷軸承套圈的加工精度和效率得到了提升。與鋼制軸承套圈及相關(guān)加工設(shè)備特點(diǎn)不同的是，陶瓷軸承套圈在軸承套圈制造工藝過程中涉及諸多無法回避的技術(shù)局限問題。最具代表性為現(xiàn)今大多數(shù)陶瓷軸承生產(chǎn)廠商考慮到軸承套圈加工的經(jīng)濟(jì)性和效率，在陶瓷套圈加工過程中通常采用三爪卡盤進(jìn)行裝夾，導(dǎo)致與卡盤分布式接觸的裝夾力會(huì)使套圈圓周方向材料去除率發(fā)生變化，進(jìn)而影響套圈的加工精度與使用性能。目前較為理想的陶瓷軸承套圈裝夾方式包括壓輥式和氣動(dòng)式裝卡夾具（見圖１１［４１］）。此外，在陶瓷套圈溝道磨削加工過程中圓弧成型金剛石砂輪的在線修整技術(shù)一直是阻礙陶瓷軸承內(nèi)外圈加工工藝發(fā)展的瓶頸。溝形和溝曲率是保證滾動(dòng)體與溝道良好接觸的必要條件，影響著軸承服役過程中滾動(dòng)體與溝道的接觸面積與接觸應(yīng)力，并會(huì)進(jìn)一步影響軸承旋轉(zhuǎn)精度和服役壽命。

４ 全陶瓷球軸承綜合性能測(cè)試技術(shù)

４.１ 性能試驗(yàn)平臺(tái)

全陶瓷球軸承試驗(yàn)平臺(tái)是開展軸承性能測(cè)試的技術(shù)條件，也是對(duì)理論研究成果進(jìn)行驗(yàn)證的設(shè)備依據(jù)。與普通軸承試驗(yàn)機(jī)一致，適用于全陶瓷球軸承的試驗(yàn)平臺(tái)包括軸承性能試驗(yàn)機(jī)、疲勞壽命試驗(yàn)機(jī)、強(qiáng)化試驗(yàn)機(jī)、設(shè)計(jì)驗(yàn)證試驗(yàn)機(jī)與特殊定制試驗(yàn)機(jī)等，試驗(yàn)設(shè)備的主機(jī)結(jié)構(gòu)原理、載荷施加技術(shù)、驅(qū)動(dòng)技術(shù)、測(cè)試技術(shù)、控制技術(shù)與普通軸承試驗(yàn)機(jī)基本相同［４２］。

１）主機(jī)結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)機(jī)主機(jī)框架主要用于承載及軸承專用工裝連接、測(cè)控部件安裝布局等。專用工裝部分包含承載主軸、陪試軸承和軸承潤(rùn)滑密封等。承載主軸是試驗(yàn)機(jī)的關(guān)鍵部件，與試驗(yàn)軸承配合安裝。對(duì)于內(nèi)外圈為陶瓷材料的全陶瓷球軸承而言，其與不同材料主軸配合過程中需要考慮到熱脹變形、精密安裝等問題。陪試軸承性能的優(yōu)劣決定了試驗(yàn)機(jī)的極限轉(zhuǎn)速和最大承載力，也決定了試驗(yàn)機(jī)的旋轉(zhuǎn)精度，進(jìn)而影響主軸跳動(dòng)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。主機(jī)結(jié)構(gòu)一般分為橋式結(jié)構(gòu)、懸臂式結(jié)構(gòu)和組合式結(jié)構(gòu)。

２）載荷施加與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

試驗(yàn)載荷是軸承試驗(yàn)機(jī)的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，載荷大小決定了測(cè)試軸承的承載范圍，其加載精度決定了試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確度。不同功能需求的軸承試驗(yàn)機(jī)對(duì)精度和速度的要求各不相同，例如軸承強(qiáng)化試驗(yàn)機(jī)對(duì)加載精度要求較高，但對(duì)加載速度要求不高。目前最常用的載荷施加方法包括電動(dòng)加載、液壓加載，而杠桿砝碼加載和彈簧加載等方式正逐漸被替代［４３］。進(jìn)行滾動(dòng)軸承試驗(yàn)時(shí)，需要試驗(yàn)主軸按一定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。主軸驅(qū)動(dòng)方式包括變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)、電主軸驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)等。隨著裝備對(duì)軸承轉(zhuǎn)速需求的提高，軸承試驗(yàn)機(jī)轉(zhuǎn)速一般需要超過８０００ｒ／ｍｉｎ，該轉(zhuǎn)速下常采用電主軸直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)，該技術(shù)可減少傳動(dòng)組件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。電主軸直接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由電主軸、轉(zhuǎn)速傳感器、變頻器等組成?？紤]到高轉(zhuǎn)速軸承服役過程中會(huì)產(chǎn)生發(fā)熱情況，需要對(duì)電主軸軸承、支撐軸承、試驗(yàn)軸承（若需要）進(jìn)行潤(rùn)滑冷卻，因而電主軸直接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一般配有冷卻潤(rùn)滑裝置。

３）測(cè)試與控制系統(tǒng)

測(cè)試系統(tǒng)是試驗(yàn)機(jī)的關(guān)鍵組成部分。試驗(yàn)機(jī)的控制參數(shù)和測(cè)量反饋參數(shù)都需要進(jìn)行采集、存儲(chǔ)和處理，主要通過單片機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡等進(jìn)行參數(shù)測(cè)試，并通過工控機(jī)或工業(yè)顯示器來進(jìn)行參數(shù)顯示和相關(guān)操作，主要測(cè)試參數(shù)包括載荷、轉(zhuǎn)速、溫度、振動(dòng)、磨損量等。軸承試驗(yàn)機(jī)控制技術(shù)的核心為控制器，主要包括專用動(dòng)靜態(tài)控制器、工業(yè)計(jì)算機(jī)等，基本都可實(shí)現(xiàn)無需看守的長(zhǎng)時(shí)試驗(yàn)，試驗(yàn)機(jī)可以按設(shè)置好的程序自動(dòng)運(yùn)行，所有試驗(yàn)參數(shù)、反饋測(cè)量參數(shù)均可以設(shè)置上下限報(bào)警值。當(dāng)所測(cè)試的參數(shù)超過報(bào)警值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)停機(jī)。試驗(yàn)機(jī)配置上位機(jī)軟件，可以方便操作，靈活編譯試驗(yàn)流程［４４］。

圖１２為作者團(tuán)隊(duì)搭建的兩套滾動(dòng)軸承試驗(yàn)機(jī)，可模擬全陶瓷球軸承在不同轉(zhuǎn)速、載荷、潤(rùn)滑條件、環(huán)境溫度下的多變工況試驗(yàn)，測(cè)試得到全陶瓷球軸承服役過程中的振動(dòng)、溫升、摩擦力矩時(shí)域變化規(guī)律［４４］。圖１２ａ為ＪＨ-２００Ｅ立式滾動(dòng)軸承試驗(yàn)機(jī)，該試驗(yàn)機(jī)配有全陶瓷球軸承工裝，可測(cè)量３０～６０ｍｍ內(nèi)徑的滾動(dòng)軸承。供油系統(tǒng)流量范圍為０～５０ｍＬ／ｍｉｎ，流量控制精度為±０.０５ｍＬ／ｍｉｎ；試驗(yàn)軸承徑向加載范圍為１００～３００００Ｎ，軸向加載范圍為５０～１００００Ｎ；主軸最高轉(zhuǎn)速為３００００ｒ／ｍｉｎ，額定功率為１５ｋＷ。圖１２ｂ為ＬＨ-５１０Ｅ臥式滾動(dòng)軸承試驗(yàn)機(jī)，試樣軸承外徑為３０～２００ｍｍ，內(nèi)徑為１０～１７０ｍｍ，寬度為１０～３０ｍｍ；軸承試驗(yàn)環(huán)境溫度低于－１３０℃，最低溫度可達(dá)－１９６℃，長(zhǎng)時(shí)保持精度為±２℃。以上兩種試驗(yàn)機(jī)均是針對(duì)全陶瓷球軸承設(shè)計(jì)開發(fā)的專業(yè)試驗(yàn)裝置，同時(shí)也可用于金屬及混合陶瓷滾動(dòng)軸承試驗(yàn)測(cè)試。另外，利用杭州軸承試驗(yàn)研究中心有限公司生產(chǎn)的ＡＢＬＴ型系列軸承壽命強(qiáng)化試驗(yàn)機(jī)、ＢＶＴ-１Ａ系列軸承振動(dòng)測(cè)量?jī)x和洛陽軸承研究所有限公司生產(chǎn)的軸承疲勞試驗(yàn)機(jī)、軸承動(dòng)態(tài)性能測(cè)試機(jī)、多功能軸承振動(dòng)儀等常見標(biāo)準(zhǔn)軸承試驗(yàn)臺(tái)，也可通過更換測(cè)試軸或精密裝配等手段實(shí)現(xiàn)全陶瓷球軸承的性能測(cè)試。

４.２ 綜合性能測(cè)試

全陶瓷球軸承因材料特性可適用于各種溫域工況，且均表現(xiàn)出優(yōu)異服役性能。軸承運(yùn)動(dòng)與服役特性涉及到軸承材料、潤(rùn)滑、動(dòng)力學(xué)、熱特性等關(guān)鍵技術(shù)。針對(duì)全陶瓷球軸承服役技術(shù)研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析有助于全面了解和掌握軸承服役運(yùn)行規(guī)律，對(duì)軸承的推廣應(yīng)用與性能提升具有重要促進(jìn)作用。本文針對(duì)不同工況下的軸承性能測(cè)試情況進(jìn)行了分析。

１）常溫工況

氮化硅全陶瓷球軸承具有一定自潤(rùn)滑性，可以在無潤(rùn)滑條件下工作，常溫工況下對(duì)其提供潤(rùn)滑介質(zhì)后全陶瓷球軸承的服役性能更佳、工作壽命更長(zhǎng)。通過對(duì)比同型號(hào)全陶瓷球軸承與金屬球軸承在同一工況及相同潤(rùn)滑條件下的服役性能后發(fā)現(xiàn)，全陶瓷球軸承與金屬球軸承振動(dòng)和溫升性能差別較大，全陶瓷球軸承的外圈振動(dòng)和溫升特性明顯好于金屬球軸承，全陶瓷球軸承外圈振動(dòng)加速度均方根值平均減?。常埃ィS承溫升值平均減?。玻保?，如圖１３［４５］所示。ＹＡＮ等［４６］進(jìn)行了氧化鋯全陶瓷球軸承輻射噪聲試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置如圖１４所示。結(jié)果表明，轉(zhuǎn)速和徑向載荷與全陶瓷球軸承輻射噪聲及聲場(chǎng)指向性呈正相關(guān)關(guān)系。隨著預(yù)緊力和供油量的增加，全陶瓷球軸承輻射噪聲呈現(xiàn)先減小后逐漸增大的變化趨勢(shì)。當(dāng)轉(zhuǎn)速固定時(shí)，在一定預(yù)緊力和供油量下全陶瓷球軸承具有最小輻射噪聲［４６］。吳玉厚等［４７］建立了適用于全陶瓷球軸承的液體潤(rùn)滑數(shù)學(xué)模型，提出了潤(rùn)滑油膜分布規(guī)律的數(shù)值計(jì)算方法，明確了油潤(rùn)滑條件下服役工況對(duì)全陶瓷球軸承接觸區(qū)表層潤(rùn)滑油膜分布的影響規(guī)律。ＹＡＯ等［４８］提出了基于ＶＭＤ-ＳＶＤ與ＭＰＧＡ-ＳＶＭ的全陶瓷球軸承故障識(shí)別方法，識(shí)別準(zhǔn)確率可以達(dá)到９９％。

２）極端溫度工況

極端溫度環(huán)境下潤(rùn)滑介質(zhì)的選擇與應(yīng)用是解決軸承在極端溫度環(huán)境下應(yīng)用的關(guān)鍵問題。目前國(guó)內(nèi)已有學(xué)者通過試驗(yàn)手段采用聚四氟乙烯（ＰＴＦＥ）作為固體潤(rùn)滑介質(zhì)對(duì)不同軸承鋼材料進(jìn)行摩擦學(xué)試驗(yàn)，結(jié)果表明，具有自潤(rùn)滑性的ＰＴＦＥ可以在低溫環(huán)境下降低摩擦系數(shù)，實(shí)現(xiàn)低溫工況下的軸承材料固體潤(rùn)滑［４９－５０］。部分學(xué)者研究了ＰＴＦＥ復(fù)合材料在液氧、液氫中的摩擦磨損性能，并探究了以ＰＴＦＥ軸承保持架為軸承固體潤(rùn)滑介質(zhì)，在軸承運(yùn)行過程中載荷、轉(zhuǎn)速對(duì)轉(zhuǎn)移膜的形成、轉(zhuǎn)移和破裂現(xiàn)象的影響［５１］。結(jié)果表明，全陶瓷球軸承選擇合適的保持架會(huì)生成轉(zhuǎn)移膜。配有聚氯乙烯（ＰＶＸ）保持器的氮化硅全陶瓷球軸承在低于－１６０℃環(huán)境溫度下工作時(shí)，軸承運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)并未出現(xiàn)明顯振幅變化，也未出現(xiàn)失效情況。ＰＶＸ保持器側(cè)梁表面（保持器外圓表面）出現(xiàn)明顯劃擦與蹭傷區(qū)域。保持器粉末在全陶瓷球軸承滾道與滾珠間接觸微區(qū)的低溫、滑滾效應(yīng)耦合作用下形成了一層薄膜并可對(duì)軸承起到潤(rùn)滑作用，全陶瓷球軸承的具體超低溫工作特性如圖１５［５２］所示。

相關(guān)研究學(xué)者針對(duì)高溫環(huán)境下軸承潤(rùn)滑領(lǐng)域開展了大量研究工作，對(duì)材料耐高溫性能、高溫摩擦學(xué)性能、高溫潤(rùn)滑行為等關(guān)鍵技術(shù)開展了廣泛探討。ＴＲＩＶＥＤＩ等［５３］通過大量試驗(yàn)分析了２００℃下Ｐｙｒｏｗｅａｒ６７５軸承材料的摩擦磨損性能，結(jié)果表明，Ｐｙｒｏｗｅａｒ６７５材料在高溫環(huán)境下的磨損性能主要表現(xiàn)為黏著磨損。為了更好地分析全陶瓷球軸承在高溫工況下的振動(dòng)特性，相關(guān)學(xué)者［４９，５４］設(shè)計(jì)了模擬高溫環(huán)境軸承振動(dòng)試驗(yàn)，具體試驗(yàn)裝置和原理圖如圖１６所示。結(jié)果表明，在單一載荷作用下，隨著腔體溫度的逐漸增加，全陶瓷球軸承振動(dòng)加速度和溫升逐漸變大。隨著轉(zhuǎn)速的增加，振動(dòng)和溫升逐漸增加，且軸承溫升變化相對(duì)較小。維持溫度與轉(zhuǎn)速不變或在某一小范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí)，全陶瓷球軸承可以很好地保持平穩(wěn)運(yùn)行。

５ 全陶瓷球軸承技術(shù)研究展望

綜上所述，全陶瓷球軸承在極端工況下服役具有巨大潛力，圍繞陶瓷軸承相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的深入研究勢(shì)必將成為未來高端軸承技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展的重點(diǎn)方向?，F(xiàn)階段全陶瓷球軸承已經(jīng)成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)、新能源汽車、無人機(jī)等技術(shù)領(lǐng)域的標(biāo)配軸承。隨著高端制造裝備發(fā)展過程中服役環(huán)境與工況的極端復(fù)雜化，全陶瓷球軸承將發(fā)揮出更顯著的綜合性能優(yōu)勢(shì)，尤其是在超高（低）溫、真空、強(qiáng)磁、強(qiáng)電等極端環(huán)境，其發(fā)展趨勢(shì)與目標(biāo)將更為明確。針對(duì)全陶瓷球軸承相關(guān)技術(shù)，可繼續(xù)從以下幾個(gè)方向開展深入研究：

１）高性能陶瓷材料。在燒結(jié)過程中選用純度高、粒度分布集中的工程陶瓷粉體，并采用脫氧和脫碳等處理工藝。目前，國(guó)內(nèi)熱等靜壓燒結(jié)工藝尚不成熟，無法通過顯微結(jié)構(gòu)工程控制氮化硅等陶瓷晶粒長(zhǎng)徑比的生長(zhǎng)趨勢(shì)，需進(jìn)一步通過改善燒結(jié)后陶瓷表面裂紋擴(kuò)展機(jī)理，掌握裂紋擴(kuò)展可控性。

２）全陶瓷球軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。陶瓷材料屬性與軸承鋼差別較大，從軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度考慮，軸承設(shè)計(jì)理論依據(jù)來自金屬材料，而全陶瓷球軸承所涉及的軸承接觸理論、熱力學(xué)理論、摩擦學(xué)理論、動(dòng)力學(xué)等關(guān)鍵技術(shù)理論，均需結(jié)合陶瓷材料特性進(jìn)行精確分析與設(shè)計(jì)，并針對(duì)服役工況加以完善。

３）全陶瓷球軸承組件超精密加工技術(shù)。在高性能制造技術(shù)發(fā)展背景下，針對(duì)全陶瓷球軸承在復(fù)雜環(huán)境下的接觸與潤(rùn)滑形式，提出面向服役性能的陶瓷滾動(dòng)體、陶瓷內(nèi)、外圈等軸承組件的控形控性精密加工工藝，通過對(duì)組件表面進(jìn)行微觀尺度精密加工，提高全陶瓷球軸承組件間的接觸與潤(rùn)滑性能。

４）全陶瓷球軸承的綠色潤(rùn)滑技術(shù)。在極端溫度環(huán)境下開發(fā)全陶瓷球軸承的自潤(rùn)滑性能，對(duì)克服傳統(tǒng)軸承潤(rùn)滑技術(shù)缺點(diǎn)、提高干摩擦工況下軸承的應(yīng)用水平具有重要促進(jìn)作用，同時(shí)自身摩擦損耗產(chǎn)物不會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成危害。軸承自潤(rùn)滑或基于保持器材料的固體潤(rùn)滑技術(shù)將成為全陶瓷球軸承綠色潤(rùn)滑的重要發(fā)展方向。

５）全陶瓷球軸承極端工況下服役狀態(tài)與遠(yuǎn)期性能預(yù)測(cè)。搭建智能健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是未來高端裝備技術(shù)監(jiān)測(cè)的總體發(fā)展趨勢(shì)，軸承健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)是其中最重要的一項(xiàng)，具體工藝包含軸承運(yùn)行健康狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)、軸承無損檢測(cè)技術(shù)和軸承可靠性評(píng)估技術(shù)。開發(fā)適用于極端工況下全陶瓷球軸承的狀態(tài)檢測(cè)與性能預(yù)測(cè)方法體系也是未來的重要研究方向。

６ 結(jié)束語

本文圍繞高端裝備對(duì)軸承高性能制造與應(yīng)用技術(shù)的需求，探究了全陶瓷球軸承技術(shù)應(yīng)用的可行性。分別從全陶瓷球軸承的材料制備、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、關(guān)鍵組件精密制造、試驗(yàn)設(shè)備與方法、性能測(cè)試等方面進(jìn)行了綜述。介紹了全陶瓷球軸承用高性能陶瓷粉體制備與坯體燒結(jié)技術(shù)，分析了全陶瓷球軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，總結(jié)了陶瓷球、陶瓷套圈等關(guān)鍵組件精密制造工藝，評(píng)估了適用于全陶瓷球軸承的試驗(yàn)平臺(tái)，探討了全陶瓷球軸承的工作性能和技術(shù)優(yōu)勢(shì)。通過對(duì)全陶瓷球軸承制造關(guān)鍵技術(shù)及現(xiàn)階段在極端工況下軸承技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行分析，進(jìn)一步明確了其在復(fù)雜環(huán)境下的應(yīng)用前景，并對(duì)全陶瓷球軸承未來重點(diǎn)發(fā)展方向及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了展望。綜上所述，全陶瓷球軸承是適應(yīng)高性能裝備發(fā)展的高科技軸承產(chǎn)品，其高性能制造與應(yīng)用技術(shù)還有待進(jìn)一步研究與開發(fā)。提升全陶瓷球軸承設(shè)計(jì)制造水平和應(yīng)用范圍，可進(jìn)一步提高國(guó)產(chǎn)高端裝備及關(guān)鍵部件的運(yùn)行精度與可靠性。

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（責(zé)任編輯：尹淑英 英文審校：尹淑英）

特邀專家 張珂，現(xiàn)任沈陽工業(yè)大學(xué)校長(zhǎng)，教授，博士生導(dǎo)師。第十三屆全國(guó)人大代表、沈陽市特等勞動(dòng)模范、教育部“全國(guó)高校黃大年式教師團(tuán)隊(duì)”負(fù)責(zé)人、教育部“長(zhǎng)江學(xué)者”特聘教授（聘期２０１３—２０１８）、國(guó)家“萬人計(jì)劃”專家、國(guó)務(wù)院特殊津貼專家、教育部“長(zhǎng)江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃”創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)帶頭人、遼寧省高校攀登學(xué)者。兼任中國(guó)機(jī)械工業(yè)教育協(xié)會(huì)副會(huì)長(zhǎng)。從事精密加工技術(shù)、數(shù)控裝備與技術(shù)、建筑工程裝備智能化等領(lǐng)域的科研與教學(xué)工作。曾獲得國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)１項(xiàng)、國(guó)家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)１項(xiàng)、中國(guó)專利獎(jiǎng)金獎(jiǎng)１項(xiàng)，中國(guó)專利獎(jiǎng)優(yōu)秀獎(jiǎng)２項(xiàng)、遼寧省科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)２項(xiàng)、遼寧省科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)１項(xiàng)、遼寧省專利獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)１項(xiàng)、遼寧省技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)１項(xiàng)。承擔(dān)完成國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家自然科學(xué)基金區(qū)域創(chuàng)新發(fā)展聯(lián)合基金重點(diǎn)支持項(xiàng)目、國(guó)家“十一五”“十二五”科技支撐計(jì)劃、國(guó)家“十三五”重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等科研課題６０余項(xiàng)。發(fā)表高水平論文２２０余篇，出版專著５部，授權(quán)國(guó)家發(fā)明專利１０項(xiàng)，參編國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)２部。多項(xiàng)科研成果被中聯(lián)重科集團(tuán)、江蘇申錫機(jī)械有限公司、中建七局、沈陽機(jī)床集團(tuán)、東方汽輪機(jī)有限公司等推廣應(yīng)用，創(chuàng)造直接經(jīng)濟(jì)效益數(shù)十億元以上。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金區(qū)域創(chuàng)新發(fā)展聯(lián)合基金項(xiàng)目（Ｕ２３Ａ２０６３１）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（５２１０５１９６）。