一種精密軸承用滾珠微弧離子鍍碳基薄膜的裝置及方法
【專利說明】一種精密軸承用滾珠微弧離子鍍碳基薄膜的裝置及方法
[0001]
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明涉及精密軸承技術(shù)領(lǐng)域，具體地說是一種精密軸承用滾珠微弧離子鍍碳基薄膜的裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0003]精密軸承按照ISO的分級標(biāo)準(zhǔn)分為:等級依次增高的PO，P6，P5，P4和P2，其中PO為普通精度，其它等級都是精密級別。對于高精密的軸承，例如機器人用諧波減速器中的軸承，在使用性能上要求旋轉(zhuǎn)體(滾珠)具有高振動精度、高速旋轉(zhuǎn)及摩擦系數(shù)小的要求，因此提高精密軸承中旋轉(zhuǎn)體的耐磨性對于保證其使用性能以及延長使用壽命是十分重要的。在滾珠上應(yīng)用現(xiàn)代表面改性技術(shù)制備一層低摩擦系數(shù)的自潤滑膜，能在高精密儀器上使用，突破了傳統(tǒng)的油潤滑減摩延壽的軸承的工作范圍。在航空航天、機器人、機械手等領(lǐng)域所需無油和貧油等極端情況下，可以保證機器平穩(wěn)高效的運作。
[0004]目前，利用物理氣相沉積技術(shù)在滾珠上制備自潤滑膜是主要方法之一，基于現(xiàn)有的微弧離子鍍環(huán)境，急需一種操作方便成本低廉且能在球形滾珠上制備厚度、顏色均勻、成分控制精確、可批量化鍍膜的鍍膜裝置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種精密軸承用滾珠微弧離子鍍碳基薄膜的裝置及方法，用于在精密軸承滾珠上鍍膜提高滾珠的耐磨性能。
[0006]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案是:一種精密軸承用滾珠微弧離子鍍碳基薄膜裝置，包括底座、拉簧、轉(zhuǎn)軸、滾輪軸、滾輪和托盤，在所述底座上設(shè)有豎向放置的轉(zhuǎn)軸，在所述轉(zhuǎn)軸的上方設(shè)有放置軸承鋼球的托盤，在所述托盤與轉(zhuǎn)軸之間設(shè)有支撐鋼球，在所述托盤與底座之間設(shè)有四根拉簧，在所述轉(zhuǎn)軸的上部設(shè)有滾輪軸，在所述滾輪軸的自由端設(shè)有滾輪，所述滾輪外壁與托盤的底部接觸并使得托盤傾斜設(shè)置，其特征是，在所述托盤頂部凹槽內(nèi)均勻設(shè)置有若干固定柱，且所述托盤頂部凹槽為研磨鏡面。
[0007]所述固定柱的直徑為2mm，高度為5mm。
[0008]所述托盤頂部的表面粗糙度不大于0.01。
[0009]—種利用上述的精密軸承用滾珠微弧離子鍍碳基薄膜裝置進行精密軸承用滾珠微弧離子鍍碳基薄膜的方法，包括以下步驟，
(1)滾珠預(yù)處理
①先后使用酒精和丙酮對滾珠表面進行清洗，且清洗時間均為1min;
②對經(jīng)過步驟①處理后的滾珠進行干燥處理，得到干燥、無油、無蠟的干凈滾珠；
(2)滾珠鍍膜前期準(zhǔn)備
①將干凈的滾珠放入滾珠托盤中，將權(quán)利要求1至3中任一所述的精密軸承用滾珠微弧離子鍍碳基薄膜裝置放入磁控濺射離子鍍真空腔中，并保證滾珠托盤平面與靶材中心位置垂直、滾珠能在滾珠托盤中正常運動；
②關(guān)閉真空腔腔門，對真空腔進行抽真空處理，直至真空腔氣壓達到6.0X10-2?6.0X10-3Pa ；
(3)濺射清洗
①向真空腔中通入氬氣8?80sccm，保持此時的工作氣壓為0.1?0.8Pa ；
②在純鉻靶上施加0.02?0.5A的電流，在滾珠上施加300?500V的負偏壓，脈沖寬度0.2?5 μ s，脈沖頻率50?300ΚΗζ ;對滾珠進行濺射清洗，濺射清洗時間為4?50min ;
(4)沉積純鉻打底層
①保持真空腔中Ar流量，并保持真空腔中的工作氣壓為0.1?0.9Pa ;
②將純鉻靶上電流調(diào)節(jié)至0.2?10A，同時將滾珠上的負偏壓調(diào)節(jié)至O?150V，脈沖寬度為0.2?5 μ s、脈沖頻率為50?300ΚΗζ，進行沉積純鉻打底層，且時間為I?20min ；
(5)沉積過渡層
①保持真空腔中Ar流量，并保持真空腔中的工作氣壓為0.1?0.9Pa ;
②將純鉻靶上電流緩慢調(diào)節(jié)至0.02?2A，同時將石墨靶電流調(diào)節(jié)至0.8?5A，將施加在滾珠上的負偏壓調(diào)節(jié)至O?150V，脈沖寬度為0.2?5 μ s、脈沖頻率為50?300ΚΗζ，進行沉積過渡層處理，且時間為5?60min ;
(6)沉積碳基工作層
①保持真空腔中的Ar流量，并保持真空腔中的工作氣壓為0.1?0.9Pa ;
②保持純鉻靶和石墨靶上的電流分別與步驟(5)中的電流值相等，將施加在滾珠上的負偏壓調(diào)節(jié)至O?120V，脈沖寬度為0.2?5 μ s、脈沖頻率為50?300ΚΗζ，進行沉積碳基工作層，且時間為60?280min。本發(fā)明的有益效果是:利用本發(fā)明提供的一種精密軸承用滾珠微弧離子鍍碳基薄膜的裝置及方法制造的精密軸承，與目前市場上的精密軸承用滾珠相比，采用本發(fā)明中鍍膜裝置處理后的滾珠，可以在無油和貧油的高精密儀器中使用，使得使用此滾珠的精密軸承轉(zhuǎn)動速率增加的同時振動幅度減小，溫升速率減小，同時延長的使用壽命。說明與未鍍膜的滾珠相比，此類軸承具備更低的摩擦系數(shù)，高承載能力，能滿足航天航空、機械手、機器人用諧波減速器領(lǐng)域?qū)茌S承的要求。
【附圖說明】
[0010]圖1為精密軸承用滾珠微弧離子鍍碳基薄膜的裝置的剖視圖；
圖2為圖1的俯視圖；
圖中底座，2掛鉤，3拉簧，4滾輪，5螺母，6滾輪軸，7托盤，8固定柱，9支撐鋼球，10導(dǎo)軌，11螺釘，12轉(zhuǎn)軸。
【具體實施方式】
[0011]如圖1、圖2所示，精密軸承用滾珠微弧離子鍍碳基薄膜的裝置主要包括底座1、掛鉤2、拉簧3、滾輪4、螺母5、滾輪軸6、托盤7、固定柱8、支撐鋼球9、導(dǎo)軌10、螺釘11和轉(zhuǎn)軸12，下面結(jié)合附圖對該裝置進行詳細描述。
[0012]如圖1所示，底座I為該裝置的基體，在底座的中心設(shè)定有一轉(zhuǎn)軸12，轉(zhuǎn)軸豎向放置，在轉(zhuǎn)軸與底座之間設(shè)有軸承，通過軸承的設(shè)置實現(xiàn)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動。在底座的底部通過螺釘11固定有導(dǎo)軌10，該裝置通過導(dǎo)軌安裝在微弧離子鍍真空腔中。在轉(zhuǎn)軸的上方設(shè)有托盤7，在托盤與轉(zhuǎn)軸頂部之間設(shè)有一支撐鋼球9，支撐鋼球的設(shè)置可以使得托盤饒支撐鋼球轉(zhuǎn)動，且托盤能夠傾斜。在托盤的底部與底座之間設(shè)有四個拉簧3，為方便拉簧的安裝，在底座的頂部和托盤的底部均設(shè)有掛鉤2，將拉簧掛在掛鉤上。在轉(zhuǎn)軸的上部固定有滾輪軸6，滾輪軸的軸線與轉(zhuǎn)軸軸線垂直，在在滾輪軸的自由端轉(zhuǎn)動安裝有滾輪4，滾輪外壁與托盤底部接觸配合。滾輪的設(shè)置，使得托盤處于傾斜狀態(tài)。為防止?jié)L輪沿滾輪軸軸向的移動，在滾輪軸上設(shè)有螺母5。
[0013]如圖2所示，在托盤的頂部設(shè)有若干均勻布置的固定柱8，若干固定柱位于多個圓周上，且每個圓周上的固定柱沿周向均勻設(shè)置。固定柱為直徑為2mm、高度為5mm的圓柱形結(jié)構(gòu)。這樣滾珠在滾動過程中，限于小圓柱的阻礙，滾珠與滾珠之間的碰撞相對減少，不在出現(xiàn)十幾只鋼珠連在一起的情況，此時滾珠與腔體中鍍料粒子的接觸面積增加，薄膜厚度分布更加均勻，沉積速率加快。靶材與滾珠跑道距離足夠大，且滾珠跑道內(nèi)徑較小，此時軸承鋼珠和靶面之間的距離增加，受到靶面的吸引力減小，亦不會出現(xiàn)十幾只鋼珠連在一起的現(xiàn)象，且滾珠跑道內(nèi)徑縮小，鋼珠整體靜止時，靶材與滾珠之間的整體距離誤差減小，保證鋼珠在執(zhí)行工藝時能保持隨機運動的同時獲得厚度均勻性較好的類石墨薄膜。托盤頂部的表面，即滾珠跑道為研磨鏡面，表面粗糙度Ra不大于0.01。滾珠在執(zhí)行工藝過程中在跑道中隨機滾動，跑道越光滑，粗糙度越小，跑道對滾珠表面形光潔度影響就越小，滾珠表面就越平整，且均勻性越好。
[0014]下面對精密軸承用滾珠微弧離子鍍碳基薄膜的方法步驟進行描述。
[0015]實施例1:
1、滾珠預(yù)處理
(1)對滾珠表面進行清洗，采用酒精超聲波清洗的方式清洗1min；
(2)取出經(jīng)過步驟(I)處理后的滾珠，將滾珠烘干后放入盛有丙酮的燒杯中，采用丙酮超聲波清洗的方式清洗1min ；
(3)取出經(jīng)步驟(2)處理后的滾珠，用熱空氣將滾珠吹干，得到干燥、無油、無蠟的干凈滾珠；
2、滾珠鍍膜前期準(zhǔn)備
(1)將干凈的滾珠放入滾珠托盤中，將精密軸承用滾珠微弧離子鍍碳基薄膜裝置放入裝有純鉻和純石墨靶材的真空腔中，并保證托盤平面與靶材中心位置垂直；旋轉(zhuǎn)基座試運行，看滾珠是否在托盤中正常運動；其中，靶材與托盤的距離為60mm，工作時，中心軸轉(zhuǎn)速為3r/min，工作盤上下振動幅度為20mm ；
(2)關(guān)閉真空腔腔門，對真空腔進行抽真空處理，直至真空腔氣壓達到6.0X 10 2Pa?6.0X10 3Pa ；
3、濺射清洗
Cl)向真空腔中通入氬氣，保持此時的工作氣壓為0.1Pa ;
(2)在純鉻靶上施加0.2A的電流，同時在滾珠上施加400V的負偏壓，脈沖寬度0.5 μ s’脈沖頻率50KHz ;對滾珠進行濺射清洗，濺射清洗時間為30min ;
4、沉積純鉻打底層 (1)保持真空腔中Ar流量，并保持真空腔中的工作氣壓為0.1Pa ;
(2)將純鉻靶上電流調(diào)節(jié)至2.5A，同時將滾珠上的負偏壓調(diào)節(jié)至150V，脈沖寬度為0.5 μ s、脈沖頻率為50ΚΗζ，進行沉積純鉻打底層，且時間為1min ;
5、沉積過渡層
(1)保持真空腔中Ar流量，并保持真空腔中的工作氣壓為0.1 Pa ;
(2)將純鉻靶上電流緩慢調(diào)節(jié)至0.2Α，同時將石墨靶電流調(diào)節(jié)至1.5Α，將施加在滾珠上的負偏壓調(diào)節(jié)至120V，脈沖寬度為1.4 μ s、脈沖頻率為250ΚΗζ，進行沉積過渡層處理，且時間為20min ；
6、沉積碳基工作層
(1)保持真空腔中的Ar流量，并保持真空腔中的工作氣壓為0.1Pa ;
(2)保持純鉻靶上電流為0.2A、石墨靶電流為1.5A，將施加在滾珠上的負偏壓調(diào)節(jié)至60V，脈沖寬度為1.4 μ s、脈沖頻率為250ΚΗζ，進行沉積純鉻打底層，且時間為200min。
[0016]采用POD針盤式摩擦磨損試驗機對經(jīng)過上述六個步驟處理后的滾珠進行摩擦磨損實驗，檢測滾珠的摩