［編輯簡介］：本文概述了最古老的機械裝置之一－－滾珠的歷史發(fā)展及在當今高科技領(lǐng)域的應(yīng)用情況，涉及飛機、汽車、多種計算機存儲設(shè)備、醫(yī)療和牙科設(shè)備、精密機械等領(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、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。
［關(guān)鍵詞］：滾珠軸承 滾珠 萬向滾珠
滾珠是最古老的機械裝置之一，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、制造技術(shù)和應(yīng)用功能。比如，用于飛機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械安全氣囊傳感器已經(jīng)用于數(shù)以百萬計的交通工具，從來沒有出現(xiàn)打開失敗或錯誤打開的情況。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。
減少飛機的重量
最近燃料價格大幅上升，而很久以前，航空貨運行業(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設(shè)備（ULD），例如行業(yè)標準集裝箱等。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，滾珠的頂部切點位于面板上表面以上0.25英寸的位置。實心的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，這些面板使飛機載運的貨物表面對齊。大型飛機的貨艙內(nèi)有數(shù)萬個滾珠，所以重量很大。相關(guān)方請求滾珠制造商想辦法生產(chǎn)重量更輕，同時仍然能夠承受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半球精確對準，然后結(jié)合在一起，使其能夠承受負載并防止泄露。在滾珠焊接完畢之后，會進行整平對接以消除焊口，進行軟研磨、熱加工和硬研磨達到精度公差。滾珠如果需要中等精度，則會在一個圓筒內(nèi)進行翻轉(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行拋光，然后進行清潔和鈍化處理。熱加工工藝已經(jīng)進行了改良，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，每個滾珠減少了47克或大約0.1磅的重量。與原來的實心滾珠相比，其重量少了69%。舉例來說，一架C-130H 大力神軍用運輸機的貨艙尺寸為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，通過減輕飛機重量節(jié)省的燃料約為0.0036加侖/磅/小時。因此，假設(shè)每年飛行2,000小時，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燃料的價格，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空心管來引導(dǎo)滾珠。通過位于管子開口端的一個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，形成一個預(yù)負荷。當汽車突然減速導(dǎo)致滾珠突然加速沖出管子時，傳感器就會觸發(fā)。滾珠會克服彈簧上的預(yù)負荷并使彈簧移位，直到其接觸位于其路徑上的第二個彈簧。當第一個彈簧接觸第二個彈簧時，會形成一個回路，觸發(fā)氣囊操作。
此應(yīng)用的難點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。因為管子首先選擇了不銹鋼材料，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。因為材料在加工過程中容易變形，所以達到上述公差要求的難度更大。在制作滾珠的過程中，首先在一個線圈上進行冷鐓頭操作。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環(huán)消去。
下一步是進行熱加工，其中包括低溫冷凍和回火。然后對滾珠進行研磨、表面拋光、清潔和鈍化。最后進行鍍金以提高這些關(guān)鍵部件的耐腐蝕能力。機械氣囊傳感器目前已經(jīng)普遍被為微機電設(shè)備所取代，不過，它們曾經(jīng)為數(shù)以千萬計的汽車用戶提供了良好的保護功能，從來沒有出現(xiàn)過一次故障，這一紀錄是無可比擬的。
制作更高公差等級的微型滾珠
在微型滾珠的制造領(lǐng)域也取得了顯著的進步，這些微型滾珠用于多種計算機存儲設(shè)備、醫(yī)療和牙科設(shè)備、航空設(shè)備、精密機械、實驗室儀器，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，一般每小時可以制作100,000件。
接下來將部件放到一個整平器中，位于兩個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，一個輪子旋轉(zhuǎn)，另外一個輪子固定。固定的輪子有一個開口，可以將滾珠送入到槽內(nèi)或從槽中取出來。使用一個特殊的傳輸帶將滾珠送入到一個孔內(nèi)。接下來滾珠會繞著槽移動，然后從另外一個孔出來。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，滾珠運動到一個滾珠研磨機器進行軟研磨。在此操作中清除的原料尺寸一般為0.008英寸到0.010英寸。研磨或拋光機器有一個固定軸或板以及一個旋轉(zhuǎn)軸或板。在軟研磨之后，對滾珠進行清潔和干燥，然后進行滾筒篩選操作。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掉出來。接下來，滾珠進行熱加工，以確保其具有良好的硬度，同時減少殘留奧氏體，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)情況下可以達到百萬分之十。根據(jù)滾珠的尺寸，可以進行篩選操作或再進行一次滾筒篩選。最終進行亮拋光操作，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，接下來還要進行圓筒清潔和鈍化，然后進入離心機干燥，繼而進行最終檢查和測定。
大多數(shù)需要運動的設(shè)備都會使用滾珠。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)計和制造不僅需要創(chuàng)造性的工程設(shè)計，而且需要非常精細的工作態(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。