【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及轴承制造领域，具体的说是一种具有功能结构的自润滑保持架及其制备方法、轴承。
技术介绍
1、固体润滑轴承以其自润滑、长寿命、无污染、抗辐照等优点，主要应用于低速或间歇式运转的空间机构领域。目前航空航天领域固体润滑轴承多采用聚四氟乙烯为基材的保持架，通过轴承运转，将具有润滑特性的保持架材料转移至钢球、滚道形成固体润滑膜，实现减摩特性，保证轴承的服役寿命。
2、随着空间技术的发展，对固体润滑轴承的高速性能提出了更高要求。随着轴承转速提升，高速效应会加大钢球对保持架的冲击和碰撞，当保持架受力超过聚四氟乙烯基材料屈服强度时，保持架会发生断裂。部分轴承在保持架两端安装两片金属加强环，通过铆钉将保持架与加强环铆接在一起，提高保持架整体强度，但铆接过程复杂，对人工的要求较高，且成品合格率较低。此外非金属保持架的导热性较差，对于无冷却系统的高速轴承，其发热量增加会导致轴承温度升高，严重时影响轴承运转性能和可靠性，同时高速效应会加剧保持架兜孔摩擦磨损，易造成磨屑堆积，造成轴承卡滞、卡死现象，严重时引发主轴停机甚至造成事故。
3、基于此，有必要设计一种新的自润滑保持架及其制备方法，在提高保持架强度的同时，能够有效改善其导热性能和耐磨特性。
技术实现思路
1、为了解决现有技术中的不足，本专利技术提供一种具有功能结构的自润滑保持架及其制备方法、轴承，通过本专利技术的方法制备的保持架不仅具有较高的强度，而且具有良好的导热性能和耐磨特性。
2、为了实现上述目的，
3、一方面，本专利技术公开了一种具有功能结构的自润滑保持架，所述自润滑保持架自外表面至内表面沿径向依次包括外功能区、铜环、内功能区，所述外功能区和内功能区的原料包括聚四氟乙烯和铜粉；在保持架的任一径向截面上，外功能区和内功能区满足以下两种情况中的任意一个：
4、(1)、外功能区和内功能区均只包含一层，且外功能区和内功能区原料的组分相同；
5、(2)、外功能区和内功能区均包含在径向上相结合的n层功能层，n≥2，外功能区和内功能区原料的组分以铜环为中心层呈对称分布，且铜粉的含量从中心层到表面逐渐减少，而聚四氟乙烯的含量从中心层到表面逐渐升高。
6、进一步地，按重量百分比计，所述外功能区和内功能区的原料包括聚四氟乙烯50～80％、铜粉10～50％、聚酰亚胺纤维0～10％，聚酰亚胺纤维的长度为0.1～3mm。
7、另一方面，本专利技术公开了一种具有功能结构的自润滑保持架的制备方法，主要包括如下步骤：
8、步骤s1、加工铜环
9、利用铜棒加工铜环，并在铜环侧壁上等距加工若干预兜孔；
10、步骤s2、配制混合料
11、按重量百分比分别取聚四氟乙烯50～80％、铜粉10～50％、聚酰亚胺纤维0～10％，将聚四氟乙烯在低于5℃的低温环境中放置12h，然后与其它原料一同放入高速混合机内搅拌，控制高速混合机的水冷流速使得高速混合机中的温度在10℃以下，混合均匀得到混合料；
12、若外功能层和内功能区均只包含一层，则只配制一种混合料即可；若外功能区和内功能区均包含在径向上相结合的n层功能层，则配制n种混合料；
13、步骤s3、制备成品保持架
14、将铜环置于圆桶状的模具中，确保铜环处于模腔的中部，将步骤s2配制的混合料填入模腔中；将模具置于放电等离子烧结炉中，在30℃的温度下，在3～10mpa的压力下保压3～5min，之后以60～150℃/min的升温速率快速升温至250～280℃，烧结压力为15～50mpa，保温时间为2～7min，再以相同的升温速率下升温至330～360℃，烧结压力为3～10mpa，保温时间为3～8min，最后水冷在3～5min降至100℃以下，制得坯体；将坯体在150～200℃条件下退火2～4h，随后使用工业ct对坯体进行扫描，确定铜环和预兜孔的位置，采用高速精密车床将坯体加工至目标尺寸，并加工出兜孔，得到加工体；
15、若外功能层和内功能区均只包含一层，则完成制备，得到成品保持架；若外功能区和内功能区均包含在径向上相结合的n层功能层，则将前一步骤得到的加工体重新放回模具中，向模具内填入不同的混合料，重复步骤s3(n-1)次，即得成品保持架。
16、进一步地，步骤s1中，步骤s1中，铜环的高度＝成品保持架高度-(1～3)mm，预兜孔直径＝成品保持架兜孔直径+(1～2)mm，铜环壁厚＝成品保持架壁厚/(1.5～2)；铜环中径尺寸与轴承引导方式有关，其中，当轴承的引导方式为外引导时，铜环中径＝成品保持架中径+(0.5～1.0)mm；当轴承的引导方式为内引导时，铜环中径＝成品保持架中径-(0.5～1.0)mm。
17、进一步地，步骤s3中，若外功能区和内功能区均包含在径向上相结合的n层功能层，当加工第m层时，1＜m≤n，兜孔的直径＝预兜孔直径-((1～2)/n)*m，使得兜孔周围的区域在轴向上也具有n圈功能层。
18、进一步地，步骤s3中，模具采用炭微球基细颗粒等静压石墨制备，石墨的抗折强度70～100mpa，热导率70～100w/m·k，密度1.75～1.90g/cm3。
19、进一步地，模具高度＝3×铜环高度，模具内径＝铜环外径+(5～8)mm，模具外径＝(1.5～2)×模具内径。
20、进一步地，铜环的内外表面的粗糙度不小于45μm。
21、再一方面，本专利技术公开了一种轴承，包括保持架，所述保持架为上述的具有功能结构的自润滑保持架。
22、有益效果：
23、(1)、本专利技术设计的自润滑保持架，可实现强度、导热、耐磨、润滑多参数兼容，采用铜环作为保持架的支撑层，有效增强了保持架的强度，提高保持架的导热性能，降低高转速条件下，保持架断裂、发热不耐磨的风险。
24、(2)、本专利技术采用放电等离子烧结，与传统的聚四氟乙烯冷压、烧结相比，烧结时间由传统的4～6小时，有效缩短至20min以内，避免了传统烧结过程导致铜环在高温下产生变形等问题，同时结合退火处理，进一步释放内应力，保证成品保持架的加工精度。
25、(3)、本专利技术通过设计配方以及控制加工工艺，有效解决聚四氟乙烯与金属材料粘结性差的难题，避免加工过程出现分层等情况。此外，本专利技术通过预制兜孔，实现兜孔结构功能化，同时将钢球与兜孔的受力点控制在铜环处，解决了保持架在高速运转过程中不耐磨的问题。
26、(4)、本专利技术采用炭微球基细颗粒等静压石墨作为石墨模具，该石墨模具力学强度高、导热性好，烧结生产的大尺寸保持架材质均匀，未出现芯部烧不透的情况，且使用寿命较长。
27、(5)、本专利技术采用高强高模的聚酰亚胺短纤维改性聚四氟乙烯，有效提升了聚四氟乙烯的耐磨性，同时与常用的玻璃纤维不同，由于聚酰亚胺具有一定的自润滑特性，轴承高速运转下，磨屑也可作为润滑剂起作用，不会出现磨蚀滚道的情况。
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1.一种具有功能结构的自润滑保持架，其特征在于，所述自润滑保持架自外表面至内表面沿径向依次包括外功能区、铜环、内功能区，所述外功能区和内功能区的原料包括聚四氟乙烯和铜粉；在保持架的任一径向截面上，外功能区和内功能区满足以下两种情况中的任意一个：
2.根据权利要求1所述的一种具有功能结构的自润滑保持架，其特征在于，按重量百分比计，所述外功能区和内功能区的原料包括聚四氟乙烯50~80%、铜粉10~50%、聚酰亚胺纤维0~10%，聚酰亚胺纤维的长度为0.1~3mm。
3.一种具有功能结构的自润滑保持架的制备方法，其特征在于，主要包括如下步骤：
4.根据权利要求3所述的一种具有功能结构的自润滑保持架的制备方法，其特征在于，步骤S1中，铜环的高度=成品保持架高度-（1~3）mm，预兜孔直径=成品保持架兜孔直径+（1~2）mm，铜环壁厚=成品保持架壁厚/（1.5~2）；铜环中径尺寸与轴承引导方式有关，其中，当轴承的引导方式为外引导时，铜环中径=成品保持架中径+（0.5~1.0）mm；当轴承的引导方式为内引导时，铜环中径=成品保持架中径-（0.5~1.0）m
5.根据权利要求4所述的一种具有功能结构的自润滑保持架的制备方法，其特征在于：步骤S3中，步骤S3中，若外功能区和内功能区均包含在径向上相结合的n层功能层，当加工第M层时，1＜M≤n，兜孔的直径=预兜孔直径-（（1~2）/n）*M，使得兜孔周围的区域在轴向上也具有n圈功能层。
6.根据权利要求3所述的一种具有功能结构的自润滑保持架的制备方法，其特征在于，步骤S3中，模具采用炭微球基细颗粒等静压石墨制备，石墨的抗折强度70~100MPa，热导率70~100W/m·K，密度1.75~1.90g/cm3。
7.根据权利要求3所述的一种具有功能结构的自润滑保持架的制备方法，其特征在于，模具高度=3×铜环高度，模具内径=铜环外径+（5~8）mm，模具外径=（1.5~2）×模具内径。
8.根据权利要求3所述的一种具有功能结构的自润滑保持架的制备方法，其特征在于，铜环的内外表面的粗糙度不小于45μm。
9.轴承，包括保持架，其特征在于，所述保持架为权利要求1-2任一项所述的具有功能结构的自润滑保持架。
...【技术特征摘要】
1.一种具有功能结构的自润滑保持架，其特征在于，所述自润滑保持架自外表面至内表面沿径向依次包括外功能区、铜环、内功能区，所述外功能区和内功能区的原料包括聚四氟乙烯和铜粉；在保持架的任一径向截面上，外功能区和内功能区满足以下两种情况中的任意一个：
2.根据权利要求1所述的一种具有功能结构的自润滑保持架，其特征在于，按重量百分比计，所述外功能区和内功能区的原料包括聚四氟乙烯50~80%、铜粉10~50%、聚酰亚胺纤维0~10%，聚酰亚胺纤维的长度为0.1~3mm。
3.一种具有功能结构的自润滑保持架的制备方法，其特征在于，主要包括如下步骤：
4.根据权利要求3所述的一种具有功能结构的自润滑保持架的制备方法，其特征在于，步骤s1中，铜环的高度=成品保持架高度-（1~3）mm，预兜孔直径=成品保持架兜孔直径+（1~2）mm，铜环壁厚=成品保持架壁厚/（1.5~2）；铜环中径尺寸与轴承引导方式有关，其中，当轴承的引导方式为外引导时，铜环中径=成品保持架中径+（0.5~1.0）mm；当轴承的引导方式为内引导时，铜环中径=成品保持架中径-（0....
【专利技术属性】
技术研发人员：李媛媛，孙小波，楚婷婷，李凌鑫，席博伦，姚春伟，张崴，马江周，田本州，孙合西，
申请(专利权)人：洛阳轴承研究所有限公司，
类型：发明
国别省市：
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