張永乾，吳朝陽

(1.中國軸承工業(yè)協(xié)會技術委員會 滾動體專業(yè)委員會，河南 洛陽 471039;2.常州光洋軸承有限公司，江蘇 常州 213002)

1 概述

鋼球是球體形狀的零件，其整個表面既是工作面，又是加工中的基準面和支承面。鋼球的加工具有獨特的專業(yè)化特征，對原材料的質量、工藝水平和加工設備的要求都非常高。

在原材料和工藝技術保持相對穩(wěn)定和適用的情況下，鋼球加工設備直接影響鋼球的精度。不同的工藝方法要求不同的加工設備，先進的工藝必須通過先進的鋼球加工設備來實現(xiàn)。隨著鋼球加工設備的不斷改進和技術創(chuàng)新，推動了鋼球加工工藝水平及加工精度的提高，所以鋼球加工設備是鋼球加工的關鍵和基礎。

國內鋼球加工設備經過50余年的發(fā)展，已經成為由專業(yè)化生產企業(yè)制造、滿足所有加工工藝需求和工藝過程、品種齊全的一大類專業(yè)設備系列。鋼球加工設備按工藝過程可分為8大類。

(1)球坯成形設備：冷鐓機，熱軋機及沖壓機；

(2)鋼球光磨設備：立式光球機，臥式光球機；

(3)鋼球熱處理設備：回轉熱處理爐，可控氣氛熱處理線；

(4)鋼球表面強化設備：表面強化機；

(5)鋼球硬磨設備：立式磨球機，臥式磨球機；

(6)鋼球研磨機：立式研磨機，臥式研磨機；

(7)清洗包裝設備：超聲波清洗機，螺旋清洗機，高壓噴射清洗機及涂油包裝線；

(8)鋼球系列檢測儀器：渦流探傷儀，外觀檢查儀及分選儀等。

專業(yè)生產鋼球加工設備的企業(yè)主要有河南新機股份有限公司(新鄉(xiāng)日升公司前身)和安慶機床有限公司等。制造生產Z32系列鋼球自動冷鐓機、Z32G系列高速鋼球自動冷鐓機；3M7466，3ML4980，3M4980，3M7980鋼球光球機，3M7990，3M7995臥式大球光球機；3M7166，3ML4680，3M4680，3M7680，3M7690鋼球磨球機；3M7266，3ML4780，3M7780，3M7790鋼球研球機，3M77系列L型低重心結構臥式鋼球樹脂砂輪磨研機；還有鋼球渦流探傷機、鋼球超聲波清洗機、熱處理爐、熱軋鋼球球坯專用生產線以及鋼球研磨板、研磨液、專用砂輪和金剛石修整器等。

2 鋼球基本加工工藝與加工設備進展

1950—1960年我國主要模仿前蘇聯(lián)的鋼球加工工藝和加工設備；1970年完成以光磨工藝替代銼削與軟磨工藝的攻關，并同期研制出3M4630臥式鋼球磨球機和3M4930臥式鋼球光球機；1980年完成大循環(huán)水劑精研工藝攻關，研發(fā)出3M4730立式鋼球精研機和3ML4780立式鋼球研球機，使我國鋼球制造水平和質量得到大幅度提高，滿足了低噪聲軸承的裝配需要，但與國外鋼球質量仍有較大差距；1990年鋼球行業(yè)瞄準國際鋼球先進水平，從鋼球加工工藝的各個方面進行仔細研究，推廣鋼球樹脂砂輪磨研(以磨代研)新工藝。河南新機股份有限公司研制出的3M77系列適合樹脂砂輪磨研工藝的研磨機使鋼球批量質量穩(wěn)定性得到大幅度提高，表面質量明顯改善，鋼球單粒振動進一步降低，和軸承合套率明顯提高，特別是在消除軸承異常聲方面效果顯著。真正實現(xiàn)了G5鋼球穩(wěn)定、批量的定制生產，使鋼球幾何精度達到國際先進水平。

隨著鋼球加工設備的發(fā)展，目前國內鋼球的基本加工工藝過程為：原材料檢查 → 冷鐓(熱鐓、熱軋、切料、沖壓) → 光磨 → (軟磨)→熱處理 → 硬磨 → (表面強化) → 初研 (細磨)→ 精研 (精磨)→(渦流探傷、外觀檢查)→ 超精研(超精磨)→ (光學外觀)→ 清洗防銹 → 成品檢查 → 成品包裝。在每道工序之間根據(jù)需要進行清洗防銹、干燥烘干、挑揀工序缺陷球和質量控制檢查，工藝質量控制指標更加嚴格(如目前硬磨的球形誤差控制基本達到了原初研的控制指標)，工藝工裝和工藝細節(jié)的控制更加完善，對汽車軸承等專用鋼球進行100%渦流探傷和光電外觀?？梢苑€(wěn)定批量生產G5，G10鋼球，滿足不同軸承的裝配要求。

3 鋼球加工設備水平

從1949年瓦軸制造出第一臺鋼球磨球機，生產出中國首批鋼球開始，鋼球加工設備和加工工藝不斷進步和創(chuàng)新。隨著1952年從前蘇聯(lián)引進自動冷鐓機，國內開始設計開發(fā)制造鋼球自動鐓球機、銼球機、磨球機和研磨機。1980年國內先后從德國、日本和美國等引進鋼球高速冷鐓機、精研設備、熱處理設備、清洗設備、渦流探傷設備和鋼球加工生產線，推動了鋼球設備的創(chuàng)新開發(fā)步伐和技術進步，促進了鋼球加工工藝水平的不斷完善和鋼球質量的穩(wěn)定提高。目前國內所有工序的鋼球加工設備全部實現(xiàn)國產化，光、磨、研設備的制造精度和綜合性能達到國際同類產品的先進水平?？杉庸や撉蛑睆?.5～200 mm，裝球量200～1 000 kg，設備主軸運轉徑跳和端跳達到0.008 mm，采用了自動加壓保壓系統(tǒng)、交流變頻調速系統(tǒng)和滾動直線導軌等先進技術，保證設備的工作性能和穩(wěn)定性。用國產設備制造的鋼球尺寸精度、振動及穩(wěn)定性與日本AKS公司的鋼球質量水平相當，已能為世界著名軸承公司SKF，INA，KOYO，NTN和TIMKEN等配套高精度鋼球。

河南新機股份有限公司生產鋼球光、磨、研全系列加工設備，球板直徑400～950 mm，達9種之多，品種近40個，成為國內最大、系列最全的鋼球加工工藝設備制造企業(yè)，產品出口美國、德國、日本、韓國、印度、臺灣等國家和地區(qū)。近年開發(fā)制造的設備主要有：3M7466立式鋼球光球機、3M7980A臥式鋼球光球機、3M7995臥式大球光球機；3M7166立式鋼球磨球機、3M4680C臥式鋼球磨球機；3ML4780C立式鋼球研球機、3M7266立式鋼球研球機、3ML4775立式鋼球研球機、3M7780A/XX臥式鋼球研球機、3M7790A，3M7795/XX和3M7790/XX臥式大球研球機。尤其是臥式L型低重心3M77系列采用樹脂砂輪以磨代研鋼球研磨機，一直以來以精度高、質量穩(wěn)定而在鋼球行業(yè)享有盛譽，隨著該工藝技術的廣泛推廣與應用，實現(xiàn)了G5低噪聲鋼球的大批量穩(wěn)定生產。近幾年在此基礎上又對加工大球的臥式90，95系列的光、磨、研設備進行了強勢開發(fā)，無齒輪傳動、恒壓加工、變頻調速、整體橋板、大裝球量及降噪等新技術、新結構用于該類設備的研制，在鋼球行業(yè)成功推廣并得到認可。與此同時，率先在立、臥式鋼球設備上采用交流變頻技術，使得加工過程中主軸轉速及對應的工作壓力實現(xiàn)平滑轉化，提高了鋼球加工質量。

安慶機床有限公司生產的光、磨、研鋼球加工設備中3M49，3M79系列鋼球光球機體現(xiàn)出獨特的設計和制造技術，具有良好的加工效率和可靠性。2008年成功開發(fā)了3M77系列鋼球研磨機，使用了光柵定位及自車盤裝置，保證了設備的定位精度和精度保持性。

上海崇明機床廠制造磨、研加工系列設備，尤其是在3M77系列鋼球研磨機制造方面有獨到的工藝技術，制造的3M7790大球加工設備的剛性和效率都比較高，并與德國SMS公司共同研發(fā)鋼球精研機，向德國出口。齊齊哈爾機床廠及濟南順達機械有限公司等制造冷鐓設備。上海征佳公司專業(yè)制造研磨設備。

日本在我國的獨資公司已采用我國生產的鋼球加工設備，但是應該看到，在高速冷鐓機的開發(fā)制造和可靠性以及相關設備的技術水平等方面與國外仍有較大差距，還需要不斷技術創(chuàng)新，以滿足鋼球行業(yè)的需要。

4 鋼球加工設備

4.1 冷鐓、熱軋球設備

冷鐓、熱鐓、熱軋球設備可實現(xiàn)球坯快速高效成形，已經形成了Z32系列。

4.2 光球設備

光球設備對冷鐓、熱鐓、熱軋球坯進行高效加工，保證鋼球具有一定的留量、尺寸精度和表面質量，形成了3M49和3M79系列，機床結構有立式和臥式2種。

3ML4980立式鋼球光球機采用大循環(huán)加工，主傳動機械變速，下盤轉動，上盤移動，工作壓力由液壓加壓，彈簧保壓，環(huán)形輸球料盤采用變頻無級調速，有“斷流”保護裝置，故障自動報警系統(tǒng)。球板直徑800 mm，裝球量400 kg，符合后續(xù)加工節(jié)拍，光球精度可達到球形誤差20 μm，批直徑變動量40 μm，表面粗糙度Ra為6.3 μm。

80，90，95系列臥式鋼球光球機采用臥式布局，傾斜料盤大循環(huán)加工，變頻無級調速，液壓驅動加壓，蓄能器保壓，主軸轉速由雙速電動機控制，有“斷流”保護裝置。球板直徑800～950 mm，裝球量350～1 000 kg，符合后續(xù)加工節(jié)拍，光球精度可達到球形誤差20 μm，批直徑變動量40 μm，表面粗糙度Ra為6.3 μm。

4.3 硬磨設備

硬磨設備對熱處理后的球坯進行高效加工，保證鋼球具有一定的留量、尺寸精度和表面質量，形成了3M4680和3M76系列，機床結構有立式和臥式2種。

3ML4680立式鋼球磨球機采用大循環(huán)加工，主傳動機械變速，下盤轉動，工作壓力由液壓加壓，彈簧保壓，環(huán)形輸球料盤采用變頻無級調速，砂輪自動修整，故障自動報警系統(tǒng)。球板直徑800 mm，裝球量350 kg，符合后續(xù)加工節(jié)拍，磨球精度可達到球形誤差3 μm，批直徑變動量6 μm，表面粗糙度Ra為0.4 μm。

3M4680C臥式鋼球磨球機采用臥式布局；主軸采用變頻調速；傾斜料盤或平料盤大循環(huán)加工，變頻無級調速；液壓驅動偏心加壓，常開式液壓站連續(xù)供油保壓；主軸設有悶車保護；砂輪自動修整，故障自動報警系統(tǒng)。球板直徑800 mm，裝球量400 kg，符合后續(xù)加工節(jié)拍，球形誤差可達到3 μm，批直徑變動量6 μm，表面粗糙度Ra為0.4 μm。

4.4 表面強化設備

表面強化是把鋼球裝入直徑為1 m左右、帶有提升斗的臥式滾筒機中，提升斗將熱處理后的鋼球提升至筒內最高處落下，利用鋼球落下的動能使鋼球相互碰撞，在表面產生彈塑性形變，形成冷作硬化層和壓應力。由此可使表面強化層硬度提高1～3 HRC，鋼球耐磨性提高1.5～2倍。

4.5 研磨設備

研磨設備對硬磨后的鋼球進行最終工序加工，保證成品鋼球的形狀尺寸精度和表面質量，是發(fā)展較快的機床，也是近年鋼球行業(yè)開發(fā)的重點，形成了3M7266，3ML4780，3M7770和3M7780系列，機床結構有立式和臥式2種。

立式鋼球研磨機3ML4780C采用大循環(huán)加工，主傳動變頻無級調速，下盤轉動，工作壓力由液壓偏心加壓，彈簧保壓，環(huán)形輸球料盤采用變頻無級調速，采用水劑研磨，故障自動報警系統(tǒng)。球板直徑800 mm，裝球量250 kg，符合加工節(jié)拍，研磨球精度等級可達到G5～G10。

臥式鋼球研球機3M7780A采用臥式布局，L型低重心床身；加壓與滑動機構相分離，滾動直線導軌定位；平料盤大循環(huán)加工，主軸和料盤變頻無級調速；由變量泵控制的常開式液壓站連續(xù)供油保壓；主軸設有悶車保護，電氣PC控制，故障自動報警系統(tǒng)。球板直徑800 mm，裝球量250～400 kg，符合后續(xù)加工節(jié)拍，研磨球精度等級可達到G5～G10。

樹脂砂輪磨研工藝是1990年發(fā)展的鋼球加工新工藝，保證鋼球表面質量均勻性和降低鋼球振動值，實現(xiàn)鋼球加工定時、定尺寸、定精度的定制制造工藝規(guī)范。為適應鋼球樹脂砂輪磨研加工工藝，開發(fā)了3M7766，3M7770和3M7780A等系列臥式機床。機床采用敞開式、高-低結合、低重心L型整體結構；主軸結構獨具特色，轉動盤的端面跳動與徑向跳動在0.01 mm以內，甚至可以達到0.005 mm；加壓與滑動機構相分離，固定板架完全固定，主軸頭架移動采用重預緊零間隙的滾動直線導軌；后部由與之相聯(lián)的油缸驅動加壓，克服了由于油缸定位造成兩盤平行度在加壓和不同位置時的變化，保證機床重復定位精度；獨特的轉動研磨板與固定研磨板調心機構；主軸與料盤傳動系統(tǒng)采用變頻無級調速，也為使用鑄鐵板研磨或者樹脂砂輪研磨有不同工藝轉速的選擇；機床的進球口部位、主傳動皮帶輪處以及料盤旋轉部位均設有監(jiān)控裝置，出現(xiàn)故障整機停機報警；電氣系統(tǒng)采用PC機控制，保證電氣控制系統(tǒng)性能和設備運行的可靠性和穩(wěn)定性。磨研球加工精度等級穩(wěn)定達到G5。

4.6 鋼球加工設備聯(lián)線配置

隨著我國軸承產量的增加，同規(guī)格的鋼球需求量可達到上億粒，這就為鋼球聯(lián)線設備配置生產提供了可能。一般配置方法為：1臺高速冷鐓機、1臺光球機、1臺磨球機和3～6臺研磨機(包括初研、精研和超精研工序)組成軟聯(lián)線，常年進行一種規(guī)格鋼球的生產，可保證鋼球質量的穩(wěn)定性，同時也較大幅度地減少了磨具消耗，利于管理和降低制造成本。

4.7 鋼球加工主要工磨具

鋼球加工所需的工磨具主要包括鑄鐵研磨板、專用砂輪(樹脂砂輪)、研磨液、磨料、金剛石修整器、冷鐓模及切料刀板套筒等，目前已經形成專業(yè)化生產。但國內在鑄鐵超精研板、樹脂砂輪和樹脂砂輪研磨液等方面與國外仍有較大差距，還需進一步研發(fā)。

5 發(fā)展趨勢

鋼球的光、磨工序仍處于高能耗、高噪聲及低環(huán)保狀況，已不符合國家的環(huán)保發(fā)展要求。高效節(jié)能、低噪聲的鋼球光、磨設備應是今后設備制造企業(yè)的努力方向，研球機的加工要求采用CNC技術、智能化遠程控制技術和在線測量技術，以實現(xiàn)自動控制，將鋼球加工精度穩(wěn)定提高到G3水平。目前河南新機股份有限公司已走在國內同行的前面，與鋼球制造企業(yè)聯(lián)手協(xié)作開發(fā)了新型的節(jié)能、低噪聲鋼球光、磨設備和數(shù)控研球加工設備。相信在未來我國鋼球加工設備更新?lián)Q代的速度會更快。

6 設備的需求

隨著軸承行業(yè)的發(fā)展，我國鋼球行業(yè)也得到了飛躍式提升，特別是近20年取得了顯著成果，每年新增產能達到20%以上，質量穩(wěn)步提高。鋼球行業(yè)的發(fā)展極大地促進了鋼球設備的旺盛需求，近年來高檔鋼球加工設備的需求量以年均30%以上的速度遞增。根據(jù)軸承行業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃，預計鋼球加工設備需求的遞增要持續(xù)10年以上，2009年全行業(yè)新增高檔設備100余臺，2011年市場需求量可達2 000臺左右，到2015年全行業(yè)需求高檔加工設備將達3 000臺以上。

鋼球加工設備產業(yè)集中度高，河南新機股份有限公司、安慶機床有限公司、上海崇明機床廠、上海群英機械有限公司和齊齊哈爾機床廠等主要設備制造企業(yè)的產品占到市場份額的90%以上，其中河南新機股份有限公司作為軸承行業(yè)的骨干企業(yè)之一，多年來與專業(yè)研究機構和富有創(chuàng)新精神的鋼球生產企業(yè)密切合作，緊跟世界鋼球加工先進技術，銷售收入一直雄踞行業(yè)榜首，市場占有率穩(wěn)定在50%以上。

7 結束語

為實現(xiàn)我國由軸承大國向軸承強國的轉變，鋼球加工設備還應在如下方面進一步加強：(1)高速自動冷鐓機的穩(wěn)定批量生產；(2)渦流探傷機的研制；(3)光學外觀機的研制；(4)鋼球清洗機的研制；(5)鋼球加工設備的聯(lián)線合理配置；(6)鋼球加工設備在線測量和數(shù)控技術的研制?？傊?，鋼球加工設備需要緊跟國際先進水平，并持續(xù)創(chuàng)新，為鋼球和軸承行業(yè)的技術進步作出更大貢獻。