張永乾

(1.中國軸承工業(yè)協(xié)會技術(shù)委員會，河南 洛陽 471039；2.洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039)

滾動體作為滾動軸承的關(guān)鍵零件，在軸承中起承載和傳遞載荷與運動的作用，對軸承的壽命和振動噪聲有較大的影響。

由于鋼球表面上的任何一點都是承受載荷的工作面，承受周期不定的變載荷，接觸面積小，接觸應力大，鋼球受力條件比較惡劣，極易產(chǎn)生疲勞破壞。鋼球整個表面既是加工面又是支承面，因此鋼球加工技術(shù)是機械行業(yè)中最獨特、最專業(yè)化的，對原材料、工藝技術(shù)、加工裝備、工裝磨具、研磨液等要求非常高。軸承滾子在軸承中承受較大的應力，滾動面及端面(球基面)都是工作面，要求加工精度達到很高水平。

我國滾動體制造技術(shù)近年來發(fā)展迅速，鋼球工藝技術(shù)水平、裝備水平、質(zhì)量控制水平以及工裝磨具水平都已達到或接近國際先進水平，管理更趨精細和完善，規(guī)模化生產(chǎn)和經(jīng)營凸現(xiàn)，生產(chǎn)總量不斷擴大。鋼球質(zhì)量水平：批量生產(chǎn)公差等級G5，規(guī)格材料齊全，單粒振動達到26 dB，壽命K值(基本額定壽命試驗值L10t與基本額定壽命L10之比)達到12以上。滾子加工水平相對較低，還不能批量制造Ⅰ級滾子，Ⅱ級滾子也僅有部分廠家能夠批量生產(chǎn)。

隨著我國軸承行業(yè)從制造大國向制造強國邁進，在軸承壽命可靠性、滾子軸承減振降噪等自主創(chuàng)新方面與國外仍有很大差距，對滾動體質(zhì)量提出了更高的要求?？紤]原材料、工藝制造成本、員工流動及人工成本的不斷攀升，滾動體生產(chǎn)制造過程中，生產(chǎn)效率、批質(zhì)量穩(wěn)定性與可靠性、生產(chǎn)過程有效控制、質(zhì)量過程控制和確認等問題越來越突出，分析探討滾動體行業(yè)工藝裝備與技術(shù)發(fā)展方向，以期實現(xiàn)滾動體行業(yè)工藝裝備及工藝理念的突破，促進滾動體質(zhì)量水平、管理水平、工藝裝備水平、工藝水平、工裝模具水平等的較大提升。

1 鋼球加工工藝現(xiàn)狀

1.1 鋼球加工工藝過程

國內(nèi)鋼球行業(yè)隨著工藝思想和理念的不斷創(chuàng)新，新型鋼球加工裝備的開發(fā)，以及工裝磨具、研磨液質(zhì)量的不斷提高，使得新技術(shù)和新工藝在鋼球加工過程中得到良好的應用，形成了2種主要加工工藝過程：一是鋼球水劑大循環(huán)加工工藝，二是樹脂砂輪磨研工藝。

水劑大循環(huán)加工工藝過程為：原材料采購(入廠檢驗)→冷鐓→光磨→(軟磨)→熱處理→強化→硬磨→初研→精研→超精研→清洗→外觀檢查→防銹包裝→庫存。

樹脂砂輪磨研加工工藝過程為：原材料采購(入廠檢驗)→冷鐓→光磨→(軟磨)→熱處理→強化→硬磨→粗磨→細磨→精磨→清洗→外觀檢查→防銹包裝→庫存。

1.2 鋼球原材料

鋼球的原材料鋼絲主要以國產(chǎn)為主，極少量從日本、韓國進口，除少數(shù)廠家有煉鋼能力外，國內(nèi)分布上百家鋼絲廠，大部分為改制拉絲廠，能較好地控制鋼絲的尺寸精度，但所用原鋼來源渠道復雜，鋼絲質(zhì)量參差不齊。有規(guī)模鋼球廠對鋼材的顯微組織、組織、尺寸、外觀、盤重等進行檢驗，化學成分基本按照鋼廠的質(zhì)保書，而相當數(shù)量的鋼球廠只檢驗鋼絲的尺寸、外觀、盤重等，鋼材的內(nèi)在質(zhì)量主要依賴鋼廠的質(zhì)保書。

需要引起重視的問題：(1)鋼球制造企業(yè)需編制“鋼球用軸承鋼絲技術(shù)條件”作為驗收軸承鋼絲的質(zhì)量文件；(2)具備理化檢驗試驗條件時，需對原材料軸承鋼絲進行入廠質(zhì)量驗收；(3)培養(yǎng)和引進材料專業(yè)技術(shù)人才，控制原材料質(zhì)量和熱處理質(zhì)量。

1.3 鋼球工藝裝備水平

國內(nèi)已經(jīng)形成了一整套的主力鋼球加工工藝裝備，包括Z32，Z32G系列鋼球冷鐓機及高速冷鐓機，3M49，3M79系列光球機，3M46，3M76系列磨球機，3M47，3M77系列研球機，保護氣氛熱處理爐，鋼球表面強化機，基于毛刷清洗與基于高強度海綿旋轉(zhuǎn)擠壓清洗的清洗機等；檢測設(shè)備主要有基于視覺系統(tǒng)的鋼球表面質(zhì)量外觀檢查儀，基于渦流探傷原理附帶光學、振動通道的渦流光電外觀檢查儀。光、磨、研主力加工機床研磨板直徑為φ300～950(1 000)mm，裝球量20～1 000 kg，機床加工精度可滿足G5鋼球的要求。

需要引起重視的問題：(1)國產(chǎn)高速冷鐓機質(zhì)量仍不穩(wěn)定，可靠性較差，冷鐓模具質(zhì)量偏低；(2)光、磨、研設(shè)備一般為通用設(shè)備，專線化專業(yè)布局設(shè)計較差，造成設(shè)備能力沒有充分發(fā)揮，效率低、能耗高；(3)光、磨、研設(shè)備自動控制和自動化水平需提高，加工效率需整合；(4)鋼球加工工序間清洗、干燥、質(zhì)量控制連線設(shè)備缺乏專業(yè)布局和生產(chǎn)；(5)鋼球成品清洗設(shè)備適用性及清洗可靠性需提升；(6)鋼球成品外觀檢查儀器仍需完善，提高可靠性。

1.4 鋼球質(zhì)量控制方法

國內(nèi)鋼球質(zhì)量控制已經(jīng)形成了一整套的方法，質(zhì)量指標和方法主要為：原材料質(zhì)量、尺寸及尺寸精度、熱處理硬度及金相組織、表面缺陷。隨著鋼球加工工藝及加工裝備的完善，各鋼球制造企業(yè)在尺寸及尺寸精度、熱處理硬度等方面基本都能滿足標準要求，還需要引起重視的問題：(1)原材料質(zhì)量控制和根據(jù)鋼球用途進行材料選擇；(2)鋼球尺寸穩(wěn)定性檢測與控制；(3)鋼球表面強化、表面應力控制；(4)鋼球表面形貌的檢測與控制；(5)鋼球表面波紋度監(jiān)測和控制；(6)鋼球出貨質(zhì)量確認；(7)鋼球接觸疲勞壽命試驗與控制。

2 鋼球質(zhì)量控制及技術(shù)方向

2.1 鋼球質(zhì)量控制指標和方法

在保證鋼球滿足GB/T 308—2002《滾動軸承 鋼球》規(guī)定的尺寸及尺寸精度、熱處理硬度和金相組織等的基礎(chǔ)上，還需要加強以下幾方面質(zhì)量的控制。

2.1.1 鋼球表面波紋度的監(jiān)測和控制

鋼球表面波紋度的監(jiān)測方法和技術(shù)指標一直沒有統(tǒng)一的認識，但在鋼球的尺寸精度、球形誤差等指標符合標準的情況下，對影響鋼球在套圈中周期運動和瞬間運動軌跡的表面波紋度，應該重點加強監(jiān)測評價。

鋼球表面波紋度的成因同樣沒有形成統(tǒng)一的認識，這是由于鋼球成圓加工過程運動的復雜性，使鋼球的表面波紋度成因復雜、表述困難，但可以確定，鋼球表面波紋度是由于鋼球加工過程中周期性(或隨機)不均勻切削造成的。造成鋼球周期性不均勻切削的原因有以下幾方面：

(1)加工機床主軸旋轉(zhuǎn)精度差，徑向跳動及端面跳動過大，鋼球在磨板溝槽中受力不均，造成鋼球切削不均勻(周期性)，雖然在以后的切削過程中會逐步改善，但這種不均勻會保留到成品。

(2)研磨板溝槽與主軸同心度差。

(3)對于臥式機床，轉(zhuǎn)動板與固定板同軸度較差。

(4)研磨板硬度和組織不均勻。

(5)研磨板溝槽與定位孔同軸度差。

(6)機床振動及外來振動。

由于鋼球加工是不斷的修正加工基準、磨板溝槽、吻合度、包絡圓切削的過程，每一次切削不均勻都會在以后的加工過程中得以改善，甚至得以修正，但接近加工完成的鋼球，切削不均勻一定會保留到成品鋼球上。所以這也是鋼球表面波紋度呈現(xiàn)較大隨機性(偏離理想球形)而不是完全像直徑磨削那樣呈現(xiàn)周期性的原因，也給鋼球表面波紋度的監(jiān)測和分析造成了困難。

對于鋼球制造過程中表面波紋度的監(jiān)測與控制，在加工機床和工作環(huán)境確定的情況下，機床主軸精度、周圍振動源和機床布局比較難以改變，但可控制的因素一定要做好，如：(1)保證研磨板溝槽與定位孔的同軸度；(2)保證研磨板徑向跳動和端面跳動滿足工藝要求，并且加工過程不變化；(3)使用質(zhì)量更好的研磨板；(4)盡量去除機床周圍的振動源；(5)設(shè)定的工藝參數(shù)應避開機床共振點；(6)向鋼球加工裝備制造廠提出設(shè)備精度要求。

2.1.2 鋼球尺寸穩(wěn)定性

鋼球尺寸穩(wěn)定性與熱處理殘余奧氏體的含量直接相關(guān)，且會影響軸承的裝配精度。鋼球貯存、使用過程中的尺寸穩(wěn)定性直接影響軸承精度，因此應將其作為鋼球質(zhì)量控制的一個重要指標。

鋼球尺寸穩(wěn)定性用加速試驗鋼球尺寸變化率來評定，鋼球尺寸變化率=(試驗后球平均直徑-試驗前球平均直徑)/試驗前球平均直徑。

2.1.3 鋼球表面強化與表面應力

目前，較多企業(yè)通過測量硬度梯度控制鋼球表面強化，部分企業(yè)采用鋼球表面應力控制強化工藝。鋼球表面強化一般認為是為了提高表面硬度，而實際強化的主要目的是在鋼球表面形成壓應力狀態(tài)，提高鋼球的接觸疲勞壽命，因此，鋼球表面強化的控制指標應該是表面應力。采用硬度指標來控制表面強化是不合理的，容易造成過度強化和欠強化。許多鋼球企業(yè)沒有X射線應力分析儀檢測設(shè)備，仍需要加強鋼球表面強化后表面應力的檢測和分析，依據(jù)鋼球表面應力確定每種規(guī)格鋼球表面強化工藝。各種規(guī)格鋼球具體的表面殘余應力控制指標還需要結(jié)合壽命試驗結(jié)果確定。

2.1.4 鋼球表面磕碰痕

在鋼球表面缺陷控制方面，一般鋼球制造企業(yè)非常重視鋼球表面啃傷、擦劃傷等，但對鋼球搬運、輸送、清洗、檢查等過程中造成的磕碰痕重視不夠。很多情況下，目視難以發(fā)現(xiàn)鋼球的磕碰痕，尺寸和球形誤差檢測也不一定能夠檢測到，但鋼球表面已經(jīng)造成了缺陷，甚至是組織的改變，對軸承性能造成影響。因此，需要在鋼球卸料、加工、運輸、清洗、檢查等所有環(huán)節(jié)，盡量減少磕碰的發(fā)生。

2.2 鋼球工藝裝備

2.2.1 專線專業(yè)化鋼球制造線

隨著鋼球生產(chǎn)批量的加大以及工廠專業(yè)制造理念的形成，已經(jīng)具備了專線生產(chǎn)單一規(guī)格鋼球的條件，即鋼球加工裝備專線專業(yè)化。首先，鋼球廠在設(shè)計生產(chǎn)線時應做好專線鋼球規(guī)格的規(guī)劃，提出生產(chǎn)目標和要求；其次，鋼球加工裝備制造廠根據(jù)鋼球廠的生產(chǎn)目標和要求設(shè)計專線，包括機床的配置、型號、功率、工裝模具等，最大限度地發(fā)揮機床的加工能力、效率、精度以及專線的穩(wěn)定性，最大限度地降低能耗和生產(chǎn)成本。

2.2.2 數(shù)控化與自動控制

鋼球加工設(shè)備近年來提升很大，對提高鋼球質(zhì)量水平發(fā)揮了極大作用，但隨著鋼球質(zhì)量穩(wěn)定性、可靠性要求的進一步提高,需要更加穩(wěn)定可靠的加工系統(tǒng)，并將人為因素降到最低，因此,鋼球加工設(shè)備的自動控制還有待進一步提高。

鋼球加工設(shè)備的數(shù)控化需要從加載方式、主軸系統(tǒng)、控制參數(shù)、機床布局等方面進行整體設(shè)計，避免僅在現(xiàn)有基礎(chǔ)上的功能添加，應該以全新的理念、創(chuàng)新的思維滿足鋼球加工工藝的實現(xiàn)。

2.2.3 工藝過程連線裝備

目前，鋼球加工過程一般仍以單機操作為主，工藝過程設(shè)備比較缺乏，為了保證鋼球的加工效率和質(zhì)量，需要開發(fā)工藝過程中的連線設(shè)備，包括智能傳輸設(shè)備、清洗烘干設(shè)備及質(zhì)量檢查設(shè)備等。

3 鋼球加工工藝理念

隨著鋼球加工裝備水平、管理水平、工藝水平的提高，對鋼球質(zhì)量水平的影響逐步由加工工藝轉(zhuǎn)向理念、管理、裝備、工裝等方面，首先是企業(yè)的理念和定位，創(chuàng)新理念可以讓企業(yè)發(fā)展得更長遠、更持久；而定位于低端市場，企業(yè)也不可能制造出高精度、高質(zhì)量產(chǎn)品。其次是管理，鋼球的制造可以說是納米精度的制造技術(shù)，需要一個穩(wěn)定的系統(tǒng)保證產(chǎn)品質(zhì)量，穩(wěn)定的系統(tǒng)來自精細化管理，因為任何細節(jié)都會對成品質(zhì)量造成決定性影響。裝備和工裝組成一個系統(tǒng)，需要進行標準化，重視工裝的加工精度和統(tǒng)一性。加工工藝決定工藝過程的技術(shù)要求和指標，是過程實現(xiàn)的依據(jù)。環(huán)境保護和安全是現(xiàn)代企業(yè)必須重點考慮的因素，企業(yè)的社會責任和經(jīng)營成果是創(chuàng)造美好、安全的生活環(huán)境。

4 滾子加工裝備及技術(shù)方向

4.1 滾子工藝裝備

4.1.1 沖壓成形設(shè)備

主要有美國國民和日本坂村2種，美國國民冷鐓機為單工位成形，加工精度相對較低；日本生產(chǎn)的PF-440和PF-450為四工位冷鐓機，加工滾子外徑、長度留量較小。外徑留量為0.15 mm，可直接熱處理，外徑只加工3遍，長度壓到成品長度尺寸，熱處理后端面球基面加工1次。

4.1.2 滾子車加工設(shè)備

瓦軸使用數(shù)控CK7506車床加工球面滾子和圓錐滾子，外徑留量和長度留量可控制在0.2 mm以內(nèi)?？芍苯訜崽幚?，不需要磨加工，產(chǎn)品質(zhì)量較高；穴大小一致，平整光滑，倒角圓滑過渡；可1人多機生產(chǎn)。煙臺富士通機床有限公司提供雙軸車加工設(shè)備，加工圓錐滾子可一次成形，直接進行熱處理。

4.1.3 3MZ4650數(shù)控滾子球基面磨床

3MZ4650無磁球基面磨床是大連軸承機床廠最新研制開發(fā)的自動檢測、自動補償高精度磨床，用于加工球面滾子、圓柱滾子的球基面。其采用雙導輪、壓輪和支撐板定位，滾子轉(zhuǎn)動平穩(wěn)，加工精度高，滾子長度散差不大于0.01 mm，端面跳動為4 μm，球基面半徑散差不大于5 mm，是目前生產(chǎn)較大直徑滾子的較好設(shè)備。

4.1.4 外徑面、端面一次成形復合磨床

國內(nèi)剛興起外徑面、端面一次成形磨床，其采用切入磨削方法，適用直徑較大滾子的加工。滾子外徑面和端面一次磨削完成，滾子端面跳動為2～3 μm，球基面半徑散差為1～2 mm。

國外有一種外徑面、端面一次成形的數(shù)控磨床，該磨床的砂輪和車床一樣，從端面到外徑一次或幾次磨削直接加工出成品，滾子尺寸精度和幾何精度可達到Ⅰ級。其工作原理為：滾子通過傳送帶進入帶料盤中，帶料盤旋轉(zhuǎn)和第1片砂輪接觸磨削一個端面，磨削完成后滾子在高壓水作用下從帶料盤中推出進入U形管道，將滾子翻轉(zhuǎn)180°，使另一端面朝向砂輪，滾子繼續(xù)轉(zhuǎn)動，進入第2片砂輪磨削另一端面。該機床加工滾子表面粗糙度Ra達0.08 μm，端面跳動達2～3 μm。由于對工裝精度要求極高，目前國內(nèi)具備此加工能力的廠家很少。

4.1.5 新材料滾子冷沖壓模具

目前國內(nèi)冷沖壓模具總體水平不高，存在的主要問題是：模具壽命短，變形量大；同一批滾子直徑尺寸散差達0.5 mm以上，造成磨加工滾子尺寸精度和幾何精度差；磨削加工次數(shù)多，效率降低。

4.2 滾子加工技術(shù)發(fā)展方向

(1)大力開發(fā)適用的國產(chǎn)設(shè)備，如濮陽機床廠引進吸收的滾子外徑面和端面加工設(shè)備、大連機床廠研究的滾子球基面加工設(shè)備，以及國內(nèi)生產(chǎn)的高速冷鐓機、滾子外觀機等。國內(nèi)邢臺、大連鋼廠生產(chǎn)的盤圓鋼等質(zhì)量水平也在不斷提高。國外磨加工采用的寬砂輪數(shù)控機床國內(nèi)設(shè)計生產(chǎn)廠也正在加緊研制，超精機也在借鑒德國的設(shè)計理念，不久的將來會為國內(nèi)軸承行業(yè)提供較好的裝備。

(2)批量生產(chǎn)滾子廠家目前正在走專業(yè)化道路，品種少、批量大，便于提高產(chǎn)品質(zhì)量，生產(chǎn)效率也高，工裝、模具、材料、裝備的趨勢進一步明確，對滾子質(zhì)量的提高起到了推動作用。

(3)引進設(shè)備、改進工藝的思路比較流行。瓦軸、洛軸、襄軸等企業(yè)逐步加大引進國外設(shè)備，如沖壓成形用美國國民冷鐓機、日本坂村的四工位冷鐓機，以及德國的外徑面超精機等。國內(nèi)設(shè)備廠家對軸承滾子加工設(shè)備的研究開發(fā)力度加大，如險峰機床廠開始改進XF004A、開發(fā)3M6050等滾子高精度磨床。

5 結(jié)束語

(1)我國鋼球工藝技術(shù)水平、裝備水平、質(zhì)量控制水平以及工裝磨具水平都已達到或接近國際先進水平。但在鋼球表面波紋度的監(jiān)測和控制、鋼球尺寸穩(wěn)定性、鋼球表面的表面應力、鋼球表面磕碰痕等質(zhì)量控制指標和方法方面仍需要進一步提高和加強。

(2)為保證鋼球制造過程中制造系統(tǒng)的穩(wěn)定性，鋼球工藝裝備的數(shù)控化、自動化和專線化以及連線設(shè)備是目前鋼球裝備的發(fā)展方向。

(3)我國滾子加工工藝技術(shù)水平及質(zhì)量水平與國外仍有差距，需要通過裝備水平的發(fā)展和提高，推動滾子的技術(shù)進步和質(zhì)量的提高。