圓錐滾子的技術特性

楊曉蔚

(洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039)

圓錐滾子軸承的結構特征賦予其獨具優勢的技術特點：具有與圓柱滾子軸承相當的高徑向載荷能力，又能像深溝球軸承一樣同時承受徑向、軸向載荷；滾子可實現純滾動，摩擦因數低，適用于高速運轉工況。因此，圓錐滾子軸承廣泛應用于汽車、機床、冶金、航空、鐵路、工程機械、農業機械等領域，是僅次于深溝球軸承的第二大類滾動軸承。但是，圓錐滾子軸承在幾何學、力學與運動學上的復雜性，也造成了其制造上的難度，必須嚴格控制套圈、特別是圓錐滾子等主要零件的加工精度，否則將嚴重影響其使用功能和性能的實現。

1 圓錐滾子的標準化狀況

圓錐滾子是軸承滾動體(圖1)中加工技術難度最大的，其幾何形狀比球、圓柱滾子及滾針復雜；精度要求比球面滾子高。因此，圓錐滾子是在滾動體、特別是滾子中最為典型的代表產品。

由于圓錐滾子軸承的內部結構設計參數在不同企業之間難以統一，圓錐滾子的標準化程度較低，不像圓柱滾子和滾針在尺寸規格上已經具有國際標準及國家標準予以規范，因此在難以組織批量化生產的同時，每一種滾子都需要大量的工、卡、量、模具的高成本投入，這也在很大程度上阻礙了其技術進步。

我國是國際上迄今為止唯一專門制定有圓錐滾子行業標準的國家(日本僅在JIS B1506:2005《滾動軸承 滾子》的附錄中作為參考列出簡單內容)。但在行業標準JB/T 10235—2001《滾動軸承 圓錐滾子 技術條件》中，也僅規定了相應的公差、技術要求等內容，沒有涉及尺寸規格參數Dw×Lw×2φ，如圖2所示。其中，圓錐滾子的公差等級分為4級，即0，Ⅰ，Ⅱ和Ⅲ級，精度依次由高到低。作為一般配套原則，0級公差滾子適用于2級公差軸承，Ⅰ級滾子適用于4級軸承，Ⅱ級滾子適用于5和6級軸承，Ⅲ級滾子主要用于0級軸承。高精度滾子主要用于機床、高速鐵路等一些領域的軸承，如坐標鏜床主軸軸承要求達2級等。

圖2 圓錐滾子主要尺寸參數

國外盡管沒有制訂國家或行業標準，但很多著名軸承公司和滾子專業生產廠家都制訂有企業內部標準。有些企標具有非常廣泛的影響力，不僅對圓錐滾子的技術和生產起到了很好的規范作用，同時也促進了圓錐滾子在企業之間乃至國際范圍的商品化。其中，以美國Timken為主導的英制圓錐滾子軸承，對圓錐滾子的尺寸規格都進行了規定，一種尺寸規格的滾子可以互換通用于多個型號的軸承，以最大可能地實現批量化生產。

2 圓錐滾子的檢測項目

圓錐滾子的加工難度，也體現在其需要控制與檢測的項目是在滾動體中最多的。

我國軸承行業對于圓錐滾子成品的尺寸與形位誤差的檢測項目一般為7項：直徑、直徑變動量、長度、圓錐角、圓度、滾子大端面對圓錐面的跳動、滾子表面素線形狀等，另外還有表面粗糙度、外觀(裂紋等)、熱處理質量(如硬度)、殘磁等。但有的國外軸承公司，相關的檢測項目則多得多。以國外A公司為例，其對圓錐滾子成品的尺寸與形位誤差的檢測項目達20多項，見表1；國外B公司對圓錐滾子的形位誤差檢測項目的示意圖如圖3所示，其中僅對波紋度這一項目就有在滾動表面和球基面，分低頻和高頻、徑向和周向，檢測8個指標。

表1 國外A公司對圓錐滾子尺寸與形位誤差的測量項目

圖3 國外B公司的圓錐滾子形位誤差檢測項目

3 圓錐滾子工作表面的特性要求

在圓錐滾子的設計和加工中，最為關注的內容是對其工作表面的特性要求，即滾子的凸度和球基面。

3.1 滾子凸度

從軸承最基本的性能參數“基本額定動載荷和額定壽命”的計算方法看，適用條件是“滾子與滾道的接觸處應保證應力分布均勻”，為了保證這一條件，除了內、外圈滾道可以修形為凸度外，滾子滾動表面帶凸度是最常規的做法。尤其是所需凸出量較小時，滾道可按直素線加工，為減少工序和節省成本，僅在滾子上加工出凸度。

滾子凸度形狀常用的有全圓弧、圓弧修正線和對數曲線等，其在輕、重載荷作用下所形成的接觸應力分布與直素線滾子(以圓柱滾子為例)的比較如圖4所示，可以看出，其中的對數曲線凸度滾子的接觸應力分布最為理想。

由于滾子凸度主要是針對改善滾子與滾道處的接觸應力分布，即提高軸承載荷能力而采取的措施，因此，當軸承應用于載荷較小的工況或者其他使用要求更為主要時，對于滾子是否一定要有凸度，并非一概而言。對于采用何種形狀的凸度，同樣也要根據使用要求的不同，特別是工藝實現的可能性進行選擇。

(1)對于輕載、要求運轉平穩以及低噪聲等應用場合，以直素線滾子為宜。

(2)由于在滾子凸度加工中，全圓弧凸度形狀最容易保證(圓弧修正線很難做到圓弧與直線段的交點圓滑過渡；對數曲線在端面處于無窮大也難以實現)，因此許多國外著名公司的滾子(包括圓錐與圓柱)，在一般用途時多采用全圓弧凸度。

圖4 滾子凸度形狀及接觸應力分布

(3)圓弧修正線凸度形狀是介于全圓弧和對數曲線凸度形狀之間的一種“修正型”選擇，適用性更為寬泛。對于直線段的選取，一般為滾子有效長度的50%～70%。如日本某公司把圓弧修正線凸度滾子分為標準型(直線段占60%)和改進型(直線段占50%)兩種。其中，改進型滾子對偏載的適應更為有利。

(4)圓弧修正線和對數曲線凸度在理論上是比直素線和全圓弧凸度更優的凸度形狀，但加工難度較大。若實際加工的形狀誤差過大，將會在誤差處產生接觸應力分布的奇異點，反而導致該處成為疲勞、磨損等失效現象發生的薄弱環節。國內某企業的圓弧修正線凸度滾子如圖5所示，由于在圓弧與直線段的交點處沒有做到圓滑過渡而導致了疲勞剝落失效。某國外著名公司的圓錐滾子對數曲線凸度的實測圖如圖6所示，可以看出，其達到了很高的加工水平。

圖5 圓弧修正線凸度滾子疲勞失效實例

圖6 某國外著名公司圓錐滾子對數曲線凸度實測圖

(5)根據圓錐滾子軸承結構特點的受力分析，滾子與滾道接觸形狀如圖7所示，因滾子小端處的接觸應力應略高于滾子大端處，因此凸型應是不對稱的，即小端處凸度應大于大端處凸度。在實際生產中，為方便起見，多按對稱型加工。無論對于全圓弧、圓弧修正線還是對數曲線凸度，都可以采取以滾子有效長度中心為坐標原點，向大端方向略微移動的做法，來實現滾子兩端不同的凸度量。

圖7 圓錐滾子的接觸形狀

(6)凸度加工方法。普通滾子一般采用磨削加工為終加工，高精度滾子則應采用超精加工為終加工(凸度較小，如0.005 mm以下時，可直接超精加工；若凸度較大，可“先磨后超”)。

(7)滾子經凸度加工后，凸度部位的圓度誤差一般會變差。若用于低噪聲軸承，應對滾子凸度部位的圓度誤差進行控制。

3.2 滾子球基面

圓錐滾子軸承在工作時，圓錐滾子的受力狀態如圖8所示，即滾子大端面會由于滾道及滾子圓錐角的作用而自然靠緊內圈大擋邊。因此，滾子大端面也是圓錐滾子的另一重要的工作表面。滾子大端面與內圈大擋邊之間的運動形式為滑動，為了保證在相對不利的運動條件下獲得有效的潤滑，內圈大擋邊通常設計為球面、斜面或微凸面，而滾子大端面則在球面、斜面、錐面等多種型面的試驗研究比較后，基本上采用球面為最佳選擇。因此，圓錐滾子的大端面通常被稱為“球基面”。

圖8 圓錐滾子的受力狀態

球基面半徑一般取錐頂長度的0.95(或0.96)。此時接觸處形狀為一橢圓，有助于形成彈性流體動力潤滑油膜，并具有較小的接觸應力和較好的抗歪斜能力。有的國外公司為了適用于不同的使用條件，球基面半徑取值范圍更寬，甚至可取錐頂長度的0.75～0.96。

球基面的終加工為磨削加工，因此表面粗糙度很難達到像直徑面超精一樣的水平。采用組合樹脂砂輪貫穿式磨削，表面粗糙度Ra可達0.125 μm以下，最好水平可達0.08 μm左右。

4 我國圓錐滾子存在的問題及解決方案

由于加工裝備及工藝技術相對落后，我國大多企業仍以單機或簡易生產連線為主，工序多且很多環節以人工操作為主，加工精度散差大，產品質量穩定性差，因此一直處于較低水平狀態。僅能批量生產Ⅲ級滾子；部分能生產Ⅱ級滾子；Ⅰ級和0級滾子基本上不能穩定生產。主要存在的問題有：直徑變動量及圓錐面表面粗糙度、圓錐角誤差、長度變動量、圓度誤差、凸度形狀(對數曲線凸度的擬合性、圓弧修正線凸度的圓滑過渡)、球基面跳動和表面粗糙度、非工作表面尺寸與形位誤差等。以圓錐面表面粗糙度、圓度誤差、圓錐角誤差為例，國外先進水平分別為Ra0.06～0.16 μm，0.8 μm(甚至達0.3 μm左右)、±1 μm，而國內一般為Ra0.1～0.25，1.5，±2 μm。隨著近些年來的技術進步，在直徑變動量及圓錐面表面粗糙度、球基面跳動等方面有了較大提高，但在凸度形狀、球基面表面粗糙度、圓錐角誤差、非工作表面質量等方面仍存在很大差距。

要解決上述有關尺寸與形位誤差的問題，首先必須采用先進加工設備，目前已經呈現出可喜的發展態勢。

(1)一些企業引進了具有國際先進水平的加工設備，如瓦軸引進了日本坂村公司的高速雙擊冷鐓機；瓦軸、洛陽LYC引進了德國Modler公司的外徑和球基面磨床等。這些設備的引進不僅帶來了先進技術，而且極大地改變了傳統的圓錐滾子制造理念。

(2)濮陽貝英研發出了目前國內最先進的全自動圓錐滾子磨削加工生產線，實現了自動上下料、輸送、測量、補償等功能，基本上取消了人工操作，加工精度達到Ⅰ級滾子水平，并避免了滾子表面的磕碰劃傷；新鄉日升研發的精密圓錐滾子無心磨床，加工精度可滿足Ⅱ級滾子要求。

(3)大連隆正研發的光飾機，在滾子磨削或超精后進行光飾處理，可降低滾子表面粗糙度1～2級，并顯著改善外觀質量。其光飾機不僅用于國內軸承企業，而且已被Timken，Schaeffler等外資軸承企業采購使用。

另外，針對圓錐滾子軸承使用壽命較短，而圓錐滾子失效是其主要因素的狀況，除了采用凸度滾子特別是對數曲線凸度滾子外，必須選用優質原材料(如高純凈度真空脫氣鋼或電渣重熔鋼)、高表面質量冷拔銀亮料(如剝皮料、磨光料)和先進的熱處理技術(如保護氣氛或可控氣氛)，這是避免圓錐滾子早期失效進而影響圓錐滾子軸承使用壽命的最為關鍵的前提條件。

5 高精度滾子的制造

高精度圓錐滾子一般為小尺寸滾子。以滾子直徑Dw≤25 mm的為例，要制造高精度的0，Ⅰ級滾子，一般應采用以下加工設備、工藝技術及先進理念。

(1)毛坯成形采用高速雙擊冷鐓機，銀亮料，封閉成形，少環帶，小留量，且能保證球基面凹穴、小端面(非磨削)、倒角等后續不再加工的非工作表面的尺寸和形位公差要求。

(2)磨削加工采用數控機床，2～3遍循環加工，并采用常規二次回火、冷處理、附加回火、時效處理等措施提高滾子的組織與尺寸穩定性。

(3)滾子圓錐面必須采用超精為終加工工序，以達到所要求的低表面粗糙度水平，并改善圓度、波紋度以及磨削變質層等質量狀況。

(4)滾子小端面采用磨削加工。為保證高精度圓錐滾子軸承的運動平穩性及滾子不發生歪斜，對內圈小擋邊也進行磨削，以控制內圈滾道的尺寸變動量。相應對滾子的長度變動量也應要求嚴格，因此對冷鐓成形的小端面也必須進行磨削加工。

(5)測量手段以儀器精密測量為主。對于主要尺寸與形位誤差項目、參數，采用儀器精密測量(包括在線測量)；對于凹穴、倒角等非工作表面，也要由傳統的樣板等定性測量轉為坐標投影儀、表面輪廓儀等定量測量。例如，用于高速領域的精密滾子，若倒角不一致或凹穴同軸度不好，會因為質量不平衡而使滾子在運動中產生離心力的劇烈波動，導致滾子歪斜等現象發生。

(6)裂紋檢查應采用多種方法控制。由于滾子原材料及后續冷拔鋼絲、冷鐓成形、磨削加工等工序易產生裂紋等缺陷，這是滾子加工中最易出現的一大質量問題，因此必須采用酸洗、渦流、磁粉等多種探傷方法來確保滾子無裂紋等嚴重缺陷出現。

(7)滾子分選應優先采用在線“卡段分組”，盡量保持滾子批在尺寸和形位精度上的一致性，以滿足圓錐滾子軸承實現“隨機裝配”的要求。

(8)加工與檢測環境應“計量室化”。精密加工工序及檢測環境要按照“計量室”的要求，具備恒溫、恒濕、潔凈、隔振等條件，盡量減少環境因素波動對機床、工件、檢測器具的影響，以保證加工與測量精度的相對穩定性和一致性。

6 結束語

圓錐滾子是軸承滾動體中加工技術難度最大的代表性產品。要想制造出高質量圓錐滾子、特別是高精度圓錐滾子，加工設備是第一位的，許多先進的工藝技術只有依賴于先進的加工設備才能夠實現。同時，也必須對圓錐滾子技術特性有深刻理解，具備先進的技術思想與理念，才能在更高層面上明確圓錐滾子的技術進步方向。隨著加工設備的國外引進與自主研發，相信我國圓錐滾子的產品質量和技術水平一定會在近期取得顯著突破。