軸承鋼球工藝質量關鍵技術分析與實踐

那卓

(沈陽鋼球有限責任公司，沈陽 110042)

鋼球在球軸承中作為滾動體是承受載荷并與軸承的動態性能直接相關的零件。在工作中，軸承內的每粒鋼球周期地通過軸承受載區，因此，鋼球承受周期性載荷[1]。鋼球的質量和精度直接影響軸承的使用壽命、可靠性、振動和噪聲水平。因此，對鋼球的磨研加工及工藝過程進行研究尤為重要。

1 鋼球尺寸和精度要求

1.1 尺寸要求

軸承鋼球直徑尺寸范圍為0.3～104.775 mm，執行GB/T 308.1—2013。鋼球直徑根據軸承配套的要求而定，但也有一定的限制。執行標準化、系列化、通用化的原則，對尺寸進行規范，既要滿足客戶要求，又要減少非標尺寸規格。

1.2 精度要求

對鋼球的精度要求包括尺寸精度、形狀精度和表面粗糙度等。尺寸精度從規值、分規值、規值間距、分規值間距及批直徑變動量幾方面體現；形狀精度由球直徑變動量及球形誤差體現；表面粗糙度參數和公差等級(11個級別)依據GB/T 308.1—2013規定。

2 鋼球加工工藝現狀分析[2]

2.1 鋼球加工工藝過程

我國鋼球行業隨著工藝思想和理念的不斷創新，新型鋼球加工裝備的開發，以及工裝磨具、磨削液質量的不斷提高，使得新技術和新工藝在鋼球加工過程中得到良好的應用。鋼球制造工藝根據毛坯材料形狀、鋼球精度以及生產條件的不同而有所差異，但基本工藝路線相同。形成了2種主要加工工藝，一是水劑大循環加工工藝，二是樹脂砂輪磨研工藝[3]。

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

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→(表面強化)→硬磨→粗磨→細磨→精磨→清洗→外觀檢查→防銹包裝→入庫。

2.2 工藝水平與分析

2.2.1 原材料

原材料質量是影響鋼球壽命與可靠性的主要因素。大量實際使用的高碳鉻軸承鋼，由于受各種因素的影響，仍存在諸多問題，需要引起足夠的重視。鋼球廠應建立原材料入廠檢驗制度，制定并完善企業內控檢驗驗收技術文件(標準)，培訓專業檢驗人員，對入廠材料進行全項復檢，不能完全依賴質保書。另外，需經常與鋼廠進行溝通，提出相應技術要求。

2.2.2 冷鐓

國內冷鐓設備以低速開式切料冷鐓機Z32系列為主，高速冷鐓機還未能普遍采用。中小型鋼球普遍為冷鐓工藝，采用硬質合金冷鐓模、切料套筒和切料刀板；大尺寸鋼球為熱鐓或熱軋工藝，采用耐熱鋼模具。冷鐓球坯主要為球形坯，也有采用錐鼓形球坯，基本滿足工藝要求，留量為0.4 mm左右。冷鐓是鋼球生產相對薄弱的工序，主要問題是高速冷鐓機數量較少，冷鐓球坯留量大，尺寸精度不高。

國外鋼球冷鐓主要設備為高速冷鐓機，采用硬質合金冷鐓模、切料套筒和切料刀板。冷鐓模為近似球狀，設計形狀保證了冷鐓球坯容易脫出；質量控制檢驗項目有球坯尺寸、環帶尺寸、位移、切口尺寸和外觀。

2.2.3 光磨

國內鋼球光磨設備主要為3M49系列臥式光球機，微小型鋼球采用立式光球機。光球板全部為國產，材質為鑄造合金，硬度為48～54 HRC，磨削液也為國產，工藝方法基本為直接光磨至工藝尺寸。光球質量基本滿足工藝要求，留量一般為0.2 mm，球直徑變動量一般為0.01 mm，表面粗糙度Ra為6.3 μm。

由于冷鐓球坯留量大，光球的磨削量較大，部分鋼球廠或操作工難免通過增加壓力來提高效率，縮短加工時間。鋼球在大壓力下光磨加工，將使鋼球產生大的表面拉應力、應變(變形)，表面質量差，對后續的熱處理會產生不良影響；同時加工形變有可能在后續加工中永遠無法消除，增大表面波紋度。

為了提高球坯的表面質量，改善球坯的尺寸、形狀精度，需在光磨后進行軟磨。實踐證明，軟磨對提高鋼球精度和工藝穩定性，降低鋼球加工缺陷有較好的作用。

2.2.4 熱處理

國內鋼球熱處理設備主要為保護氣氛連續滾筒熱處理爐， GCr15軸承鋼熱處理工藝參數為淬火溫度835 ℃左右，回火溫度150 ℃左右，保護氣氛下碳勢和露點一般不可控。熱處理后鋼球硬度、組織滿足標準要求，但壓碎載荷較國外低[4]。

熱處理質量也是影響鋼球壽命和可靠性的主要因素，由于氣氛不可控，熱處理質量穩定性和可靠性受到影響，因此，應推廣可控氣氛熱處理工藝。

2.2.5 表面強化

表面強化設備主要為滾筒表面強化機，多數廠家沒有表面殘余應力檢測儀器，殘余應力不可控。有些鋼球廠采用顯微硬度計控制表面強化的深度和強度，取得了一定的效果，但用硬度指標控制表面應力存在不合理之處[3]。鋼球表面殘余應力和強化深度、強度對鋼球壽命和可靠性有一定影響，應加強對表面殘余應力的檢測和控制。

2.2.6 硬磨

硬磨設備主要為臥式鋼球磨球機，部分廠家采用立式鋼球磨球機，磨球固定板為合金鑄鐵板，轉動板為150#/240#砂輪。研磨球坯直徑變動量為2 μm，留量為0.25～0.35 mm，硬磨球坯質量可以滿足工藝要求[2]。部分鋼球廠硬磨分2次磨削，在第1次硬磨后，再進行一次精磨，改善硬磨球坯的表面質量和尺寸、形狀精度。較多鋼球廠在硬磨后進行100%冷酸洗，檢查硬磨球坯的燒傷、軟點、脫碳等磨削、材料缺陷。

2.2.7 初研(細磨)

初研設備多為立式或臥式鋼球研磨機，細磨多為臥式鋼球研磨機，研磨固定板為鑄鐵板，轉動板一般初研用鑄鐵盤，細磨用2 000#樹脂砂輪，也有用1 000#陶瓷砂輪。初研(細磨)球坯球直徑變動量、球形誤差為0.3 μm，留量為0.012 mm。該工序的發展趨勢是采用樹脂砂輪或陶瓷砂輪進行細磨，以提高生產效率、球坯質量和穩定性。

2.2.8 精研(磨研)

精研設備為立式或臥式鋼球精研機，精研固定板和轉動板為鑄鐵精研盤，磨研為4 000#或6 000#樹脂砂輪。精研后鋼球尺寸精度和形狀精度可達G5，甚至G3，表面質量要求更高時，還需進行超精研。

樹脂砂輪磨研鋼球工藝一般采用3M77系列臥式鋼球研磨機或3ML47系列立式鋼球研磨機。樹脂砂輪粗磨一般為2 000#，精磨為4 000#或6 000#，磨削液油劑和水劑并存，在實際生產工藝中都有采用，一般認為堿性水劑磨削液(適當范圍內)會對砂輪產生分解作用，但表現不突出。由于樹脂砂輪磨研相對于鑄鐵盤精研工藝是超精密磨削的剛性加工，因此，對工藝裝備如溜球板、砂輪車加工溝槽機床等要求更高，需要采用數控車床等。

樹脂磨研的基本工藝路線，一種是陶瓷結合劑砂輪研磨、2 000#樹脂砂輪粗磨、4 000#或6 000#樹脂砂輪精磨；另一種是陶瓷結合劑砂輪硬磨、鑄鐵盤初研、鑄鐵盤精研、4 000#或6 000#樹脂砂輪精磨。第1種工藝路線效率相對更高，鋼球表面形貌更好，質量更均勻和穩定；第2種工藝易掌握，最后一道工序可獲得表面均勻的鋼球，有效消除異常聲。

2.2.9 清洗和成品檢查

多數廠家采用適合自身特點的清洗方式，基本滿足鋼球清洗要求。大部分廠家仍采用人工目視100%外觀檢查，部分廠家采用鋼球自動外觀檢查儀。對于高可靠性鋼球，在超精研前需進行100%渦流光電外觀檢查。

3 鋼球燒傷原因與控制

3.1 鋼球燒傷的特征

鋼球燒傷一般通過酸洗后才能顯現出來，酸洗后底色為灰黑色或灰白色；但是在光球工序嚴重燒傷的鋼球可直接觀察到淺蘭色和黃褐色，即變色球。

鋼球燒傷從2個方面體現，一是形狀，分為點狀燒傷、線狀燒傷及片狀燒傷；二是性質，分為回火燒傷和淬火燒傷[5-6]。

3.2 產生燒傷的原因

3.2.1 組織變化分析

鋼球在研磨過程中，由于磨床轉速、壓力等參數的變化，使其局部表面突然受到磨削、擠壓、摩擦等強力作用，使局部溫度瞬間升高，冷卻后形成燒傷。當局部溫度瞬間升高達到高溫回火溫度又迅速冷卻，產生的燒傷酸洗后呈灰黑色，其組織為回火屈氏體，這種燒傷稱為回火燒傷，有局部區域應力變化，會降低鋼球的使用壽命。當局部溫度瞬間升高達到淬火溫度又迅速冷卻，酸洗后呈灰白色，其組織為淬火馬氏體，這種燒傷稱為淬火燒傷。淬火燒傷會使鋼球表面局部區域內顯微組織和應力產生嚴重變化，破壞鋼球表面組織和應力的均勻性，從而影響鋼球的使用壽命[7-8]。

3.2.2 加工工序分析

鋼球加工中的光磨、硬磨和研磨3個工序都可能產生鋼球燒傷。這3個工序產生燒傷的概率分別占燒傷總數的17%，76%和7%[6]。

光球工序由于壓力大、速度快, 產生燒傷的概率較高, 光球工序產生的淬火燒傷對鋼球壽命的影響最大；硬磨是產生燒傷概率最高的工序，是控制燒傷的關鍵，其中以線狀回火燒傷為主；研磨工序有少量的點狀、線狀回火燒傷，由于接近成品尺寸而不易消除。

3.2.3 磨削方法和鋼球規格分析

研磨過程中不同規格鋼球產生燒傷的概率是不同的，根據經驗，鋼球尺寸越大，自轉性能越差，產生燒傷的概率越高。而在鋼球規格相同的情況下，采用水劑磨削比油劑磨削產生燒傷的概率要小得多。

3.3 燒傷的控制方法

鋼球加工中燒傷產生的原因較多，其中，操作者個人操作技能、熟練程度的影響因素較大，而且鋼球是大循環方法批量生產，控制燒傷有一定難度。以硬磨加工的燒傷控制為例，總結出控制燒傷應注意的7個方面。

3.3.1 操作者個人素質

操作者應有責任心并嚴格按照工藝操作，需掌握一定的技能，如檢查溝槽、盤口、工裝等是否滿足加工要求，并具有分析與解決燒傷的基本能力。

3.3.2 設備狀況

嚴格保證磨床的各項精度，主軸軸向、徑向跳動應控制在0.04～0.05 mm；轉動板和固定板安裝后平行度應小于0.04 mm；需保證安裝螺栓緊固、液壓系統穩定；需及時修整砂輪，避免出現毛邊、掉塊等現象。

3.3.3 硬磨工裝調整

調整進、出球工裝，保證鋼球進、出喇叭口順暢，不堵塞、不卡滯。

3.3.4 固定板砂輪

固定板砂輪溝道不能有砂眼、硬點，硬度應適中。應根據鋼球的不同規格選用不同硬度的固定板砂輪，加工小型鋼球選擇高硬度砂輪，加工大尺寸鋼球選擇低硬度砂輪。

3.3.5 光球后鋼球尺寸

控制光球工序后鋼球的批直徑變動量、尺寸精度和規值，為硬磨加工做好充分準備，采用硬磨Ⅰ、硬磨Ⅱ兩道加工工序完成。

3.3.6 硬磨板溝槽深度的選擇

硬磨加工研磨板溝槽深度應保持為(1/3～2/5)Dw，Dw為鋼球直徑。太深容易出現圓形線狀燒傷，需及時修整砂輪；太淺容易出現片狀和兩極燒傷，這時要及時用球壓溝[8]。

3.3.7 硬磨壓力的選擇

硬磨鋼球時，根據不同規格的鋼球和溝槽深度，一般選擇壓力為2～3 MPa。磨削過程中壓力要保持平穩，不能突然升高或降低，否則容易造成燒傷[9]。

4 鋼球加工中的節能降耗

4.1 原材料選擇與供應

原材料成本占鋼球制造總成本的50%～60%，提高材料利用率，盡量減少供貨中間環節，控制材料價格對降低成本作用重大，應放在節能降耗工作的首位。

(1)建立區域行業協會，統一大批量訂貨，實現鋼廠與用戶互利雙贏。

(2)各鋼廠工藝質量水平不同，價格差異較大。應根據鋼球用途選用不同檔次鋼材，降低材料成本。

(3)在備料加工過程中清除材料缺陷層，較制成球坯后清除不僅工藝費用低，且耗費材料少(減少30%)，可減小球坯留量，經濟合理[10-11]。但材料缺陷殘留必須在淬火前完全清除，因此，減少淬火前磨量必須以穩定可靠的材料質量作為保證。

(4)連鑄材較模鑄材價格相差較大，改進提高連鑄材質量，使之滿足鋼球使用性能要求迫在眉睫。

4.2 鐓壓工序

(1)改善鐓壓設備精度，嚴格控制球坯偏差，減少廢品率，提高工序質量。如采用高速冷鐓機可節材2%～3%。

(2)采用硬質合金模具或其他經表面硬化處理的模具，提高磨具工作面的抗磨損、抗疲勞能力，減小球坯公差，可節材1%～2%。

(3)研究球坯變形過程，改進球窩形狀；優選料徑，采用壓縮比上限，壓縮環帶尺寸，不僅可降低材料消耗，也可大幅度減少光磨工時費用。

4.3 光磨工序

光磨工序消耗鋼球總留量的2/3左右，光磨板的性能、光磨液的質量和工藝參數的選擇是節能降耗的重點。

去環帶時，光磨板損耗量比正常磨削時多1倍。減小球坯環帶和采用軋制球坯，可縮短光磨工時，減小機床振動，延長使用壽命。光磨去環帶后及時將壓力調整開關轉向自動，實現“電流控制壓力補償”，可節約電能15%，使磨削效率提高25%～30%。

磨板損耗及切削效率與磨板和球的接觸弧長相關。增加光磨設備裝球量，使球與磨板溝槽接觸弧長變化減慢，可保持光磨工序高效率并減少磨板損耗。當裝球量由每盤200 kg增加到400 kg時，可節約磨板損耗、工時約14%。

通過增加壓力、選用粗糙的磨板提高光磨加工效率，可能會使鋼球表面質量下降，影響熱處理及后序加工。光磨后期降低壓力，雖能改善鋼球表面粗糙度，但可能造成表面疲勞，產生表面剝落、黑點。因此，在現有磨板質量水平條件下，采用2次光磨或光磨+軟磨的工藝更為合理。

4.4 磨球工藝

采用砂輪自動修整技術，保持砂輪溝深略小于球徑的1/2，較未安裝自動修整器的磨球設備，可使砂輪節約50%，磨削效率平均提高30%。

采用砂輪粘接工藝較傳統砂輪嵌焊工藝，可使砂輪報廢厚度由25 mm減小到5 mm以下，砂輪使用率提高近20%。

砂輪轉速和壓力與磨球效率成正比，但轉速達到一定值時，砂輪自銳性將降低，且進、出球紊亂，會破壞球表面質量；壓力過高時，砂輪磨粒未及時發揮磨削作用，即被壓碎或剝落，砂輪損耗較大。正確的操作方法是，適當降低砂輪轉速，增加進球量，提高磨板中球的分布密度并保持球與砂輪間適當的接觸壓力，從而在達到同樣的磨削效率下降低砂輪損耗[12]。

砂輪的耐用度不僅與砂輪的硬度有關，更與砂輪的密度、磨料性能及粒度有關。國內不同廠家的砂輪壽命相差較大，究其原因與砂輪壓力機噸位不足、砂輪密度不夠有關。

金剛石修整塊的使用壽命與金剛石粒度、濃度及包鑲能力有關，質量較差的修整塊雖然價格較低，但壽命甚至不足正常的1/5，且過早剝落的金剛石顆粒會給球面帶來墊傷，使成品鋼球不能正常排出，造成批量廢品。因此，選擇金剛石修整塊必須考慮性價比[7]。

4.5 研磨工藝

采用樹脂砂輪“以磨代研”，可獲得穩定的產品質量，鋼球均勻細密的表面形貌更易于形成油膜，實現軸承運動的全油膜潤滑，保持長期的靜音效果。

采用金剛石微粉磨粒研磨較傳統氧化鉻磨粒更容易獲得良好的表面質量，且工藝成本降低30%[2]。選用不同粒度的金剛石微粉，用于不同的研磨工序。

鋼球加工屬典型的進化加工，當喪失進化條件時，即使再延長加工時間，也無助于精度的改善，因此，采用不同粒度磨料，細化、分解磨研工序，是提高鋼球精度，減少工時費用的有效方案。

4.6 熱處理

淘汰落后產能設備，采用保護氣氛生產線，減小熱處理工序脫碳層，節約材料，降低工時消耗；優化熱處理工藝，確保工藝的穩定性，并在一定范圍內選取工藝溫度和時間的中下限，節約電能；采用水劑淬火介質替代油劑介質，并使用淬火機床，充分發揮其能效[6]；利用熱處理余熱進行工序間清洗劑和冬季磨削介質的加熱。

在鋼球市場競爭日趨激烈的狀況下，提高產品質量與節能降耗是企業生存與發展的必須選擇。這將對企業技術、管理水平不斷提出更高、更細致的要求。

5 結束語

我國鋼球加工工藝已經達到或接近國際先進水平，取得了豐碩的成果，但在工藝管理、質量控制、成套連線管理等方面，仍需進行不斷的研究和開發，以進一步提高鋼球的質量水平，為中國軸承技術進步做出努力。