滾動體加工工藝技術與裝備發展方向

張永乾

(1.中國軸承工業協會技術委員會，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，因此鋼球加工技術是機械行業中最獨特、最專業化的，對原材料、工藝技術、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近年來發展迅速，鋼球工藝技術水平、裝備水平、質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，規模化生產和經營凸現，生產總量不斷擴大。鋼球質量水平：批量生產公差等級G5，規格材料齊全，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。

隨著我國軸承行業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新方面與國外仍有很大差距，對滾動體質量提出了更高的要求。考慮原材料、工藝制造成本、員工流動及人工成本的不斷攀升，滾動體生產制造過程中，生產效率、批質量穩定性與可靠性、生產過程有效控制、質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工藝裝備與技術發展方向，以期實現滾動體行業工藝裝備及工藝理念的突破，促進滾動體質量水平、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 鋼球加工工藝現狀

1.1 鋼球加工工藝過程

國內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、研磨液質量的不斷提高，使得新技術和新工藝在鋼球加工過程中得到良好的應用，形成了2種主要加工工藝過程：一是鋼球水劑大循環加工工藝，二是樹脂砂輪磨研工藝。

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→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為主，極少量從日本、韓國進口，除少數廠家有煉鋼能力外，國內分布上百家鋼絲廠，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，鋼絲質量參差不齊。有規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保書，而相當數量的鋼球廠只檢驗鋼絲的尺寸、外觀、盤重等，鋼材的內在質量主要依賴鋼廠的質保書。

需要引起重視的問題：(1)鋼球制造企業需編制“鋼球用軸承鋼絲技術條件”作為驗收軸承鋼絲的質量文件；(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量驗收；(3)培養和引進材料專業技術人才，控制原材料質量和熱處理質量。

1.3 鋼球工藝裝備水平

國內已經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擠壓清洗的清洗機等；檢測設備主要有基于視覺系統的鋼球表面質量外觀檢查儀，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)國產高速冷鐓機質量仍不穩定，可靠性較差，冷鐓模具質量偏低；(2)光、磨、研設備一般為通用設備，專線化專業布局設計較差，造成設備能力沒有充分發揮，效率低、能耗高；(3)光、磨、研設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、質量控制連線設備缺乏專業布局和生產；(5)鋼球成品清洗設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 鋼球質量控制方法

國內鋼球質量控制已經形成了一整套的方法，質量指標和方法主要為：原材料質量、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)原材料質量控制和根據鋼球用途進行材料選擇；(2)鋼球尺寸穩定性檢測與控制；(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)鋼球表面波紋度監測和控制；(6)鋼球出貨質量確認；(7)鋼球接觸疲勞壽命試驗與控制。

2 鋼球質量控制及技術方向

2.1 鋼球質量控制指標和方法

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

2.1.1 鋼球表面波紋度的監測和控制

鋼球表面波紋度的監測方法和技術指標一直沒有統一的認識，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，應該重點加強監測評價。

鋼球表面波紋度的成因同樣沒有形成統一的認識，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周期性的原因，也給鋼球表面波紋度的監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測與控制，在加工機床和工作環境確定的情況下，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)使用質量更好的研磨板；(4)盡量去除機床周圍的振動源；(5)設定的工藝參數應避開機床共振點；(6)向鋼球加工裝備制造廠提出設備精度要求。

2.1.2 鋼球尺寸穩定性

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

鋼球尺寸穩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，較多企業通過測量硬度梯度控制鋼球表面強化，部分企業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，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。許多鋼球企業沒有X射線應力分析儀檢測設備，仍需要加強鋼球表面強化后表面應力的檢測和分析，依據鋼球表面應力確定每種規格鋼球表面強化工藝。各種規格鋼球具體的表面殘余應力控制指標還需要結合壽命試驗結果確定。

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，目視難以發現鋼球的磕碰痕，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、檢查等所有環節，盡量減少磕碰的發生。

2.2 鋼球工藝裝備

2.2.1 專線專業化鋼球制造線

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

2.2.2 數控化與自動控制

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

鋼球加工設備的數控化需要從加載方式、主軸系統、控制參數、機床布局等方面進行整體設計，避免僅在現有基礎上的功能添加，應該以全新的理念、創新的思維滿足鋼球加工工藝的實現。

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，工藝過程設備比較缺乏，為了保證鋼球的加工效率和質量，需要開發工藝過程中的連線設備，包括智能傳輸設備、清洗烘干設備及質量檢查設備等。

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，對鋼球質量水平的影響逐步由加工工藝轉向理念、管理、裝備、工裝等方面，首先是企業的理念和定位，創新理念可以讓企業發展得更長遠、更持久；而定位于低端市場，企業也不可能制造出高精度、高質量產品。其次是管理，鋼球的制造可以說是納米精度的制造技術，需要一個穩定的系統保證產品質量，穩定的系統來自精細化管理，因為任何細節都會對成品質量造成決定性影響。裝備和工裝組成一個系統，需要進行標準化，重視工裝的加工精度和統一性。加工工藝決定工藝過程的技術要求和指標，是過程實現的依據。環境保護和安全是現代企業必須重點考慮的因素，企業的社會責任和經營成果是創造美好、安全的生活環境。

4 滾子加工裝備及技術方向

4.1 滾子工藝裝備

4.1.1 沖壓成形設備

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 滾子車加工設備

瓦軸使用數控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。可直接熱處理，不需要磨加工，產品質量較高；穴大小一致，平整光滑，倒角圓滑過渡；可1人多機生產。煙臺富士通機床有限公司提供雙軸車加工設備，加工圓錐滾子可一次成形，直接進行熱處理。

4.1.3 3MZ4650數控滾子球基面磨床

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，滾子轉動平穩，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，是目前生產較大直徑滾子的較好設備。

4.1.4 外徑面、端面一次成形復合磨床

國內剛興起外徑面、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180°，使另一端面朝向砂輪，滾子繼續轉動，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；磨削加工次數多，效率降低。

4.2 滾子加工技術發展方向

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

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

(3)引進設備、改進工藝的思路比較流行。瓦軸、洛軸、襄軸等企業逐步加大引進國外設備，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。國內設備廠家對軸承滾子加工設備的研究開發力度加大，如險峰機床廠開始改進XF004A、開發3M6050等滾子高精度磨床。

5 結束語

(1)我國鋼球工藝技術水平、裝備水平、質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測和控制、鋼球尺寸穩定性、鋼球表面的表面應力、鋼球表面磕碰痕等質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的穩定性，鋼球工藝裝備的數控化、自動化和專線化以及連線設備是目前鋼球裝備的發展方向。

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