探索 | 球磨機(jī)140周年：軸承滾珠的制造藝術(shù)

形狀完美的鋼球作為軸承的滾動(dòng)體，其制造精度可以達(dá)到微米級(jí)：這一卓越制造工藝的出現(xiàn)可以追溯到140年前。1883年，用于鋼球制造的專用設(shè)備——球磨機(jī)被發(fā)明出來(lái)，開(kāi)啟了滾動(dòng)軸承的工業(yè)化旅程。今天，滾動(dòng)軸承已成為機(jī)器精確運(yùn)轉(zhuǎn)和平穩(wěn)加速的關(guān)鍵機(jī)械元件。

滾動(dòng)能夠程度地減少摩擦，這也是滾動(dòng)軸承的基本原理，簡(jiǎn)單而巧妙。滾動(dòng)軸承自被發(fā)明以來(lái)，其基本結(jié)構(gòu)沒(méi)有太大變化：由一個(gè)外圈、一個(gè)內(nèi)圈和一個(gè)保持架構(gòu)成，保持架負(fù)責(zé)保持住滾珠并將其均勻地隔離開(kāi)。1794年，英國(guó)發(fā)明家菲利普•沃恩（Philip Vaughan）獲得了球軸承的發(fā)明專利。在他的設(shè)計(jì)中，滾珠在深槽中滾動(dòng)，并用塞子封住?？梢哉f(shuō)，這個(gè)現(xiàn)代球軸承的“鼻祖”與今天的球軸承在結(jié)構(gòu)上并沒(méi)有什么不同。沃恩將其用在馬車車軸上，這在當(dāng)時(shí)可謂一種別出心裁的設(shè)計(jì)。

今天，球軸承早已成為全球用量達(dá)到數(shù)十億的標(biāo)準(zhǔn)部件，大部分用于汽車、飛機(jī)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、起重機(jī)等領(lǐng)域。牙科電鉆和電腦硬盤中也有球軸承的身影，這些尺寸極小的部件默默無(wú)聞，“不辭辛勞”地工作著。球軸承還廣泛應(yīng)用于吸塵器、拉桿箱、轉(zhuǎn)盤或食品加工機(jī)中，確保設(shè)備實(shí)現(xiàn)精確穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。據(jù)專家估算，目前有超過(guò)10萬(wàn)種不同設(shè)計(jì)和型號(hào)的球軸承。除此之外，還有許多不采用滾珠的軸承，如滾針軸承、調(diào)心滾子軸承、圓柱滾子軸承、滑動(dòng)軸承、直線軸承和推力軸承等。簡(jiǎn)而言之，沒(méi)有這些默默無(wú)聞的“幕后英雄”，世界將會(huì)停滯不前。

球磨機(jī)：球軸承革命性突破

球軸承的核心部件是滾珠，在專業(yè)術(shù)語(yǔ)中，這些滾珠也被稱為滾動(dòng)體。它們直接關(guān)系到軸承的運(yùn)行穩(wěn)定性。盡管沃恩發(fā)明的球軸承在馬車車軸應(yīng)用中與以往滑動(dòng)軸承相比是一項(xiàng)重大技術(shù)突破，但是，軸承采用手工磨制的鑄鐵鋼球，與精密制造的產(chǎn)品相比仍存在巨大差距。這些鋼球必須通過(guò)手工費(fèi)力地去除毛邊，然后打磨成盡可能圓的形狀。

過(guò)去，球坯是鑄造而成的。今天，得益于先進(jìn)的制造技術(shù)，被切割成小塊的金屬線材在幾分之一秒內(nèi)就能壓制出球坯

此外，與今天的球軸承相比，沃恩發(fā)明的球軸承在運(yùn)行中往往吱嘎作響，很難算得上平穩(wěn)運(yùn)行。這一技術(shù)瓶頸的突破，要?dú)w功于一位名為弗里德里希•費(fèi)舍爾（Friedrich Fischer）的德國(guó)人的一項(xiàng)發(fā)明。1883 年，這位來(lái)自德國(guó)施韋因富特的鎖匠和車工在他的作坊里經(jīng)過(guò)多年的修補(bǔ)之后，用他自己研制的球磨機(jī)，成功做出了第一個(gè)可實(shí)現(xiàn)工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)的淬火鑄鐵鋼球。這些鋼球不僅大小完全相同，而且達(dá)到了完美的圓形。

舍弗勒球軸承小知識(shí)

1883年：弗里德里希•費(fèi)舍爾發(fā)明球磨機(jī)

1890年：弗里德里希•費(fèi)舍爾發(fā)明的球磨機(jī)獲得（德國(guó)）帝國(guó)專利局專利（專利號(hào)55783）

軸承滾動(dòng)體的主要材料是鋼和陶瓷。鋼球尺寸通常在1至100毫米之間，陶瓷球尺寸在3至50毫米之間。滾動(dòng)軸承主要應(yīng)用于航空航天、工業(yè)和汽車等領(lǐng)域。

球磨機(jī)：1883年球磨機(jī)模型的復(fù)制品，原型目前陳列于慕尼黑的德意志博物館中

滾珠制造技術(shù)今非昔比

<<軸承滾珠生產(chǎn)工藝對(duì)比  >>

費(fèi)舍爾采用了一種用于大理石打磨的工藝，在他的操作中實(shí)現(xiàn)了低至20微米的精度，這是以前從未達(dá)到過(guò)的水平。對(duì)比來(lái)看，中歐人的頭發(fā)直徑約為70-80微米。1890年，球磨機(jī)獲得專利，為球軸承帶來(lái)了全球性的技術(shù)突破——采用費(fèi)舍爾球磨機(jī)制造的精密滾動(dòng)體，球軸承運(yùn)轉(zhuǎn)起來(lái)更加平順，因?yàn)殇撉蛟浇咏硐氲膸缀涡螤?，產(chǎn)生的摩擦阻力就越小。

今天，舍弗勒生產(chǎn)的軸承滾珠甚至可以達(dá)到幾微米的精度。對(duì)于肉眼來(lái)說(shuō)，這些銀光閃閃的鋼珠表面質(zhì)量的微小差異是無(wú)法察覺(jué)的——這不僅是因?yàn)殇撝榈谋砻婀饣瑹o(wú)瑕，還因?yàn)樯a(chǎn)速度實(shí)在是太快了：轟隆運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)器一秒鐘就可以噴出大量鋼珠。與滾珠生產(chǎn)領(lǐng)域的先驅(qū)費(fèi)舍爾所處時(shí)代不同，鑄鐵技術(shù)在無(wú)處不在的滾動(dòng)體生產(chǎn)中早已被淘汰。今天，滾珠作為軸承生產(chǎn)中具挑戰(zhàn)性的部件，無(wú)論大小，都是通過(guò)七個(gè)步驟生產(chǎn)出來(lái)的：線切割、冷鐓、去毛刺、淬火、磨削、預(yù)研磨和后研磨。

傳感器軸承

長(zhǎng)期以來(lái)，滾動(dòng)軸承基本結(jié)構(gòu)都大致相同。隨著傳感器軸承的出現(xiàn)，情況發(fā)生了變化。這類軸承可為機(jī)器和過(guò)程監(jiān)控提供多種監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，作為機(jī)械和電子系統(tǒng)之間的連接紐帶，可實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0解決方案。通過(guò)傳感器獲得的轉(zhuǎn)速、溫度或力負(fù)荷等數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)組件的遠(yuǎn)程監(jiān)控。信號(hào)曲線的明顯變化可以預(yù)測(cè)將要發(fā)生的故障，避免整臺(tái)設(shè)備出現(xiàn)停機(jī)，造成高昂的損失。此外，連續(xù)數(shù)字監(jiān)控還能夠幫助延長(zhǎng)設(shè)備的維護(hù)周期。

球軸承滾珠的極限挑戰(zhàn)

電機(jī)軸承中的鋼球磨損相對(duì)較快，此類應(yīng)用也開(kāi)始采用陶瓷球。陶瓷球由陶瓷粉末制成，壓制成型后進(jìn)行燒結(jié)。陶瓷是一種絕緣材料，不會(huì)受到電流侵蝕。即使沒(méi)有潤(rùn)滑油膜，陶瓷球軸承的使用壽命也比鋼球軸承稍長(zhǎng)，且軸承不會(huì)受到損壞。但是，由于生產(chǎn)成本較高，陶瓷球的成本約為鋼球的十倍，但維護(hù)周期長(zhǎng)。因此，陶瓷球通常用于風(fēng)力渦輪機(jī)軸承，有助于降低風(fēng)機(jī)維護(hù)起重機(jī)的高昂費(fèi)用。

圓度為160納米的舍弗勒Triondur-C涂層鋼球

21.26米

這是舍弗勒?qǐng)A鋼球的滾動(dòng)距離。這一重500克、直徑5厘米的高精密鋼球在日本一檔名為 “手工vs高科技 ”的電視節(jié)目中創(chuàng)下了這一紀(jì)錄。正如節(jié)目名稱顯示的那樣，舍弗勒?qǐng)F(tuán)隊(duì)向橫濱一家手工工廠制作的玻璃球發(fā)起挑戰(zhàn)。圓度達(dá)到160納米的舍弗勒Triondur-C涂層鋼球不敵日本工廠的玻璃球，后者的成績(jī)?yōu)?0米，但舍弗勒的鋼球依然創(chuàng)造了一項(xiàng)紀(jì)錄。結(jié)果也在意料之中：玻璃球重量較輕，加上滾道的形狀都使其優(yōu)勢(shì)更為明顯。

舍弗勒專家向日本電視攝制組介紹高精密軸承球的優(yōu)點(diǎn)和技術(shù)細(xì)節(jié)

完美的滾珠從鋼絲開(kāi)始，線材纏繞在大軋輥上，然后放在壓球機(jī)上，送入機(jī)器切斷。隨后，兩個(gè)半球形模具以大約10公噸的力相互擠壓，使線材形成球狀，從而得到帶有所謂土星環(huán)和桿的坯件。在下一道去毛刺工序中，這些不規(guī)則部分被去除，球體變得更加圓滑。然后，將未完成的球放入熔爐中加熱硬化，然后再放入油中冷卻。這將使球體以更加堅(jiān)固的方式排列球體的原子結(jié)構(gòu)。在研磨過(guò)程中，無(wú)論是預(yù)研磨還是后研磨，球體是采用陶瓷甚至金剛石粉末等高科技材料加工的。為保證質(zhì)量，鋼球在專門的測(cè)量室中隨機(jī)抽取檢測(cè)，包括球的圓度和粗糙度。然后是清洗，對(duì)每個(gè)球進(jìn)行表面檢測(cè)，臨末是包裝。

作者：Denis Dilba

摘自：舍弗勒集團(tuán)技術(shù)期刊tomorrow