軸承制造技術(shù)——鋼球的加工

來源：軸承雜志社

鋼球作為滾動(dòng)軸承的關(guān)鍵零件，在軸承中起承載和傳遞載荷與運(yùn)動(dòng)的作用，對(duì)軸承的壽命和振動(dòng)噪聲有較大的影響。

鋼球表面上的任何一點(diǎn)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(yīng)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(gè)表面既是加工面又是支承面，因此鋼球加工技術(shù)也是機(jī)械行業(yè)中非常獨(dú)特、專業(yè)化的，對(duì)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。

目前，國(guó)內(nèi)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(dá)到或接近先進(jìn)水平，管理更趨精細(xì)和完善，規(guī)?；a(chǎn)和經(jīng)營(yíng)凸現(xiàn)，生產(chǎn)總量不斷擴(kuò)大。鋼球質(zhì)量水平: 批量生產(chǎn)公差等級(jí)G5，規(guī)格材料齊全，單粒振動(dòng)達(dá)到26 dB，壽命K值達(dá)到(基本額定壽命試驗(yàn)值 L10t 與基本額定壽命L10之比) 達(dá)到12以上。

1）加工工藝過程

2種主要加工工藝方法：

2）原材料

GCr15線材由于價(jià)位適中，熱處理容易，應(yīng)用Z為廣泛，約占85%以上。其他，如應(yīng)用在與耐久性相比更重視耐蝕性的場(chǎng)合，采用不銹鋼鋼球；飛機(jī)等特殊用途，要求使用優(yōu)于GCr15耐熱性的高速工具鋼（鎢系鋼）及耐熱鋼（M50）等，特殊用途的鋼球通常由于實(shí)施復(fù)雜的熱處理工藝（如高溫淬火、多次回火、冷處理等）材料成本更高，加工成本也較高。

3）工藝裝備

國(guó)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(jī)及高速冷鐓機(jī)，3M49，3M79系列光球機(jī)，3M46，3M76系列磨球機(jī)，3M47，3M77系列研球機(jī)，保護(hù)氣氛熱處理爐，鋼球表面強(qiáng)化機(jī)，基于毛刷清洗與基于高強(qiáng)度海綿旋轉(zhuǎn)擠壓清洗的清洗機(jī)等。檢測(cè)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(xué)、振動(dòng)通道的渦流光電外觀檢查儀。光、磨、研主力加工機(jī)床研磨板直徑為φ300~950(1000)mm，裝球量20~1000 kg，機(jī)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(guó)產(chǎn)高速冷鐓機(jī)質(zhì)量仍不太穩(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(jì)有不少提升，效率仍需要不斷提升;(3)光、磨、研設(shè)備自動(dòng)控制和自動(dòng)化水平需進(jìn)一步提高; (4)鋼球加工工序間清洗、干燥、質(zhì)量控制連線設(shè)備仍缺乏專業(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。

4）質(zhì)量控制方法

國(guó)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(biāo)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行材料選擇；2.鋼球尺寸穩(wěn)定性檢測(cè)與控制；3.鋼球表面強(qiáng)化、表面應(yīng)力控制；4.鋼球表面形貌的檢測(cè)與控制；5.鋼球表面波紋度監(jiān)測(cè)和控制；6.鋼球出貨質(zhì)量確認(rèn)；7.鋼球接觸疲勞壽命試驗(yàn)與控制。

5）接觸疲勞失效

滾動(dòng)疲勞的機(jī)理大致分為內(nèi)部起源型剝落與表面起源型剝落兩類。內(nèi)部起源型剝落主要是由于滾動(dòng)接觸表面下的非金屬夾雜物成為起源引起的剝落，需要通過提高原材料純凈度來應(yīng)對(duì)。表面起源型剝落與滾動(dòng)軸承的使用環(huán)境、潤(rùn)滑狀態(tài)，以及滾動(dòng)接觸滾動(dòng)面上表面狀態(tài)(表面粗糙度及滾動(dòng)面上的傷痕)等直接相關(guān)，其比內(nèi)部起源型剝落的壽命短，軸承損壞的占比更大。表面起源型剝落的應(yīng)對(duì)策略，如對(duì)GCr15鋼球表面實(shí)施碳氮共滲處理，由于碳氮共滲處理成本偏高，更重要的技術(shù)是運(yùn)用普通的整體淬火提高鋼球的表面硬度，使壓痕難以形成，提高存在異物環(huán)境下的耐久性。

6）小結(jié)

鋼球仍需進(jìn)一步提升質(zhì)量作為首要目標(biāo)，采用合理的材料純凈度評(píng)價(jià)方法，從坯料開始徹底進(jìn)行質(zhì)量管理，同時(shí)，從防止不合格產(chǎn)品出廠而言，開發(fā)更高功能的自動(dòng)化外觀檢查儀是必不可少的。此外，為提高耐久性，在要求鋼廠進(jìn)一步提高材料純凈度的同時(shí)，開發(fā)適應(yīng)于應(yīng)用場(chǎng)合的鋼球熱處理技術(shù)等，賦予傳統(tǒng)的GCr15鋼球以各種附加價(jià)值。

近年來，隨著對(duì)軸承應(yīng)用需求的越來越多樣化，高速、高溫等應(yīng)用條件下，用陶瓷球(如Si3N4球)替代鋼球的新材質(zhì)球，目前產(chǎn)量上升趨勢(shì)很快，應(yīng)用需求旺盛，但待解決價(jià)格高這一課題。