张永乾，吴朝阳

(1.中国轴承工业协会技术委员会 滚动体专业委员会，河南 洛阳 471039;2.常州光洋轴承有限公司，江苏 常州 213002)

1 概述

钢球是球体形状的零件，其整个表面既是工作面，又是加工中的基准面和支承面。钢球的加工具有独特的专业化特征，对原材料的质量、工艺水平和加工设备的要求都非常高。

在原材料和工艺技术保持相对稳定和适用的情况下，钢球加工设备直接影响钢球的精度。不同的工艺方法要求不同的加工设备，先进的工艺必须通过先进的钢球加工设备来实现。随着钢球加工设备的不断改进和技术创新，推动了钢球加工工艺水平及加工精度的提高，所以钢球加工设备是钢球加工的关键和基础。

国内钢球加工设备经过50余年的发展，已经成为由专业化生产企业制造、满足所有加工工艺需求和工艺过程、品种齐全的一大类专业设备系列。钢球加工设备按工艺过程可分为8大类。

(1)球坯成形设备：冷镦机，热轧机及冲压机；

(2)钢球光磨设备：立式光球机，卧式光球机；

(3)钢球热处理设备：回转热处理炉，可控气氛热处理线；

(4)钢球表面强化设备：表面强化机；

(5)钢球硬磨设备：立式磨球机，卧式磨球机；

(6)钢球研磨机：立式研磨机，卧式研磨机；

(7)清洗包装设备：超声波清洗机，螺旋清洗机，高压喷射清洗机及涂油包装线；

(8)钢球系列检测仪器：涡流探伤仪，外观检查仪及分选仪等。

专业生产钢球加工设备的企业主要有河南新机股份有限公司(新乡日升公司前身)和安庆机床有限公司等。制造生产Z32系列钢球自动冷镦机、Z32G系列高速钢球自动冷镦机；3M7466，3ML4980，3M4980，3M7980钢球光球机，3M7990，3M7995卧式大球光球机；3M7166，3ML4680，3M4680，3M7680，3M7690钢球磨球机；3M7266，3ML4780，3M7780，3M7790钢球研球机，3M77系列L型低重心结构卧式钢球树脂砂轮磨研机；还有钢球涡流探伤机、钢球超声波清洗机、热处理炉、热轧钢球球坯专用生产线以及钢球研磨板、研磨液、专用砂轮和金刚石修整器等。

2 钢球基本加工工艺与加工设备进展

1950—1960年我国主要模仿前苏联的钢球加工工艺和加工设备；1970年完成以光磨工艺替代锉削与软磨工艺的攻关，并同期研制出3M4630卧式钢球磨球机和3M4930卧式钢球光球机；1980年完成大循环水剂精研工艺攻关，研发出3M4730立式钢球精研机和3ML4780立式钢球研球机，使我国钢球制造水平和质量得到大幅度提高，满足了低噪声轴承的装配需要，但与国外钢球质量仍有较大差距；1990年钢球行业瞄准国际钢球先进水平，从钢球加工工艺的各个方面进行仔细研究，推广钢球树脂砂轮磨研(以磨代研)新工艺。河南新机股份有限公司研制出的3M77系列适合树脂砂轮磨研工艺的研磨机使钢球批量质量稳定性得到大幅度提高，表面质量明显改善，钢球单粒振动进一步降低，和轴承合套率明显提高，特别是在消除轴承异常声方面效果显著。真正实现了G5钢球稳定、批量的定制生产，使钢球几何精度达到国际先进水平。

随着钢球加工设备的发展，目前国内钢球的基本加工工艺过程为：原材料检查 → 冷镦(热镦、热轧、切料、冲压) → 光磨 → (软磨)→热处理 → 硬磨 → (表面强化) → 初研 (细磨)→ 精研 (精磨)→(涡流探伤、外观检查)→ 超精研(超精磨)→ (光学外观)→ 清洗防锈 → 成品检查 → 成品包装。在每道工序之间根据需要进行清洗防锈、干燥烘干、挑拣工序缺陷球和质量控制检查，工艺质量控制指标更加严格(如目前硬磨的球形误差控制基本达到了原初研的控制指标)，工艺工装和工艺细节的控制更加完善，对汽车轴承等专用钢球进行100%涡流探伤和光电外观。可以稳定批量生产G5，G10钢球，满足不同轴承的装配要求。

3 钢球加工设备水平

从1949年瓦轴制造出第一台钢球磨球机，生产出中国首批钢球开始，钢球加工设备和加工工艺不断进步和创新。随着1952年从前苏联引进自动冷镦机，国内开始设计开发制造钢球自动镦球机、锉球机、磨球机和研磨机。1980年国内先后从德国、日本和美国等引进钢球高速冷镦机、精研设备、热处理设备、清洗设备、涡流探伤设备和钢球加工生产线，推动了钢球设备的创新开发步伐和技术进步，促进了钢球加工工艺水平的不断完善和钢球质量的稳定提高。目前国内所有工序的钢球加工设备全部实现国产化，光、磨、研设备的制造精度和综合性能达到国际同类产品的先进水平。可加工钢球直径0.5～200 mm，装球量200～1 000 kg，设备主轴运转径跳和端跳达到0.008 mm，采用了自动加压保压系统、交流变频调速系统和滚动直线导轨等先进技术，保证设备的工作性能和稳定性。用国产设备制造的钢球尺寸精度、振动及稳定性与日本AKS公司的钢球质量水平相当，已能为世界著名轴承公司SKF，INA，KOYO，NTN和TIMKEN等配套高精度钢球。

河南新机股份有限公司生产钢球光、磨、研全系列加工设备，球板直径400～950 mm，达9种之多，品种近40个，成为国内最大、系列最全的钢球加工工艺设备制造企业，产品出口美国、德国、日本、韩国、印度、台湾等国家和地区。近年开发制造的设备主要有：3M7466立式钢球光球机、3M7980A卧式钢球光球机、3M7995卧式大球光球机；3M7166立式钢球磨球机、3M4680C卧式钢球磨球机；3ML4780C立式钢球研球机、3M7266立式钢球研球机、3ML4775立式钢球研球机、3M7780A/XX卧式钢球研球机、3M7790A，3M7795/XX和3M7790/XX卧式大球研球机。尤其是卧式L型低重心3M77系列采用树脂砂轮以磨代研钢球研磨机，一直以来以精度高、质量稳定而在钢球行业享有盛誉，随着该工艺技术的广泛推广与应用，实现了G5低噪声钢球的大批量稳定生产。近几年在此基础上又对加工大球的卧式90，95系列的光、磨、研设备进行了强势开发，无齿轮传动、恒压加工、变频调速、整体桥板、大装球量及降噪等新技术、新结构用于该类设备的研制，在钢球行业成功推广并得到认可。与此同时，率先在立、卧式钢球设备上采用交流变频技术，使得加工过程中主轴转速及对应的工作压力实现平滑转化，提高了钢球加工质量。

安庆机床有限公司生产的光、磨、研钢球加工设备中3M49，3M79系列钢球光球机体现出独特的设计和制造技术，具有良好的加工效率和可靠性。2008年成功开发了3M77系列钢球研磨机，使用了光栅定位及自车盘装置，保证了设备的定位精度和精度保持性。

上海崇明机床厂制造磨、研加工系列设备，尤其是在3M77系列钢球研磨机制造方面有独到的工艺技术，制造的3M7790大球加工设备的刚性和效率都比较高，并与德国SMS公司共同研发钢球精研机，向德国出口。齐齐哈尔机床厂及济南顺达机械有限公司等制造冷镦设备。上海征佳公司专业制造研磨设备。

日本在我国的独资公司已采用我国生产的钢球加工设备，但是应该看到，在高速冷镦机的开发制造和可靠性以及相关设备的技术水平等方面与国外仍有较大差距，还需要不断技术创新，以满足钢球行业的需要。

4 钢球加工设备

4.1 冷镦、热轧球设备

冷镦、热镦、热轧球设备可实现球坯快速高效成形，已经形成了Z32系列。

4.2 光球设备

光球设备对冷镦、热镦、热轧球坯进行高效加工，保证钢球具有一定的留量、尺寸精度和表面质量，形成了3M49和3M79系列，机床结构有立式和卧式2种。

3ML4980立式钢球光球机采用大循环加工，主传动机械变速，下盘转动，上盘移动，工作压力由液压加压，弹簧保压，环形输球料盘采用变频无级调速，有“断流”保护装置，故障自动报警系统。球板直径800 mm，装球量400 kg，符合后续加工节拍，光球精度可达到球形误差20 μm，批直径变动量40 μm，表面粗糙度Ra为6.3 μm。

80，90，95系列卧式钢球光球机采用卧式布局，倾斜料盘大循环加工，变频无级调速，液压驱动加压，蓄能器保压，主轴转速由双速电动机控制，有“断流”保护装置。球板直径800～950 mm，装球量350～1 000 kg，符合后续加工节拍，光球精度可达到球形误差20 μm，批直径变动量40 μm，表面粗糙度Ra为6.3 μm。

4.3 硬磨设备

硬磨设备对热处理后的球坯进行高效加工，保证钢球具有一定的留量、尺寸精度和表面质量，形成了3M4680和3M76系列，机床结构有立式和卧式2种。

3ML4680立式钢球磨球机采用大循环加工，主传动机械变速，下盘转动，工作压力由液压加压，弹簧保压，环形输球料盘采用变频无级调速，砂轮自动修整，故障自动报警系统。球板直径800 mm，装球量350 kg，符合后续加工节拍，磨球精度可达到球形误差3 μm，批直径变动量6 μm，表面粗糙度Ra为0.4 μm。

3M4680C卧式钢球磨球机采用卧式布局；主轴采用变频调速；倾斜料盘或平料盘大循环加工，变频无级调速；液压驱动偏心加压，常开式液压站连续供油保压；主轴设有闷车保护；砂轮自动修整，故障自动报警系统。球板直径800 mm，装球量400 kg，符合后续加工节拍，球形误差可达到3 μm，批直径变动量6 μm，表面粗糙度Ra为0.4 μm。

4.4 表面强化设备

表面强化是把钢球装入直径为1 m左右、带有提升斗的卧式滚筒机中，提升斗将热处理后的钢球提升至筒内最高处落下，利用钢球落下的动能使钢球相互碰撞，在表面产生弹塑性形变，形成冷作硬化层和压应力。由此可使表面强化层硬度提高1～3 HRC，钢球耐磨性提高1.5～2倍。

4.5 研磨设备

研磨设备对硬磨后的钢球进行最终工序加工，保证成品钢球的形状尺寸精度和表面质量，是发展较快的机床，也是近年钢球行业开发的重点，形成了3M7266，3ML4780，3M7770和3M7780系列，机床结构有立式和卧式2种。

立式钢球研磨机3ML4780C采用大循环加工，主传动变频无级调速，下盘转动，工作压力由液压偏心加压，弹簧保压，环形输球料盘采用变频无级调速，采用水剂研磨，故障自动报警系统。球板直径800 mm，装球量250 kg，符合加工节拍，研磨球精度等级可达到G5～G10。

卧式钢球研球机3M7780A采用卧式布局，L型低重心床身；加压与滑动机构相分离，滚动直线导轨定位；平料盘大循环加工，主轴和料盘变频无级调速；由变量泵控制的常开式液压站连续供油保压；主轴设有闷车保护，电气PC控制，故障自动报警系统。球板直径800 mm，装球量250～400 kg，符合后续加工节拍，研磨球精度等级可达到G5～G10。

树脂砂轮磨研工艺是1990年发展的钢球加工新工艺，保证钢球表面质量均匀性和降低钢球振动值，实现钢球加工定时、定尺寸、定精度的定制制造工艺规范。为适应钢球树脂砂轮磨研加工工艺，开发了3M7766，3M7770和3M7780A等系列卧式机床。机床采用敞开式、高-低结合、低重心L型整体结构；主轴结构独具特色，转动盘的端面跳动与径向跳动在0.01 mm以内，甚至可以达到0.005 mm；加压与滑动机构相分离，固定板架完全固定，主轴头架移动采用重预紧零间隙的滚动直线导轨；后部由与之相联的油缸驱动加压，克服了由于油缸定位造成两盘平行度在加压和不同位置时的变化，保证机床重复定位精度；独特的转动研磨板与固定研磨板调心机构；主轴与料盘传动系统采用变频无级调速，也为使用铸铁板研磨或者树脂砂轮研磨有不同工艺转速的选择；机床的进球口部位、主传动皮带轮处以及料盘旋转部位均设有监控装置，出现故障整机停机报警；电气系统采用PC机控制，保证电气控制系统性能和设备运行的可靠性和稳定性。磨研球加工精度等级稳定达到G5。

4.6 钢球加工设备联线配置

随着我国轴承产量的增加，同规格的钢球需求量可达到上亿粒，这就为钢球联线设备配置生产提供了可能。一般配置方法为：1台高速冷镦机、1台光球机、1台磨球机和3～6台研磨机(包括初研、精研和超精研工序)组成软联线，常年进行一种规格钢球的生产，可保证钢球质量的稳定性，同时也较大幅度地减少了磨具消耗，利于管理和降低制造成本。

4.7 钢球加工主要工磨具

钢球加工所需的工磨具主要包括铸铁研磨板、专用砂轮(树脂砂轮)、研磨液、磨料、金刚石修整器、冷镦模及切料刀板套筒等，目前已经形成专业化生产。但国内在铸铁超精研板、树脂砂轮和树脂砂轮研磨液等方面与国外仍有较大差距，还需进一步研发。

5 发展趋势

钢球的光、磨工序仍处于高能耗、高噪声及低环保状况，已不符合国家的环保发展要求。高效节能、低噪声的钢球光、磨设备应是今后设备制造企业的努力方向，研球机的加工要求采用CNC技术、智能化远程控制技术和在线测量技术，以实现自动控制，将钢球加工精度稳定提高到G3水平。目前河南新机股份有限公司已走在国内同行的前面，与钢球制造企业联手协作开发了新型的节能、低噪声钢球光、磨设备和数控研球加工设备。相信在未来我国钢球加工设备更新换代的速度会更快。

6 设备的需求

随着轴承行业的发展，我国钢球行业也得到了飞跃式提升，特别是近20年取得了显著成果，每年新增产能达到20%以上，质量稳步提高。钢球行业的发展极大地促进了钢球设备的旺盛需求，近年来高档钢球加工设备的需求量以年均30%以上的速度递增。根据轴承行业“十二五”发展规划，预计钢球加工设备需求的递增要持续10年以上，2009年全行业新增高档设备100余台，2011年市场需求量可达2 000台左右，到2015年全行业需求高档加工设备将达3 000台以上。

钢球加工设备产业集中度高，河南新机股份有限公司、安庆机床有限公司、上海崇明机床厂、上海群英机械有限公司和齐齐哈尔机床厂等主要设备制造企业的产品占到市场份额的90%以上，其中河南新机股份有限公司作为轴承行业的骨干企业之一，多年来与专业研究机构和富有创新精神的钢球生产企业密切合作，紧跟世界钢球加工先进技术，销售收入一直雄踞行业榜首，市场占有率稳定在50%以上。

7 结束语

为实现我国由轴承大国向轴承强国的转变，钢球加工设备还应在如下方面进一步加强：(1)高速自动冷镦机的稳定批量生产；(2)涡流探伤机的研制；(3)光学外观机的研制；(4)钢球清洗机的研制；(5)钢球加工设备的联线合理配置；(6)钢球加工设备在线测量和数控技术的研制。总之，钢球加工设备需要紧跟国际先进水平，并持续创新，为钢球和轴承行业的技术进步作出更大贡献。