张永乾

(1.中国轴承工业协会技术委员会，河南 洛阳 471039；2.洛阳轴研科技股份有限公司，河南 洛阳 471039)

滚动体作为滚动轴承的关键零件，在轴承中起承载和传递载荷与运动的作用，对轴承的寿命和振动噪声有较大的影响。

由于钢球表面上的任何一点都是承受载荷的工作面，承受周期不定的变载荷，接触面积小，接触应力大，钢球受力条件比较恶劣，极易产生疲劳破坏。钢球整个表面既是加工面又是支承面，因此钢球加工技术是机械行业中最独特、最专业化的，对原材料、工艺技术、加工装备、工装磨具、研磨液等要求非常高。轴承滚子在轴承中承受较大的应力，滚动面及端面(球基面)都是工作面，要求加工精度达到很高水平。

我国滚动体制造技术近年来发展迅速，钢球工艺技术水平、装备水平、质量控制水平以及工装磨具水平都已达到或接近国际先进水平，管理更趋精细和完善，规模化生产和经营凸现，生产总量不断扩大。钢球质量水平：批量生产公差等级G5，规格材料齐全，单粒振动达到26 dB，寿命K值(基本额定寿命试验值L10t与基本额定寿命L10之比)达到12以上。滚子加工水平相对较低，还不能批量制造Ⅰ级滚子，Ⅱ级滚子也仅有部分厂家能够批量生产。

随着我国轴承行业从制造大国向制造强国迈进，在轴承寿命可靠性、滚子轴承减振降噪等自主创新方面与国外仍有很大差距，对滚动体质量提出了更高的要求。考虑原材料、工艺制造成本、员工流动及人工成本的不断攀升，滚动体生产制造过程中，生产效率、批质量稳定性与可靠性、生产过程有效控制、质量过程控制和确认等问题越来越突出，分析探讨滚动体行业工艺装备与技术发展方向，以期实现滚动体行业工艺装备及工艺理念的突破，促进滚动体质量水平、管理水平、工艺装备水平、工艺水平、工装模具水平等的较大提升。

1 钢球加工工艺现状

1.1 钢球加工工艺过程

国内钢球行业随着工艺思想和理念的不断创新，新型钢球加工装备的开发，以及工装磨具、研磨液质量的不断提高，使得新技术和新工艺在钢球加工过程中得到良好的应用，形成了2种主要加工工艺过程：一是钢球水剂大循环加工工艺，二是树脂砂轮磨研工艺。

水剂大循环加工工艺过程为：原材料采购(入厂检验)→冷镦→光磨→(软磨)→热处理→强化→硬磨→初研→精研→超精研→清洗→外观检查→防锈包装→库存。

树脂砂轮磨研加工工艺过程为：原材料采购(入厂检验)→冷镦→光磨→(软磨)→热处理→强化→硬磨→粗磨→细磨→精磨→清洗→外观检查→防锈包装→库存。

1.2 钢球原材料

钢球的原材料钢丝主要以国产为主，极少量从日本、韩国进口，除少数厂家有炼钢能力外，国内分布上百家钢丝厂，大部分为改制拉丝厂，能较好地控制钢丝的尺寸精度，但所用原钢来源渠道复杂，钢丝质量参差不齐。有规模钢球厂对钢材的显微组织、组织、尺寸、外观、盘重等进行检验，化学成分基本按照钢厂的质保书，而相当数量的钢球厂只检验钢丝的尺寸、外观、盘重等，钢材的内在质量主要依赖钢厂的质保书。

需要引起重视的问题：(1)钢球制造企业需编制“钢球用轴承钢丝技术条件”作为验收轴承钢丝的质量文件；(2)具备理化检验试验条件时，需对原材料轴承钢丝进行入厂质量验收；(3)培养和引进材料专业技术人才，控制原材料质量和热处理质量。

1.3 钢球工艺装备水平

国内已经形成了一整套的主力钢球加工工艺装备，包括Z32，Z32G系列钢球冷镦机及高速冷镦机，3M49，3M79系列光球机，3M46，3M76系列磨球机，3M47，3M77系列研球机，保护气氛热处理炉，钢球表面强化机，基于毛刷清洗与基于高强度海绵旋转挤压清洗的清洗机等；检测设备主要有基于视觉系统的钢球表面质量外观检查仪，基于涡流探伤原理附带光学、振动通道的涡流光电外观检查仪。光、磨、研主力加工机床研磨板直径为φ300～950(1 000)mm，装球量20～1 000 kg，机床加工精度可满足G5钢球的要求。

需要引起重视的问题：(1)国产高速冷镦机质量仍不稳定，可靠性较差，冷镦模具质量偏低；(2)光、磨、研设备一般为通用设备，专线化专业布局设计较差，造成设备能力没有充分发挥，效率低、能耗高；(3)光、磨、研设备自动控制和自动化水平需提高，加工效率需整合；(4)钢球加工工序间清洗、干燥、质量控制连线设备缺乏专业布局和生产；(5)钢球成品清洗设备适用性及清洗可靠性需提升；(6)钢球成品外观检查仪器仍需完善，提高可靠性。

1.4 钢球质量控制方法

国内钢球质量控制已经形成了一整套的方法，质量指标和方法主要为：原材料质量、尺寸及尺寸精度、热处理硬度及金相组织、表面缺陷。随着钢球加工工艺及加工装备的完善，各钢球制造企业在尺寸及尺寸精度、热处理硬度等方面基本都能满足标准要求，还需要引起重视的问题：(1)原材料质量控制和根据钢球用途进行材料选择；(2)钢球尺寸稳定性检测与控制；(3)钢球表面强化、表面应力控制；(4)钢球表面形貌的检测与控制；(5)钢球表面波纹度监测和控制；(6)钢球出货质量确认；(7)钢球接触疲劳寿命试验与控制。

2 钢球质量控制及技术方向

2.1 钢球质量控制指标和方法

在保证钢球满足GB/T 308—2002《滚动轴承 钢球》规定的尺寸及尺寸精度、热处理硬度和金相组织等的基础上，还需要加强以下几方面质量的控制。

2.1.1 钢球表面波纹度的监测和控制

钢球表面波纹度的监测方法和技术指标一直没有统一的认识，但在钢球的尺寸精度、球形误差等指标符合标准的情况下，对影响钢球在套圈中周期运动和瞬间运动轨迹的表面波纹度，应该重点加强监测评价。

钢球表面波纹度的成因同样没有形成统一的认识，这是由于钢球成圆加工过程运动的复杂性，使钢球的表面波纹度成因复杂、表述困难，但可以确定，钢球表面波纹度是由于钢球加工过程中周期性(或随机)不均匀切削造成的。造成钢球周期性不均匀切削的原因有以下几方面：

(1)加工机床主轴旋转精度差，径向跳动及端面跳动过大，钢球在磨板沟槽中受力不均，造成钢球切削不均匀(周期性)，虽然在以后的切削过程中会逐步改善，但这种不均匀会保留到成品。

(2)研磨板沟槽与主轴同心度差。

(3)对于卧式机床，转动板与固定板同轴度较差。

(4)研磨板硬度和组织不均匀。

(5)研磨板沟槽与定位孔同轴度差。

(6)机床振动及外来振动。

由于钢球加工是不断的修正加工基准、磨板沟槽、吻合度、包络圆切削的过程，每一次切削不均匀都会在以后的加工过程中得以改善，甚至得以修正，但接近加工完成的钢球，切削不均匀一定会保留到成品钢球上。所以这也是钢球表面波纹度呈现较大随机性(偏离理想球形)而不是完全像直径磨削那样呈现周期性的原因，也给钢球表面波纹度的监测和分析造成了困难。

对于钢球制造过程中表面波纹度的监测与控制，在加工机床和工作环境确定的情况下，机床主轴精度、周围振动源和机床布局比较难以改变，但可控制的因素一定要做好，如：(1)保证研磨板沟槽与定位孔的同轴度；(2)保证研磨板径向跳动和端面跳动满足工艺要求，并且加工过程不变化；(3)使用质量更好的研磨板；(4)尽量去除机床周围的振动源；(5)设定的工艺参数应避开机床共振点；(6)向钢球加工装备制造厂提出设备精度要求。

2.1.2 钢球尺寸稳定性

钢球尺寸稳定性与热处理残余奥氏体的含量直接相关，且会影响轴承的装配精度。钢球贮存、使用过程中的尺寸稳定性直接影响轴承精度，因此应将其作为钢球质量控制的一个重要指标。

钢球尺寸稳定性用加速试验钢球尺寸变化率来评定，钢球尺寸变化率=(试验后球平均直径-试验前球平均直径)/试验前球平均直径。

2.1.3 钢球表面强化与表面应力

目前，较多企业通过测量硬度梯度控制钢球表面强化，部分企业采用钢球表面应力控制强化工艺。钢球表面强化一般认为是为了提高表面硬度，而实际强化的主要目的是在钢球表面形成压应力状态，提高钢球的接触疲劳寿命，因此，钢球表面强化的控制指标应该是表面应力。采用硬度指标来控制表面强化是不合理的，容易造成过度强化和欠强化。许多钢球企业没有X射线应力分析仪检测设备，仍需要加强钢球表面强化后表面应力的检测和分析，依据钢球表面应力确定每种规格钢球表面强化工艺。各种规格钢球具体的表面残余应力控制指标还需要结合寿命试验结果确定。

2.1.4 钢球表面磕碰痕

在钢球表面缺陷控制方面，一般钢球制造企业非常重视钢球表面啃伤、擦划伤等，但对钢球搬运、输送、清洗、检查等过程中造成的磕碰痕重视不够。很多情况下，目视难以发现钢球的磕碰痕，尺寸和球形误差检测也不一定能够检测到，但钢球表面已经造成了缺陷，甚至是组织的改变，对轴承性能造成影响。因此，需要在钢球卸料、加工、运输、清洗、检查等所有环节，尽量减少磕碰的发生。

2.2 钢球工艺装备

2.2.1 专线专业化钢球制造线

随着钢球生产批量的加大以及工厂专业制造理念的形成，已经具备了专线生产单一规格钢球的条件，即钢球加工装备专线专业化。首先，钢球厂在设计生产线时应做好专线钢球规格的规划，提出生产目标和要求；其次，钢球加工装备制造厂根据钢球厂的生产目标和要求设计专线，包括机床的配置、型号、功率、工装模具等，最大限度地发挥机床的加工能力、效率、精度以及专线的稳定性，最大限度地降低能耗和生产成本。

2.2.2 数控化与自动控制

钢球加工设备近年来提升很大，对提高钢球质量水平发挥了极大作用，但随着钢球质量稳定性、可靠性要求的进一步提高,需要更加稳定可靠的加工系统，并将人为因素降到最低，因此,钢球加工设备的自动控制还有待进一步提高。

钢球加工设备的数控化需要从加载方式、主轴系统、控制参数、机床布局等方面进行整体设计，避免仅在现有基础上的功能添加，应该以全新的理念、创新的思维满足钢球加工工艺的实现。

2.2.3 工艺过程连线装备

目前，钢球加工过程一般仍以单机操作为主，工艺过程设备比较缺乏，为了保证钢球的加工效率和质量，需要开发工艺过程中的连线设备，包括智能传输设备、清洗烘干设备及质量检查设备等。

3 钢球加工工艺理念

随着钢球加工装备水平、管理水平、工艺水平的提高，对钢球质量水平的影响逐步由加工工艺转向理念、管理、装备、工装等方面，首先是企业的理念和定位，创新理念可以让企业发展得更长远、更持久；而定位于低端市场，企业也不可能制造出高精度、高质量产品。其次是管理，钢球的制造可以说是纳米精度的制造技术，需要一个稳定的系统保证产品质量，稳定的系统来自精细化管理，因为任何细节都会对成品质量造成决定性影响。装备和工装组成一个系统，需要进行标准化，重视工装的加工精度和统一性。加工工艺决定工艺过程的技术要求和指标，是过程实现的依据。环境保护和安全是现代企业必须重点考虑的因素，企业的社会责任和经营成果是创造美好、安全的生活环境。

4 滚子加工装备及技术方向

4.1 滚子工艺装备

4.1.1 冲压成形设备

主要有美国国民和日本坂村2种，美国国民冷镦机为单工位成形，加工精度相对较低；日本生产的PF-440和PF-450为四工位冷镦机，加工滚子外径、长度留量较小。外径留量为0.15 mm，可直接热处理，外径只加工3遍，长度压到成品长度尺寸，热处理后端面球基面加工1次。

4.1.2 滚子车加工设备

瓦轴使用数控CK7506车床加工球面滚子和圆锥滚子，外径留量和长度留量可控制在0.2 mm以内。可直接热处理，不需要磨加工，产品质量较高；穴大小一致，平整光滑，倒角圆滑过渡；可1人多机生产。烟台富士通机床有限公司提供双轴车加工设备，加工圆锥滚子可一次成形，直接进行热处理。

4.1.3 3MZ4650数控滚子球基面磨床

3MZ4650无磁球基面磨床是大连轴承机床厂最新研制开发的自动检测、自动补偿高精度磨床，用于加工球面滚子、圆柱滚子的球基面。其采用双导轮、压轮和支撑板定位，滚子转动平稳，加工精度高，滚子长度散差不大于0.01 mm，端面跳动为4 μm，球基面半径散差不大于5 mm，是目前生产较大直径滚子的较好设备。

4.1.4 外径面、端面一次成形复合磨床

国内刚兴起外径面、端面一次成形磨床，其采用切入磨削方法，适用直径较大滚子的加工。滚子外径面和端面一次磨削完成，滚子端面跳动为2～3 μm，球基面半径散差为1～2 mm。

国外有一种外径面、端面一次成形的数控磨床，该磨床的砂轮和车床一样，从端面到外径一次或几次磨削直接加工出成品，滚子尺寸精度和几何精度可达到Ⅰ级。其工作原理为：滚子通过传送带进入带料盘中，带料盘旋转和第1片砂轮接触磨削一个端面，磨削完成后滚子在高压水作用下从带料盘中推出进入U形管道，将滚子翻转180°，使另一端面朝向砂轮，滚子继续转动，进入第2片砂轮磨削另一端面。该机床加工滚子表面粗糙度Ra达0.08 μm，端面跳动达2～3 μm。由于对工装精度要求极高，目前国内具备此加工能力的厂家很少。

4.1.5 新材料滚子冷冲压模具

目前国内冷冲压模具总体水平不高，存在的主要问题是：模具寿命短，变形量大；同一批滚子直径尺寸散差达0.5 mm以上，造成磨加工滚子尺寸精度和几何精度差；磨削加工次数多，效率降低。

4.2 滚子加工技术发展方向

(1)大力开发适用的国产设备，如濮阳机床厂引进吸收的滚子外径面和端面加工设备、大连机床厂研究的滚子球基面加工设备，以及国内生产的高速冷镦机、滚子外观机等。国内邢台、大连钢厂生产的盘圆钢等质量水平也在不断提高。国外磨加工采用的宽砂轮数控机床国内设计生产厂也正在加紧研制，超精机也在借鉴德国的设计理念，不久的将来会为国内轴承行业提供较好的装备。

(2)批量生产滚子厂家目前正在走专业化道路，品种少、批量大，便于提高产品质量，生产效率也高，工装、模具、材料、装备的趋势进一步明确，对滚子质量的提高起到了推动作用。

(3)引进设备、改进工艺的思路比较流行。瓦轴、洛轴、襄轴等企业逐步加大引进国外设备，如冲压成形用美国国民冷镦机、日本坂村的四工位冷镦机，以及德国的外径面超精机等。国内设备厂家对轴承滚子加工设备的研究开发力度加大，如险峰机床厂开始改进XF004A、开发3M6050等滚子高精度磨床。

5 结束语

(1)我国钢球工艺技术水平、装备水平、质量控制水平以及工装磨具水平都已达到或接近国际先进水平。但在钢球表面波纹度的监测和控制、钢球尺寸稳定性、钢球表面的表面应力、钢球表面磕碰痕等质量控制指标和方法方面仍需要进一步提高和加强。

(2)为保证钢球制造过程中制造系统的稳定性，钢球工艺装备的数控化、自动化和专线化以及连线设备是目前钢球装备的发展方向。

(3)我国滚子加工工艺技术水平及质量水平与国外仍有差距，需要通过装备水平的发展和提高，推动滚子的技术进步和质量的提高。