軸承鋼球工藝質(zhì)量關鍵技術分析與實踐

那卓

(沈陽鋼球有限責任公司，沈陽 110042)

鋼球在球軸承中作為滾動體是承受載荷并與軸承的動態(tài)性能直接相關的零件。在工作中，軸承內(nèi)的每粒鋼球周期地通過軸承受載區(qū)，因此，鋼球承受周期性載荷[1]。鋼球的質(zhì)量和精度直接影響軸承的使用壽命、可靠性、振動和噪聲水平。因此，對鋼球的磨研加工及工藝過程進行研究尤為重要。

1 鋼球尺寸和精度要求

1.1 尺寸要求

軸承鋼球直徑尺寸范圍為0.3～104.775 mm，執(zhí)行GB/T 308.1—2013。鋼球直徑根據(jù)軸承配套的要求而定，但也有一定的限制。執(zhí)行標準化、系列化、通用化的原則，對尺寸進行規(guī)范，既要滿足客戶要求，又要減少非標尺寸規(guī)格。

1.2 精度要求

對鋼球的精度要求包括尺寸精度、形狀精度和表面粗糙度等。尺寸精度從規(guī)值、分規(guī)值、規(guī)值間距、分規(guī)值間距及批直徑變動量幾方面體現(xiàn)；形狀精度由球直徑變動量及球形誤差體現(xiàn)；表面粗糙度參數(shù)和公差等級(11個級別)依據(jù)GB/T 308.1—2013規(guī)定。

2 鋼球加工工藝現(xiàn)狀分析[2]

2.1 鋼球加工工藝過程

我國鋼球行業(yè)隨著工藝思想和理念的不斷創(chuàng)新，新型鋼球加工裝備的開發(fā)，以及工裝磨具、磨削液質(zhì)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。鋼球制造工藝根據(jù)毛坯材料形狀、鋼球精度以及生產(chǎn)條件的不同而有所差異，但基本工藝路線相同。形成了2種主要加工工藝，一是水劑大循環(huán)加工工藝，二是樹脂砂輪磨研工藝[3]。

水劑大循環(huán)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→(表面強化)→硬磨→初研→精研→超精研→清洗→外觀檢查→防銹包裝→入庫。

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→(表面強化)→硬磨→粗磨→細磨→精磨→清洗→外觀檢查→防銹包裝→入庫。

2.2 工藝水平與分析

2.2.1 原材料

原材料質(zhì)量是影響鋼球壽命與可靠性的主要因素。大量實際使用的高碳鉻軸承鋼，由于受各種因素的影響，仍存在諸多問題，需要引起足夠的重視。鋼球廠應建立原材料入廠檢驗制度，制定并完善企業(yè)內(nèi)控檢驗驗收技術文件(標準)，培訓專業(yè)檢驗人員，對入廠材料進行全項復檢，不能完全依賴質(zhì)保書。另外，需經(jīng)常與鋼廠進行溝通，提出相應技術要求。

2.2.2 冷鐓

國內(nèi)冷鐓設備以低速開式切料冷鐓機Z32系列為主，高速冷鐓機還未能普遍采用。中小型鋼球普遍為冷鐓工藝，采用硬質(zhì)合金冷鐓模、切料套筒和切料刀板；大尺寸鋼球為熱鐓或熱軋工藝，采用耐熱鋼模具。冷鐓球坯主要為球形坯，也有采用錐鼓形球坯，基本滿足工藝要求，留量為0.4 mm左右。冷鐓是鋼球生產(chǎn)相對薄弱的工序，主要問題是高速冷鐓機數(shù)量較少，冷鐓球坯留量大，尺寸精度不高。

國外鋼球冷鐓主要設備為高速冷鐓機，采用硬質(zhì)合金冷鐓模、切料套筒和切料刀板。冷鐓模為近似球狀，設計形狀保證了冷鐓球坯容易脫出；質(zhì)量控制檢驗項目有球坯尺寸、環(huán)帶尺寸、位移、切口尺寸和外觀。

2.2.3 光磨

國內(nèi)鋼球光磨設備主要為3M49系列臥式光球機，微小型鋼球采用立式光球機。光球板全部為國產(chǎn)，材質(zhì)為鑄造合金，硬度為48～54 HRC，磨削液也為國產(chǎn)，工藝方法基本為直接光磨至工藝尺寸。光球質(zhì)量基本滿足工藝要求，留量一般為0.2 mm，球直徑變動量一般為0.01 mm，表面粗糙度Ra為6.3 μm。

由于冷鐓球坯留量大，光球的磨削量較大，部分鋼球廠或操作工難免通過增加壓力來提高效率，縮短加工時間。鋼球在大壓力下光磨加工，將使鋼球產(chǎn)生大的表面拉應力、應變(變形)，表面質(zhì)量差，對后續(xù)的熱處理會產(chǎn)生不良影響；同時加工形變有可能在后續(xù)加工中永遠無法消除，增大表面波紋度。

為了提高球坯的表面質(zhì)量，改善球坯的尺寸、形狀精度，需在光磨后進行軟磨。實踐證明，軟磨對提高鋼球精度和工藝穩(wěn)定性，降低鋼球加工缺陷有較好的作用。

2.2.4 熱處理

國內(nèi)鋼球熱處理設備主要為保護氣氛連續(xù)滾筒熱處理爐， GCr15軸承鋼熱處理工藝參數(shù)為淬火溫度835 ℃左右，回火溫度150 ℃左右，保護氣氛下碳勢和露點一般不可控。熱處理后鋼球硬度、組織滿足標準要求，但壓碎載荷較國外低[4]。

熱處理質(zhì)量也是影響鋼球壽命和可靠性的主要因素，由于氣氛不可控，熱處理質(zhì)量穩(wěn)定性和可靠性受到影響，因此，應推廣可控氣氛熱處理工藝。

2.2.5 表面強化

表面強化設備主要為滾筒表面強化機，多數(shù)廠家沒有表面殘余應力檢測儀器，殘余應力不可控。有些鋼球廠采用顯微硬度計控制表面強化的深度和強度，取得了一定的效果，但用硬度指標控制表面應力存在不合理之處[3]。鋼球表面殘余應力和強化深度、強度對鋼球壽命和可靠性有一定影響，應加強對表面殘余應力的檢測和控制。

2.2.6 硬磨

硬磨設備主要為臥式鋼球磨球機，部分廠家采用立式鋼球磨球機，磨球固定板為合金鑄鐵板，轉(zhuǎn)動板為150#/240#砂輪。研磨球坯直徑變動量為2 μm，留量為0.25～0.35 mm，硬磨球坯質(zhì)量可以滿足工藝要求[2]。部分鋼球廠硬磨分2次磨削，在第1次硬磨后，再進行一次精磨，改善硬磨球坯的表面質(zhì)量和尺寸、形狀精度。較多鋼球廠在硬磨后進行100%冷酸洗，檢查硬磨球坯的燒傷、軟點、脫碳等磨削、材料缺陷。

2.2.7 初研(細磨)

初研設備多為立式或臥式鋼球研磨機，細磨多為臥式鋼球研磨機，研磨固定板為鑄鐵板，轉(zhuǎn)動板一般初研用鑄鐵盤，細磨用2 000#樹脂砂輪，也有用1 000#陶瓷砂輪。初研(細磨)球坯球直徑變動量、球形誤差為0.3 μm，留量為0.012 mm。該工序的發(fā)展趨勢是采用樹脂砂輪或陶瓷砂輪進行細磨，以提高生產(chǎn)效率、球坯質(zhì)量和穩(wěn)定性。

2.2.8 精研(磨研)

精研設備為立式或臥式鋼球精研機，精研固定板和轉(zhuǎn)動板為鑄鐵精研盤，磨研為4 000#或6 000#樹脂砂輪。精研后鋼球尺寸精度和形狀精度可達G5，甚至G3，表面質(zhì)量要求更高時，還需進行超精研。

樹脂砂輪磨研鋼球工藝一般采用3M77系列臥式鋼球研磨機或3ML47系列立式鋼球研磨機。樹脂砂輪粗磨一般為2 000#，精磨為4 000#或6 000#，磨削液油劑和水劑并存，在實際生產(chǎn)工藝中都有采用，一般認為堿性水劑磨削液(適當范圍內(nèi))會對砂輪產(chǎn)生分解作用，但表現(xiàn)不突出。由于樹脂砂輪磨研相對于鑄鐵盤精研工藝是超精密磨削的剛性加工，因此，對工藝裝備如溜球板、砂輪車加工溝槽機床等要求更高，需要采用數(shù)控車床等。

樹脂磨研的基本工藝路線，一種是陶瓷結(jié)合劑砂輪研磨、2 000#樹脂砂輪粗磨、4 000#或6 000#樹脂砂輪精磨；另一種是陶瓷結(jié)合劑砂輪硬磨、鑄鐵盤初研、鑄鐵盤精研、4 000#或6 000#樹脂砂輪精磨。第1種工藝路線效率相對更高，鋼球表面形貌更好，質(zhì)量更均勻和穩(wěn)定；第2種工藝易掌握，最后一道工序可獲得表面均勻的鋼球，有效消除異常聲。

2.2.9 清洗和成品檢查

多數(shù)廠家采用適合自身特點的清洗方式，基本滿足鋼球清洗要求。大部分廠家仍采用人工目視100%外觀檢查，部分廠家采用鋼球自動外觀檢查儀。對于高可靠性鋼球，在超精研前需進行100%渦流光電外觀檢查。

3 鋼球燒傷原因與控制

3.1 鋼球燒傷的特征

鋼球燒傷一般通過酸洗后才能顯現(xiàn)出來，酸洗后底色為灰黑色或灰白色；但是在光球工序嚴重燒傷的鋼球可直接觀察到淺蘭色和黃褐色，即變色球。

鋼球燒傷從2個方面體現(xiàn)，一是形狀，分為點狀燒傷、線狀燒傷及片狀燒傷；二是性質(zhì)，分為回火燒傷和淬火燒傷[5-6]。

3.2 產(chǎn)生燒傷的原因

3.2.1 組織變化分析

鋼球在研磨過程中，由于磨床轉(zhuǎn)速、壓力等參數(shù)的變化，使其局部表面突然受到磨削、擠壓、摩擦等強力作用，使局部溫度瞬間升高，冷卻后形成燒傷。當局部溫度瞬間升高達到高溫回火溫度又迅速冷卻，產(chǎn)生的燒傷酸洗后呈灰黑色，其組織為回火屈氏體，這種燒傷稱為回火燒傷，有局部區(qū)域應力變化，會降低鋼球的使用壽命。當局部溫度瞬間升高達到淬火溫度又迅速冷卻，酸洗后呈灰白色，其組織為淬火馬氏體，這種燒傷稱為淬火燒傷。淬火燒傷會使鋼球表面局部區(qū)域內(nèi)顯微組織和應力產(chǎn)生嚴重變化，破壞鋼球表面組織和應力的均勻性，從而影響鋼球的使用壽命[7-8]。

3.2.2 加工工序分析

鋼球加工中的光磨、硬磨和研磨3個工序都可能產(chǎn)生鋼球燒傷。這3個工序產(chǎn)生燒傷的概率分別占燒傷總數(shù)的17%，76%和7%[6]。

光球工序由于壓力大、速度快, 產(chǎn)生燒傷的概率較高, 光球工序產(chǎn)生的淬火燒傷對鋼球壽命的影響最大；硬磨是產(chǎn)生燒傷概率最高的工序，是控制燒傷的關鍵，其中以線狀回火燒傷為主；研磨工序有少量的點狀、線狀回火燒傷，由于接近成品尺寸而不易消除。

3.2.3 磨削方法和鋼球規(guī)格分析

研磨過程中不同規(guī)格鋼球產(chǎn)生燒傷的概率是不同的，根據(jù)經(jīng)驗，鋼球尺寸越大，自轉(zhuǎn)性能越差，產(chǎn)生燒傷的概率越高。而在鋼球規(guī)格相同的情況下，采用水劑磨削比油劑磨削產(chǎn)生燒傷的概率要小得多。

3.3 燒傷的控制方法

鋼球加工中燒傷產(chǎn)生的原因較多，其中，操作者個人操作技能、熟練程度的影響因素較大，而且鋼球是大循環(huán)方法批量生產(chǎn)，控制燒傷有一定難度。以硬磨加工的燒傷控制為例，總結(jié)出控制燒傷應注意的7個方面。

3.3.1 操作者個人素質(zhì)

操作者應有責任心并嚴格按照工藝操作，需掌握一定的技能，如檢查溝槽、盤口、工裝等是否滿足加工要求，并具有分析與解決燒傷的基本能力。

3.3.2 設備狀況

嚴格保證磨床的各項精度，主軸軸向、徑向跳動應控制在0.04～0.05 mm；轉(zhuǎn)動板和固定板安裝后平行度應小于0.04 mm；需保證安裝螺栓緊固、液壓系統(tǒng)穩(wěn)定；需及時修整砂輪，避免出現(xiàn)毛邊、掉塊等現(xiàn)象。

3.3.3 硬磨工裝調(diào)整

調(diào)整進、出球工裝，保證鋼球進、出喇叭口順暢，不堵塞、不卡滯。

3.3.4 固定板砂輪

固定板砂輪溝道不能有砂眼、硬點，硬度應適中。應根據(jù)鋼球的不同規(guī)格選用不同硬度的固定板砂輪，加工小型鋼球選擇高硬度砂輪，加工大尺寸鋼球選擇低硬度砂輪。

3.3.5 光球后鋼球尺寸

控制光球工序后鋼球的批直徑變動量、尺寸精度和規(guī)值，為硬磨加工做好充分準備，采用硬磨Ⅰ、硬磨Ⅱ兩道加工工序完成。

3.3.6 硬磨板溝槽深度的選擇

硬磨加工研磨板溝槽深度應保持為(1/3～2/5)Dw，Dw為鋼球直徑。太深容易出現(xiàn)圓形線狀燒傷，需及時修整砂輪；太淺容易出現(xiàn)片狀和兩極燒傷，這時要及時用球壓溝[8]。

3.3.7 硬磨壓力的選擇

硬磨鋼球時，根據(jù)不同規(guī)格的鋼球和溝槽深度，一般選擇壓力為2～3 MPa。磨削過程中壓力要保持平穩(wěn)，不能突然升高或降低，否則容易造成燒傷[9]。

4 鋼球加工中的節(jié)能降耗

4.1 原材料選擇與供應

原材料成本占鋼球制造總成本的50%～60%，提高材料利用率，盡量減少供貨中間環(huán)節(jié)，控制材料價格對降低成本作用重大，應放在節(jié)能降耗工作的首位。

(1)建立區(qū)域行業(yè)協(xié)會，統(tǒng)一大批量訂貨，實現(xiàn)鋼廠與用戶互利雙贏。

(2)各鋼廠工藝質(zhì)量水平不同，價格差異較大。應根據(jù)鋼球用途選用不同檔次鋼材，降低材料成本。

(3)在備料加工過程中清除材料缺陷層，較制成球坯后清除不僅工藝費用低，且耗費材料少(減少30%)，可減小球坯留量，經(jīng)濟合理[10-11]。但材料缺陷殘留必須在淬火前完全清除，因此，減少淬火前磨量必須以穩(wěn)定可靠的材料質(zhì)量作為保證。

(4)連鑄材較模鑄材價格相差較大，改進提高連鑄材質(zhì)量，使之滿足鋼球使用性能要求迫在眉睫。

4.2 鐓壓工序

(1)改善鐓壓設備精度，嚴格控制球坯偏差，減少廢品率，提高工序質(zhì)量。如采用高速冷鐓機可節(jié)材2%～3%。

(2)采用硬質(zhì)合金模具或其他經(jīng)表面硬化處理的模具，提高磨具工作面的抗磨損、抗疲勞能力，減小球坯公差，可節(jié)材1%～2%。

(3)研究球坯變形過程，改進球窩形狀；優(yōu)選料徑，采用壓縮比上限，壓縮環(huán)帶尺寸，不僅可降低材料消耗，也可大幅度減少光磨工時費用。

4.3 光磨工序

光磨工序消耗鋼球總留量的2/3左右，光磨板的性能、光磨液的質(zhì)量和工藝參數(shù)的選擇是節(jié)能降耗的重點。

去環(huán)帶時，光磨板損耗量比正常磨削時多1倍。減小球坯環(huán)帶和采用軋制球坯，可縮短光磨工時，減小機床振動，延長使用壽命。光磨去環(huán)帶后及時將壓力調(diào)整開關轉(zhuǎn)向自動，實現(xiàn)“電流控制壓力補償”，可節(jié)約電能15%，使磨削效率提高25%～30%。

磨板損耗及切削效率與磨板和球的接觸弧長相關。增加光磨設備裝球量，使球與磨板溝槽接觸弧長變化減慢，可保持光磨工序高效率并減少磨板損耗。當裝球量由每盤200 kg增加到400 kg時，可節(jié)約磨板損耗、工時約14%。

通過增加壓力、選用粗糙的磨板提高光磨加工效率，可能會使鋼球表面質(zhì)量下降，影響熱處理及后序加工。光磨后期降低壓力，雖能改善鋼球表面粗糙度，但可能造成表面疲勞，產(chǎn)生表面剝落、黑點。因此，在現(xiàn)有磨板質(zhì)量水平條件下，采用2次光磨或光磨+軟磨的工藝更為合理。

4.4 磨球工藝

采用砂輪自動修整技術，保持砂輪溝深略小于球徑的1/2，較未安裝自動修整器的磨球設備，可使砂輪節(jié)約50%，磨削效率平均提高30%。

采用砂輪粘接工藝較傳統(tǒng)砂輪嵌焊工藝，可使砂輪報廢厚度由25 mm減小到5 mm以下，砂輪使用率提高近20%。

砂輪轉(zhuǎn)速和壓力與磨球效率成正比，但轉(zhuǎn)速達到一定值時，砂輪自銳性將降低，且進、出球紊亂，會破壞球表面質(zhì)量；壓力過高時，砂輪磨粒未及時發(fā)揮磨削作用，即被壓碎或剝落，砂輪損耗較大。正確的操作方法是，適當降低砂輪轉(zhuǎn)速，增加進球量，提高磨板中球的分布密度并保持球與砂輪間適當?shù)慕佑|壓力，從而在達到同樣的磨削效率下降低砂輪損耗[12]。

砂輪的耐用度不僅與砂輪的硬度有關，更與砂輪的密度、磨料性能及粒度有關。國內(nèi)不同廠家的砂輪壽命相差較大，究其原因與砂輪壓力機噸位不足、砂輪密度不夠有關。

金剛石修整塊的使用壽命與金剛石粒度、濃度及包鑲能力有關，質(zhì)量較差的修整塊雖然價格較低，但壽命甚至不足正常的1/5，且過早剝落的金剛石顆粒會給球面帶來墊傷，使成品鋼球不能正常排出，造成批量廢品。因此，選擇金剛石修整塊必須考慮性價比[7]。

4.5 研磨工藝

采用樹脂砂輪“以磨代研”，可獲得穩(wěn)定的產(chǎn)品質(zhì)量，鋼球均勻細密的表面形貌更易于形成油膜，實現(xiàn)軸承運動的全油膜潤滑，保持長期的靜音效果。

采用金剛石微粉磨粒研磨較傳統(tǒng)氧化鉻磨粒更容易獲得良好的表面質(zhì)量，且工藝成本降低30%[2]。選用不同粒度的金剛石微粉，用于不同的研磨工序。

鋼球加工屬典型的進化加工，當喪失進化條件時，即使再延長加工時間，也無助于精度的改善，因此，采用不同粒度磨料，細化、分解磨研工序，是提高鋼球精度，減少工時費用的有效方案。

4.6 熱處理

淘汰落后產(chǎn)能設備，采用保護氣氛生產(chǎn)線，減小熱處理工序脫碳層，節(jié)約材料，降低工時消耗；優(yōu)化熱處理工藝，確保工藝的穩(wěn)定性，并在一定范圍內(nèi)選取工藝溫度和時間的中下限，節(jié)約電能；采用水劑淬火介質(zhì)替代油劑介質(zhì)，并使用淬火機床，充分發(fā)揮其能效[6]；利用熱處理余熱進行工序間清洗劑和冬季磨削介質(zhì)的加熱。

在鋼球市場競爭日趨激烈的狀況下，提高產(chǎn)品質(zhì)量與節(jié)能降耗是企業(yè)生存與發(fā)展的必須選擇。這將對企業(yè)技術、管理水平不斷提出更高、更細致的要求。

5 結(jié)束語

我國鋼球加工工藝已經(jīng)達到或接近國際先進水平，取得了豐碩的成果，但在工藝管理、質(zhì)量控制、成套連線管理等方面，仍需進行不斷的研究和開發(fā)，以進一步提高鋼球的質(zhì)量水平，為中國軸承技術進步做出努力。