滚动轴承对滚动体的技术要求

杨晓蔚,伍海云

(1.洛阳轴承研究所有限公司，河南 洛阳 471039;2.奥新(厦门)轴承有限公司，福建 厦门 361021)

滚动轴承之所以被称之为“滚动轴承”，其要义就是在轴承套圈之间装有“滚动体”，可以使轴承实现“滚动运动”。从这一本质意义上讲，滚动体是滚动轴承得以存在的先决条件。现代滚动轴承工业是以1883年德国发明了世界上第1台磨球机、从此可以工业化生产钢球为标志，这也说明滚动体是现代轴承工业赖以发展的奠基石。一言概括，没有滚动体，就没有滚动轴承；没有滚动体的工业化生产，就没有现代轴承工业。

采用滚动体，其最原始的出发点是替代滑动轴承，以大大减低摩擦，使运转更轻便灵活。但对轴承而言，不仅只有这一个要求，还有如支承与传递载荷、保证运动及定位精度等多种基本功能要求。此外，还有如长寿命与高可靠性、低振动或低噪声等更进一步的要求。这些对轴承的种种技术要求，很多都在很大程度上取决于滚动体。如试验证明，对轴承疲劳寿命的影响，滚动体排在轴承零件的第2位；对轴承振动或噪声的影响，滚动体排在轴承零件的第1位；等等。滚动体不同于其他轴承零件，如对于球来说，其表面“点点都是工作面”；对于滚子(包括滚针)而言，其外径表面以及部分类型滚子的端面“大部都是工作面”；而套圈只有滚道以及部分类型轴承的挡边等接触部位，保持架只有兜孔等接触部位才是工作面。因此，从深层次上讲，滚动体在轴承的组成零件中，无疑是最为关键的。

1 轴承对滚动体的尺寸和精度要求

1.1 尺寸要求

轴承对滚动体的尺寸要求，既体现在大小上，又体现在规格上。滚动体的大小，随配套轴承的要求而不一，但也不能无所限制，什么尺寸都提供，必须按照现代工业“标准化、系列化、通用化”的原则，对尺寸进行规范，既尽量满足要求，又减少不必要的规格。

在滚动体中，球和滚针的尺寸规格标准化程度是最高的，制订有国际标准和国家标准，在现行ISO 3290暨GB/T 308中规定的球直径从0.3～104.775 mm，共152个；在现行ISO 3696暨GB/T 309中规定了滚针直径×长度=1 mm×5.8 mm～6 mm×59.8 mm，共162个，其中优先尺寸为83个。其次是圆柱滚子，制订有国家标准，在现行GB/T 4661中规定的滚子直径×长度=3 mm×3 mm～50 mm×50 mm，共93个。圆锥滚子仅仅在一些企业实现了标准化，但在商品化供应中，尺寸规格的认同度在全球都是比较广泛的。球面滚子是截至目前为止，尺寸规格标准化程度最低的，基本上都是各企业按照不同的轴承设计自行确定的。

球是用量最大的滚动体，由于历史形成的技术体系所致，至今仍是英制尺寸占据主导地位的一个特例。在标准规定的球直径152个规格中，英制尺寸有82个，占54%(若排除一些米制尺寸至今也很少采用的状况，英制尺寸的实际采用率更高)。为了与全面推行国际计量单位接轨，英制尺寸在标准中进行了公制化，但仍在公制尺寸之后给出了英制尺寸作为参考。

一些轴承为了追求最大承载能力等要求，还常常采用“非标”滚动体(在滚子轴承中尤为突出)，这都是正常现象。但非标不应是主流，从用户要求到轴承设计，再到滚动体制造，都不应特意追求，而应尽量避免。因为只有最大限度地实现尺寸规格的标准化，才能够使轴承以及滚动体产品本身实现符合其技术生产特征的高效率、低成本的规模经济生产。

1.2 精度要求

轴承属于精密机械产品，如最高公差等级的2级向心轴承的内径公差相当于标准公差IT2，最低公差等级的0级向心或推力轴承的内径公差也在IT7～IT8之间，而IT2～IT7一般是用于检测量规或标准块的公差。因此，轴承对于主要组成零件，特别是滚动体的精度要求更高，如最高公差等级的G3球，其球直径变动量和球批直径变动量已超过最高标准公差IT01，而IT01已是1级量块的公差。

轴承对滚动体的精度要求，包括尺寸精度、形状精度和表面粗糙度等，通过制订标准公差等级及对应的公差项目和数值来规定。球的标准公差等级规定为G3，G5，G10，G16，G20，G24，G28，G40，G60，G100和G200，共11级；滚针为G2，G3和G5，共3级;圆柱滚子为0，Ⅰ，Ⅱ和Ⅲ，共4级;圆锥滚子为0，Ⅰ，Ⅱ和Ⅲ，共4级(JB/T 10235);球面滚子尚未有规定。

滚动体的精度，首先影响轴承的运转灵活性，更进一步的精度要求，一般都包容在轴承的旋转精度之中。因此，轴承的公差等级越高，相应配套滚动体的公差等级就越高。如P0球轴承，一般采用G20,G28或G40球(d≤30，G20； 30

球的公差等级，是根据球形误差的大小来确定的，并具有以英制尺寸反映的数值上的对应关系。如G5球，其球形误差就是5 μin；G10球，其球形误差就是10 μin，以此类推。将μin换算成μm，就是标准中规定的米制尺寸的公差值，如G10球，其球形误差为10 μin=10×0.025 μm=0.25 μm。滚针的公差等级，是与以μm计的批直径变动量最大值和规值间距相对应的。如G2，G5和G10滚针，其批直径变动量最大值和规值间距分别为2，3和5 μm。滚子的公差等级，没有与其某一形状精度在数值上的对应关系。

在国际标准没有制订发布以前，各个国家对于滚动体有不同的公差等级规定。如对于球，日本分为普通、高级、精密、超精密共4级，德国分为Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ，Ⅵ，Ⅶ共7级，美国分为G3，G5，G10，G16，G24，G48，G100，G200，G500，G1000共10级，我国曾分为0，Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ共4级和01，0，Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ共6级；对于滚针和滚子，日本分为普通、高级、精密、超精密共4级，德国对滚针分为G2，G3和G5共3级，对滚子分为GN，G1共2级，我国则对滚针与滚子均不分等级。

对于轴承而言，滚动体是成组使用的。对于滚动体而言，又是成批生产的。因此，在滚动体的尺寸公差中，除了对每个滚动体有要求外，更为重要的就是“批”的概念。其最为显著特殊的，就是不仅有批尺寸变动量的要求，还有用于分选的规值(以及分规值)的要求。有了滚动体按规值(如G10球规值间距为1 μm)分选作法，不仅使得按轴承内、外滚道尺寸进行一定游隙或装配高的组合装配(俗称“合套”)更为简便快捷，而且对轴承的精度、转速、载荷、寿命、振动、噪声等性能质量的一致性，更具有有利影响。在一些需要两端面都作为工作表面的滚子，对滚子长度也有较高的分选要求。

对于滚动体的表面粗糙度，一般要求都很高，尤其是对于滚动工作表面(如球表面和滚子外径表面)以及滑动工作表面(如圆锥滚子球基面等)。尽管从长期应用的实践看，目前标准给出的表面粗糙度参数Ra及数值足以满足要求，但对Ra数值进一步压缩至一半的观点，以及增加表面粗糙度参数Ry并进行控制的看法，也一直存在(目前还仅针对球)。对表面粗糙度的峰、谷控制，期望是“削峰留谷”(尽量去除峰尖以减低接触应力集中现象，保留谷沟以利于储存润滑剂形成完全润滑)，即还有磨削纹路的要求。

另外，对滚动体的表面波纹度进行控制的要求已越来越明确。如对于球，在1998年发布的现行国际标准中，已规定“波纹度的限值和测量方法由用户和供应商协商确定”。美国、德国等国家标准，提出相应的要求则更早。

2 轴承对滚动体的承载能力及寿命要求

轴承的载荷能力，包括静载荷能力和动载荷能力，以及与额定动载荷相关的额定寿命，其计算都是主要依据滚动体来确定的。如轴承的额定动、静载荷与滚动体数(Z)和滚动体尺寸规格(球径Dw或滚子有效直径Dwe及长度Lwe)通常成一正幂指数关系。

如果说，滚动体个数和大小是由轴承设计来确定，属于可选择的话，那么对于滚动体本身，在载荷能力和使用寿命等方面，除了要完全符合规定的材料、制造等质量要求外，一般还需要满足以下一些专门的技术要求：

(2)提高表面硬度。滚动体和套圈滚道一样，一般常规淬回火后必须达到58 HRC以上的表面硬度，才能保证轴承的基本额定载荷能力。其中，滚动体和套圈滚道之间的硬度匹配，对轴承寿命有很大影响。试验表明，滚动体的表面硬度高于滚道表面硬度1～2 HRC时，轴承寿命更长。这是由于滚动体精度通常都比滚道精度高，若表面硬度也较高，则在轴承运转过程中，可以对滚道进行“精密冷辗扩”，使滚道精度得到改善并在表层形成压应力，有利于轴承疲劳寿命的提高。另外，同时提高滚动体和滚道的表面硬度，还可以大幅提高轴承的抗污染寿命。因此，滚动体在要求的表面硬度范围内，一般应尽量靠近中、上限水平进行热处理工艺控制。日本标准规定的钢球表面硬度范围上、下限都较高(如以Dw为3.5～30 mm的钢球为例，表面硬度范围为62～67 HRC)，实际上就体现了这一要求。

(3)表面强化处理。表面强化处理又称加压，就是在钢球材料的弹、塑性变形范围内，对钢球表面进行类似于高压喷丸硬化处理，使表面硬度提高且在表层形成均匀分布的压应力，进一步提高轴承寿命。表面强化后对硬度的一般要求是：表面硬度提高1～3 HRC；同一钢球的硬度落差不应超过0.5 HRC；钢球与钢球之间的硬度最大值之差不应超过1 HRC。对表层压应力的原则要求是：分布均匀且由表面向内应符合一定的梯度分布。

(4)对滚子进行凸度修形。在轴承运转过程中，滚动体与套圈滚道的滚动接触次数仅次于旋转套圈，因此，其接触疲劳失效概率较高是必然现象。在轴承载荷和滚动接触次数不变的条件下，降低接触应力尤其是应力集中现象是减小疲劳失效概率的有效措施之一。因此，对于容易在端面产生应力集中的线接触的直素线滚子(包括滚针)，必须进行凸度修形。在圆弧、圆弧修正线、对数曲线等各种凸度形状中，对数曲线凸度被认为是最好的，可以实现接触应力均匀分布并对应力集中不敏感，因此，应尽量实现对数曲线凸度修形。在现行国际标准中，滚子轴承的额定动载荷计算系数是按照滚子具有凸度修形、可保证接触应力均匀分布来给定的。据此明确说明，滚子有凸度是常规要求，直素线反而属于特例情况，即轴承用滚子必须有凸度。另外，对于圆锥滚子球基面以及一些圆柱滚子两端面，由于需要作为与套圈挡边形成滑动接触工作面，故也要求必须具有一定的形状(如球面)，以防轴承运转时产生烧伤失效。

3 轴承对滚动体的振动与噪声要求

轴承振动与噪声，一般可分为固有、与加工误差有关和与安装使用有关3种。轴承的固有振动和噪声，与滚动体的数量及大小直接相关；轴承的与加工误差有关的振动和噪声，在套圈、滚动体和保持架等组成零件中，与滚动体的表面形状和表面质量关系最大。如以深沟球轴承的试验研究结果为例，轴承外圈沟道、内圈沟道和钢球表面波纹度对轴承振动的影响比例为1∶2∶5，外圈沟道、内圈沟道和钢球表面粗糙度对轴承振动的影响比例为1∶3∶10。其中，轴承的中、高频振动和噪声，与滚动体的表面波纹度和表面粗糙度显著相关；轴承的异常声，以滚动体的表面划伤、磕碰伤影响最大；等等。

为了保证轴承的振动和噪声质量水平，对滚动体需要采取的措施如下：

(1)严格控制滚动体的圆度、波纹度和表面粗糙度，尤其是波纹度和表面粗糙度；(2)直接控制滚动体的单体振动；(3)进行表面强化处理，以提高表面硬度来减小或防止划伤、磕碰伤等的产生；(4)尽量保证滚动体的批直径变动量处于最小限度水平。

4 国产滚动体的技术质量水平现状

4.1 钢球

在国产的滚动体中，钢球的技术进步是最快的。这是由于采用了锥鼓形球坯、F5000/F6000树脂砂轮等一系列先进技术的显著成果。也正是由于钢球质量水平的大幅度提高，使得我国球轴承的综合质量水平显著提高，特别是在低噪声深沟球轴承方面已处于国际先进水平。

尺寸——现生产球径范围为0.5～152.4 mm。

精度——加工水平普遍提高，生产G10，G5球已属于常规工艺，但在质量储备和精度保持性上与国外先进产品有很大差距。而日本著名公司生产的配套0级球轴承的G20球，实物质量基本上都已达到G3球的要求，精度保持性一般都较好。

寿命——与以前相比有很大提高，如通过轴承的试验寿命与额定寿命之比来体现，球轴承一般已达到3～5倍。但仍存在一些问题，比较突出的现象是，在轴承的失效零件中，国外钢球已基本很少失效，但国产钢球仍然排在前位。究其原因，主要是国产真空脱气钢的材质水平，仍与日本以及SKF，TIMKEN等公司所产的优质高纯净度钢材质量水平有较大差距。另外，热处理质量水平也有待进一步提高，如全面采用可控气氛并对碳势进行优化控制等。

振动与噪声——钢球的单体振动质量控制较好，所配套的深沟球轴承振动质量水平普遍提高，许多企业生产的微小型以及中小型深沟球轴承已经达到Z4，V3组振动要求，甚至超过日本的 “静音”和“超静音”轴承水平。早期国产钢球振动质量水平不高，归结于对表面粗糙度Ry不做控制，与国外先进水平相比有明显差距。由于采用超细粒度树脂砂轮等先进技术，目前已处于相当水平。相比而言，波纹度误差却比国外同类产品高出1倍左右(如实测Dw为9.525 mm和13.494 mm两个规格钢球，国外产品波纹度误差均为0.044 μm，而国内产品均为0.088 μm)。

4.2 滚子

我国滚子(包括滚针)的技术进步较慢，已成为阻碍滚子轴承质量水平提高的“瓶颈”因素。其制造上的原因，就是工艺与装备的问题——装备升级换代缓慢，加工工艺长期落后，并形成了恶性循环。

尺寸——现生产尺寸范围为最小1 mm×5.8 mm滚针至最大150 mm×180 mm球面滚子。

精度——以具有典型代表意义的圆锥滚子和圆柱滚子为例，用量最大的Ⅲ级滚子，质量状况总体上仍不稳定；Ⅱ级滚子只能小批量生产，有些企业还是从Ⅲ级滚子中挑检出来的； 0和Ⅰ级滚子，至今仍不能在批量生产技术上取得突破，其中难点包括批尺寸相互差、端面跳动、表面粗糙度以及圆锥滚子球基面形状等。

寿命——滚子轴承寿命与球轴承相比提高较小，试验寿命与额定寿命之比一般仅达到1～3倍。除了材质和热处理原因外，滚子凸度仍没有取得突破性进展。主要表现在，尽管凸度加工已比较普遍，但对数曲线凸度或者至少拟对数曲线凸度加工还没有完全掌握，尤其是在保证凸度形状和凸度量的一致性方面。另外，需要作为滑动工作面的滚子端面，其形状和表面粗糙度也一直难以达到要求，导致轴承早于疲劳失效而发生烧伤破坏。

振动与噪声——滚子的单体振动水平仍不高，所配套的圆锥滚子轴承和圆柱滚子轴承一般仅能达到Z2，V1组振动要求。

4.3 发展动向及问题

近期，滚动体的发展动向及所带来的问题主要有：

(1)英制尺寸公制化的球的公称直径，已由现行国际标准规定的取值精度到小数点后3位，修订为ISO 3290-2：2008(E)所采用小数点后5位，以与规值及分规值的规值间距取值相协调。否则由于圆整规则所致，同样的实际尺寸可能混淆(如1/16 in球，实际直径为1.587 50 mm，现标注公称直径为1.588 mm，由于测量误差和圆整所致，测值可能取为1.588 mm或1.587 mm)。另外，1.587 50 mm与1.588 mm差值为0.5 μm，反映到合套后的轴承游隙上，就为1 μm，这对于小游隙轴承而言，影响较大。因此，应该将球的取值精度提高。但是，这一达到纳米级水平的变化，将带来现有很多检测和计量仪器测量精度不够、必须大量更新的问题。

(2)采纳国际标准ISO 3290-2：2008(E)而新制订的有关陶瓷球的国家标准即将发布，氮化硅作为轴承用陶瓷球材料的主导地位已确立，对于氮化硅材料的物理机械性能保证、高效高精加工方法、表面粗糙度、硬度等的测试，应予以跟进研究。

(3)为了满足轴承长寿命、高可靠性的要求，对滚动体的残余压应力、残余奥氏体等方面已从定性转向定量控制，但优化的定量控制范围还需要做更全面、精准地研究。

(4)随着主机使用工况的多样化和极端化，要求滚动体必须进行渗碳、碳氮共渗、氮碳共渗、镀膜等特殊热处理的状况越来越多，如何控制和保证特殊热处理的质量水平，有些问题还无法完全解决。

(5)滚子轴承及滚针轴承向高精度、高转速、低噪声方向发展的趋势越来越显著(如传统上属于低精度轴承的调心滚子轴承已要求高精度和低振动，汽车变速器用滚针轴承则要求高转速和低噪声)，高等级滚子和滚针的需求不断扩大，其中包括滚子端面作为工作表面且技术要求不断提高的场合增多，但由于加工手段制约，有关主要技术质量指标的实现，特别是一致性和稳定性的控制，还一直存在较大难度。

5 结束语

滚动体是轴承中最重要的零件，同时本身也是一个独立的产品或商品。轴承对滚动体的种种技术要求，构成了滚动体应具有的最基本、同时也是最高端的技术质量特性或特征。

我国钢球的加工制造水平进步十分显著，很多企业的产品质量已接近和达到世界先进水平，但在陶瓷球这一高新技术产品领域，目前还处于初级阶段。滚子的加工制造技术一直比较落后，长期徘徊于仅能生产低公差等级产品的局面，已成为制约我国滚子轴承质量的首要关键因素，目前，已有个别企业能够生产0和Ⅰ级圆柱滚子和圆锥滚子，无疑是一个可喜的突破性的进步。

随着科技的不断发展和主机的更高要求，轴承的科技进步是无止境的，相应，对于滚动体的技术质量要求也越来越高。首先解决材质与国外先进水平存在较大差距的问题，再进一步提高冷、热加工装备与工艺水平，特别应着重于高公差等级滚子问题的解决，在满足标准要求的基础上努力提高实物质量水平，不断跟踪世界先进技术发展动向，滚动体产品一定会取得巨大进步，也必将会对轴承产品的技术质量水平提高起到积极的推动作用。