轴承钢球工艺质量关键技术分析与实践

2014-03-27那卓

轴承 2014年10期

那卓

(沈阳钢球有限责任公司，沈阳 110042)

钢球在球轴承中作为滚动体是承受载荷并与轴承的动态性能直接相关的零件。在工作中，轴承内的每粒钢球周期地通过轴承受载区，因此，钢球承受周期性载荷[1]。钢球的质量和精度直接影响轴承的使用寿命、可靠性、振动和噪声水平。因此，对钢球的磨研加工及工艺过程进行研究尤为重要。

1 钢球尺寸和精度要求

1.1 尺寸要求

轴承钢球直径尺寸范围为0.3～104.775 mm，执行GB/T 308.1—2013。钢球直径根据轴承配套的要求而定，但也有一定的限制。执行标准化、系列化、通用化的原则，对尺寸进行规范，既要满足客户要求，又要减少非标尺寸规格。

1.2 精度要求

对钢球的精度要求包括尺寸精度、形状精度和表面粗糙度等。尺寸精度从规值、分规值、规值间距、分规值间距及批直径变动量几方面体现；形状精度由球直径变动量及球形误差体现；表面粗糙度参数和公差等级(11个级别)依据GB/T 308.1—2013规定。

2 钢球加工工艺现状分析[2]

2.1 钢球加工工艺过程

我国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、磨削液质量的不断提高，使得新技术和新工艺在钢球加工过程中得到良好的应用。钢球制造工艺根据毛坯材料形状、钢球精度以及生产条件的不同而有所差异，但基本工艺路线相同。形成了2种主要加工工艺，一是水剂大循环加工工艺，二是树脂砂轮磨研工艺[3]。

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→(表面强化)→硬磨→初研→精研→超精研→清洗→外观检查→防锈包装→入库。

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→(表面强化)→硬磨→粗磨→细磨→精磨→清洗→外观检查→防锈包装→入库。

2.2 工艺水平与分析

2.2.1 原材料

原材料质量是影响钢球寿命与可靠性的主要因素。大量实际使用的高碳铬轴承钢，由于受各种因素的影响，仍存在诸多问题，需要引起足够的重视。钢球厂应建立原材料入厂检验制度，制定并完善企业内控检验验收技术文件(标准)，培训专业检验人员，对入厂材料进行全项复检，不能完全依赖质保书。另外，需经常与钢厂进行沟通，提出相应技术要求。

2.2.2 冷镦

国内冷镦设备以低速开式切料冷镦机Z32系列为主，高速冷镦机还未能普遍采用。中小型钢球普遍为冷镦工艺，采用硬质合金冷镦模、切料套筒和切料刀板；大尺寸钢球为热镦或热轧工艺，采用耐热钢模具。冷镦球坯主要为球形坯，也有采用锥鼓形球坯，基本满足工艺要求，留量为0.4 mm左右。冷镦是钢球生产相对薄弱的工序，主要问题是高速冷镦机数量较少，冷镦球坯留量大，尺寸精度不高。

国外钢球冷镦主要设备为高速冷镦机，采用硬质合金冷镦模、切料套筒和切料刀板。冷镦模为近似球状，设计形状保证了冷镦球坯容易脱出；质量控制检验项目有球坯尺寸、环带尺寸、位移、切口尺寸和外观。

2.2.3 光磨

国内钢球光磨设备主要为3M49系列卧式光球机，微小型钢球采用立式光球机。光球板全部为国产，材质为铸造合金，硬度为48～54 HRC，磨削液也为国产，工艺方法基本为直接光磨至工艺尺寸。光球质量基本满足工艺要求，留量一般为0.2 mm，球直径变动量一般为0.01 mm，表面粗糙度Ra为6.3 μm。

由于冷镦球坯留量大，光球的磨削量较大，部分钢球厂或操作工难免通过增加压力来提高效率，缩短加工时间。钢球在大压力下光磨加工，将使钢球产生大的表面拉应力、应变(变形)，表面质量差，对后续的热处理会产生不良影响；同时加工形变有可能在后续加工中永远无法消除，增大表面波纹度。

为了提高球坯的表面质量，改善球坯的尺寸、形状精度，需在光磨后进行软磨。实践证明，软磨对提高钢球精度和工艺稳定性，降低钢球加工缺陷有较好的作用。

2.2.4 热处理

国内钢球热处理设备主要为保护气氛连续滚筒热处理炉， GCr15轴承钢热处理工艺参数为淬火温度835 ℃左右，回火温度150 ℃左右，保护气氛下碳势和露点一般不可控。热处理后钢球硬度、组织满足标准要求，但压碎载荷较国外低[4]。

热处理质量也是影响钢球寿命和可靠性的主要因素，由于气氛不可控，热处理质量稳定性和可靠性受到影响，因此，应推广可控气氛热处理工艺。

2.2.5 表面强化

表面强化设备主要为滚筒表面强化机，多数厂家没有表面残余应力检测仪器，残余应力不可控。有些钢球厂采用显微硬度计控制表面强化的深度和强度，取得了一定的效果，但用硬度指标控制表面应力存在不合理之处[3]。钢球表面残余应力和强化深度、强度对钢球寿命和可靠性有一定影响，应加强对表面残余应力的检测和控制。

2.2.6 硬磨

硬磨设备主要为卧式钢球磨球机，部分厂家采用立式钢球磨球机，磨球固定板为合金铸铁板，转动板为150#/240#砂轮。研磨球坯直径变动量为2 μm，留量为0.25～0.35 mm，硬磨球坯质量可以满足工艺要求[2]。部分钢球厂硬磨分2次磨削，在第1次硬磨后，再进行一次精磨，改善硬磨球坯的表面质量和尺寸、形状精度。较多钢球厂在硬磨后进行100%冷酸洗，检查硬磨球坯的烧伤、软点、脱碳等磨削、材料缺陷。

2.2.7 初研(细磨)

初研设备多为立式或卧式钢球研磨机，细磨多为卧式钢球研磨机，研磨固定板为铸铁板，转动板一般初研用铸铁盘，细磨用2 000#树脂砂轮，也有用1 000#陶瓷砂轮。初研(细磨)球坯球直径变动量、球形误差为0.3 μm，留量为0.012 mm。该工序的发展趋势是采用树脂砂轮或陶瓷砂轮进行细磨，以提高生产效率、球坯质量和稳定性。

2.2.8 精研(磨研)

精研设备为立式或卧式钢球精研机，精研固定板和转动板为铸铁精研盘，磨研为4 000#或6 000#树脂砂轮。精研后钢球尺寸精度和形状精度可达G5，甚至G3，表面质量要求更高时，还需进行超精研。

树脂砂轮磨研钢球工艺一般采用3M77系列卧式钢球研磨机或3ML47系列立式钢球研磨机。树脂砂轮粗磨一般为2 000#，精磨为4 000#或6 000#，磨削液油剂和水剂并存，在实际生产工艺中都有采用，一般认为碱性水剂磨削液(适当范围内)会对砂轮产生分解作用，但表现不突出。由于树脂砂轮磨研相对于铸铁盘精研工艺是超精密磨削的刚性加工，因此，对工艺装备如溜球板、砂轮车加工沟槽机床等要求更高，需要采用数控车床等。

树脂磨研的基本工艺路线，一种是陶瓷结合剂砂轮研磨、2 000#树脂砂轮粗磨、4 000#或6 000#树脂砂轮精磨；另一种是陶瓷结合剂砂轮硬磨、铸铁盘初研、铸铁盘精研、4 000#或6 000#树脂砂轮精磨。第1种工艺路线效率相对更高，钢球表面形貌更好，质量更均匀和稳定；第2种工艺易掌握，最后一道工序可获得表面均匀的钢球，有效消除异常声。

2.2.9 清洗和成品检查

多数厂家采用适合自身特点的清洗方式，基本满足钢球清洗要求。大部分厂家仍采用人工目视100%外观检查，部分厂家采用钢球自动外观检查仪。对于高可靠性钢球，在超精研前需进行100%涡流光电外观检查。

3 钢球烧伤原因与控制

3.1 钢球烧伤的特征

钢球烧伤一般通过酸洗后才能显现出来，酸洗后底色为灰黑色或灰白色；但是在光球工序严重烧伤的钢球可直接观察到浅兰色和黄褐色，即变色球。

钢球烧伤从2个方面体现，一是形状，分为点状烧伤、线状烧伤及片状烧伤；二是性质，分为回火烧伤和淬火烧伤[5-6]。

3.2 产生烧伤的原因

3.2.1 组织变化分析

钢球在研磨过程中，由于磨床转速、压力等参数的变化，使其局部表面突然受到磨削、挤压、摩擦等强力作用，使局部温度瞬间升高，冷却后形成烧伤。当局部温度瞬间升高达到高温回火温度又迅速冷却，产生的烧伤酸洗后呈灰黑色，其组织为回火屈氏体，这种烧伤称为回火烧伤，有局部区域应力变化，会降低钢球的使用寿命。当局部温度瞬间升高达到淬火温度又迅速冷却，酸洗后呈灰白色，其组织为淬火马氏体，这种烧伤称为淬火烧伤。淬火烧伤会使钢球表面局部区域内显微组织和应力产生严重变化，破坏钢球表面组织和应力的均匀性，从而影响钢球的使用寿命[7-8]。

3.2.2 加工工序分析

钢球加工中的光磨、硬磨和研磨3个工序都可能产生钢球烧伤。这3个工序产生烧伤的概率分别占烧伤总数的17%，76%和7%[6]。

光球工序由于压力大、速度快, 产生烧伤的概率较高, 光球工序产生的淬火烧伤对钢球寿命的影响最大；硬磨是产生烧伤概率最高的工序，是控制烧伤的关键，其中以线状回火烧伤为主；研磨工序有少量的点状、线状回火烧伤，由于接近成品尺寸而不易消除。

3.2.3 磨削方法和钢球规格分析

研磨过程中不同规格钢球产生烧伤的概率是不同的，根据经验，钢球尺寸越大，自转性能越差，产生烧伤的概率越高。而在钢球规格相同的情况下，采用水剂磨削比油剂磨削产生烧伤的概率要小得多。

3.3 烧伤的控制方法

钢球加工中烧伤产生的原因较多，其中，操作者个人操作技能、熟练程度的影响因素较大，而且钢球是大循环方法批量生产，控制烧伤有一定难度。以硬磨加工的烧伤控制为例，总结出控制烧伤应注意的7个方面。

3.3.1 操作者个人素质

操作者应有责任心并严格按照工艺操作，需掌握一定的技能，如检查沟槽、盘口、工装等是否满足加工要求，并具有分析与解决烧伤的基本能力。

3.3.2 设备状况

严格保证磨床的各项精度，主轴轴向、径向跳动应控制在0.04～0.05 mm；转动板和固定板安装后平行度应小于0.04 mm；需保证安装螺栓紧固、液压系统稳定；需及时修整砂轮，避免出现毛边、掉块等现象。

3.3.3 硬磨工装调整

调整进、出球工装，保证钢球进、出喇叭口顺畅，不堵塞、不卡滞。

3.3.4 固定板砂轮

固定板砂轮沟道不能有砂眼、硬点，硬度应适中。应根据钢球的不同规格选用不同硬度的固定板砂轮，加工小型钢球选择高硬度砂轮，加工大尺寸钢球选择低硬度砂轮。

3.3.5 光球后钢球尺寸

控制光球工序后钢球的批直径变动量、尺寸精度和规值，为硬磨加工做好充分准备，采用硬磨Ⅰ、硬磨Ⅱ两道加工工序完成。

3.3.6 硬磨板沟槽深度的选择

硬磨加工研磨板沟槽深度应保持为(1/3～2/5)Dw，Dw为钢球直径。太深容易出现圆形线状烧伤，需及时修整砂轮；太浅容易出现片状和两极烧伤，这时要及时用球压沟[8]。

3.3.7 硬磨压力的选择

硬磨钢球时，根据不同规格的钢球和沟槽深度，一般选择压力为2～3 MPa。磨削过程中压力要保持平稳，不能突然升高或降低，否则容易造成烧伤[9]。

4 钢球加工中的节能降耗

4.1 原材料选择与供应

原材料成本占钢球制造总成本的50%～60%，提高材料利用率，尽量减少供货中间环节，控制材料价格对降低成本作用重大，应放在节能降耗工作的首位。

(1)建立区域行业协会，统一大批量订货，实现钢厂与用户互利双赢。

(2)各钢厂工艺质量水平不同，价格差异较大。应根据钢球用途选用不同档次钢材，降低材料成本。

(3)在备料加工过程中清除材料缺陷层，较制成球坯后清除不仅工艺费用低，且耗费材料少(减少30%)，可减小球坯留量，经济合理[10-11]。但材料缺陷残留必须在淬火前完全清除，因此，减少淬火前磨量必须以稳定可靠的材料质量作为保证。

(4)连铸材较模铸材价格相差较大，改进提高连铸材质量，使之满足钢球使用性能要求迫在眉睫。

4.2 镦压工序

(1)改善镦压设备精度，严格控制球坯偏差，减少废品率，提高工序质量。如采用高速冷镦机可节材2%～3%。

(2)采用硬质合金模具或其他经表面硬化处理的模具，提高磨具工作面的抗磨损、抗疲劳能力，减小球坯公差，可节材1%～2%。

(3)研究球坯变形过程，改进球窝形状；优选料径，采用压缩比上限，压缩环带尺寸，不仅可降低材料消耗，也可大幅度减少光磨工时费用。

4.3 光磨工序

光磨工序消耗钢球总留量的2/3左右，光磨板的性能、光磨液的质量和工艺参数的选择是节能降耗的重点。

去环带时，光磨板损耗量比正常磨削时多1倍。减小球坯环带和采用轧制球坯，可缩短光磨工时，减小机床振动，延长使用寿命。光磨去环带后及时将压力调整开关转向自动，实现“电流控制压力补偿”，可节约电能15%，使磨削效率提高25%～30%。

磨板损耗及切削效率与磨板和球的接触弧长相关。增加光磨设备装球量，使球与磨板沟槽接触弧长变化减慢，可保持光磨工序高效率并减少磨板损耗。当装球量由每盘200 kg增加到400 kg时，可节约磨板损耗、工时约14%。

通过增加压力、选用粗糙的磨板提高光磨加工效率，可能会使钢球表面质量下降，影响热处理及后序加工。光磨后期降低压力，虽能改善钢球表面粗糙度，但可能造成表面疲劳，产生表面剥落、黑点。因此，在现有磨板质量水平条件下，采用2次光磨或光磨+软磨的工艺更为合理。

4.4 磨球工艺

采用砂轮自动修整技术，保持砂轮沟深略小于球径的1/2，较未安装自动修整器的磨球设备，可使砂轮节约50%，磨削效率平均提高30%。

采用砂轮粘接工艺较传统砂轮嵌焊工艺，可使砂轮报废厚度由25 mm减小到5 mm以下，砂轮使用率提高近20%。

砂轮转速和压力与磨球效率成正比，但转速达到一定值时，砂轮自锐性将降低，且进、出球紊乱，会破坏球表面质量；压力过高时，砂轮磨粒未及时发挥磨削作用，即被压碎或剥落，砂轮损耗较大。正确的操作方法是，适当降低砂轮转速，增加进球量，提高磨板中球的分布密度并保持球与砂轮间适当的接触压力，从而在达到同样的磨削效率下降低砂轮损耗[12]。

砂轮的耐用度不仅与砂轮的硬度有关，更与砂轮的密度、磨料性能及粒度有关。国内不同厂家的砂轮寿命相差较大，究其原因与砂轮压力机吨位不足、砂轮密度不够有关。

金刚石修整块的使用寿命与金刚石粒度、浓度及包镶能力有关，质量较差的修整块虽然价格较低，但寿命甚至不足正常的1/5，且过早剥落的金刚石颗粒会给球面带来垫伤，使成品钢球不能正常排出，造成批量废品。因此，选择金刚石修整块必须考虑性价比[7]。