滚动轴承再制造的行业现状与研究进展

陈龙

（河南科技大学 机电工程学院，河南 洛阳 471003）

1 概述

再制造[1]具有能耗低、排放少的突出优势，因而得到了各国的极大重视。再制造业三十余年前兴起于欧美国家，其产业范围非常广泛，包括汽车、工程机械、电动机、机床、器械、家电、办公设备等[2]。我国的再制造行业起步于本世纪，2000年，“再制造工程技术及理论研究”被国家自然科学基金委员会列为“十五”优先发展领域；2005年，国务院颁布的21，22号文件明确表示支持废旧机电产品再制造；2009年，《中华人民共和国循环经济促进法》正式生效；2010年，国家发展改革委员会与机电行业35家企业签署承诺书，正式启动了机电产品零部件再制造试点工作；2011年，国家11个部委联合发布的[2010]991号《关于推进再制造产业的意见》和工信部 [2010]303号关于《再制造产品认定管理暂行办法》规范了再制造产品的生产问题[3]。

滚动轴承再制造[4]的方法包含但又不仅限于广义再制造的范畴。广义再制造主要依靠电镀或者喷涂技术在零件表面增加材料，并通过机械加工恢复零件尺寸与形状精度；滚动轴承再制造需要采用此类技术，如：轴承内、外径面在长期使用过程中可能发生磨损或精度丧失，采用上述再制造技术在内、外圈表面涂覆材料后再进行机械加工，恢复其装配尺寸和精度，以实现轴承与机械装备的配合。另一个方面，滚动轴承再制造又与广义再制造存在差异，其差异性主要表现在滚道的再制造上，由于工作中滚动体与滚道的接触副承受巨大的交变应力，采用电镀或喷涂类的材料增长技术再制造出的滚道难以满足滚动轴承的应用需求，目前广泛采用去除材料的方法来再制造轴承。

由于滚道再制造方法的特殊性，滚动轴承再制造后无法回归到原始设计寿命，只能使轴承寿命回归到原始寿命曲线，如图1所示。图中计算额定寿命曲线是指轴承选型过程中依据轴承应用工况建立的理论寿命曲线。实际应用中，由于安装因素、环境污染、润滑不充分等因素影响，实际寿命往往偏离预测寿命值（应用于重工领域轴承的实际寿命小于10%的计算寿命L10[5]）。轴承再制造的目的是挖掘轴承零件（主要是套圈）未被充分使用的轴承剩余寿命。

图1 滚动轴承再制造的寿命曲线Fig.1 Life curves of remanufacturing of rolling bearing

现以滚动轴承为研究对象，分析轴承再制造的行业现状、技术特征以及未来发展趋势。

2 滚动轴承再制造的行业现状

滚动轴承再制造的发展历程较为曲折，但经过近70年的发展，目前滚动轴承再制造已进入相对稳定和成熟的时期，形成了较为完整的再制造分级方法与工艺流程。

2.1 发展历程

文献[4]提出其旗下品牌FAG轴承再制造起源于1954年，但目前能查到的完整轴承再制造技术资料为文献[6]中轴承修复工艺总结。长沙轴承修配厂再制造对象为农机轴承，该厂在轴承再制造实践过程中编制了零件与成品的检查规程[7]，并制定了相关企业标准[6]；工艺方法上，除了常规的清洗抛光外，还包含镀铬工艺、滚道磨削工艺、保持架整形工艺以及装配过程中的选配工艺等，在当时的社会经济条件下，这些工艺方法的实施与应用是非常先进的。由于当时缺乏完善的理论基础，其缺陷在于再制造方案的制定较为随意[6]，但由于修复对象为可靠性要求不高的农机轴承，因而其方案能够满足应用需求。

最早的滚动轴承再制造系统性文件为美国陆军航空系统司令部发布的《轴承磨削修复报告》（USAAVSCOM－TR－76－27）[8]，并且指出当时美国军方使用抛光方法来再制造轴承已经有20年历史。1974年9月，文献[9]引起了美国陆军航空系统司令部（USAAVSCOM）的重视，与美国国家航空和宇宙航行局（NASA）联合开展了近两年的专门研究。1976年5月20日～21日，文献[10－13]分别从制造、性能评估、检测、应用与经济性5个方面做出了独立报告。美国陆军航空系统司令部汇总了这些报告并发布了USAAVSCOM－TR－76－27，标志着滚动轴承再制造成为系统性工程。1976年，轴承再制造的第1份正式报告[14]发布，成为NASA在轴承再制造研究方面的起点；1977年，轴承经再制造后的寿命分析报告[15]发布；1987年，去除滚道表面金属层对于疲劳寿命影响的分析报告[16]发布；此后，NASA的轴承再制造项目发生停滞，中断时间接近20年。

虽然轴承再制造的基础研究停滞，但产业发展并未停止，发展较快的再制造项目主要集中在航空或铁路等高价值产品领域，工业轴承再制造也在这一时期进入各大轴承制造厂的视野。航空轴承方面，Timken公司成立了Bearing Inspection Inc（BII），为航空发动机轴承的检测与再制造提供服务[17]；Schaeffler在澳大利亚专设了航空发动机轴承再制造中心[18]；SKF将4个相互依存的维修中心组织起来专门提供航空发动机轴承的检查、维修和大修轴承服务[19]。铁路轴承方面，各大知名品牌的轴承制造商均有自己的专业再制造工厂，如中国大陆的北京南口斯凯孚铁路轴承有限公司，舍弗勒（宁夏）有限公司，洛阳LYC轴承有限公司铁路轴承事业部等。用于重载行业的各种类型的滚动轴承，由于其本身价值较高，国内外众多轴承制造商在这一时期纷纷开展大型及特大型轴承的再制造服务，也正由于各轴承制造商均具备轴承再制造的生产能力，业务分散程度大，因而没有萌生规模化的专业轴承再制造工厂，也没有形成相关的技术体系文件。1991年，文献[20]针对金属轧制工厂中轴承工作环境恶劣容易造成轴承早期异常失效的实际情况，提出了大型轴承再制造的价值和意义，并从应用角度首次提出了较为详细的轴承再制造方案。

进入21世纪后，二氧化碳大量排放造成的生态恶化问题受到越来越多的关注。大型轴承制造过程中使用材料多、能耗高、碳排放量大，滚动轴承再制造的理论研究与产业规模快速发展。理论研究方面，NASA再度开展中断了近20年的研究，并陆续发布了多项针对滚动轴承再制造的研究报告，其中文献[21]给出了明确的轴承再制造分级方式以及再制造流程，并规定了再制造轴承的可靠性问题；文献[22]提出了飞机发动机轴承的再制造技术规范；文献[23]回顾了轴承钢的发展历史与前景，提出了滚动轴承再制造行业需考虑到轴承的原始材质；文献[24]再度总结了再制造轴承的寿命计算问题。众多学者也开始关注轴承再制造的技术问题。文献[25]采用试验与理论分析结合的方法分析了采用抛光再制造轴承的滚动接触疲劳问题；文献[26]基于大型向心轴承滚动体的再制造，提出了新设计条件下的5级再制造方法；文献[27]研究了通过轴承再制造以延长寿命并提升性能的问题；文献[28]针对调心滚子轴承分析了再制造过程与疲劳寿命的关系。产业规模上，各知名品牌的轴承制造厂均成立了专业化的再制造工厂，其中 SKF[29]，Schaeffler[4]和 Timken[30]在全球的专业再制造工厂数量分别达到9，7，6间，这一时期增加的再制造工厂主要对象为工业轴承。正由于这一时期再制造行业的快速发展，越来越多的重工企业也开始关注轴承再制造的价值，并对再制造轴承的可靠性进行了实践检验。

2.2 轴承再制造分级方法

滚动轴承再制造的对象是已经使用过（或长时间存放未使用）的轴承，由于使用周期数量、应用工况差异，其状态差别较大，制造工厂开展轴承再制造时需先将其分级。文献[8]提及了不同状态区分，但由于其关注的对象是航空轴承，因而其分级方式较为简单。

专业轴承再制造厂积累了大量实践经验，形成了较为详尽的轴承再制造分级方式，3个品牌轴承制造厂的再制造分级形式和内容见表1。

表1 轴承制造厂轴承再制造分级形式和内容Tab.1 Classification forms and contents of bearing remanufacturing for manufacturers

表1中，SKF将再制造分为5个等级[29]。其中Class 0指检测旧轴承或长时间库存的轴承，以确认其是否满足图纸要求的再制造等级；Class Ⅰ指对存在轻微缺陷的轴承进行局部抛光或磨削以恢复轴承性能的再制造等级；Class Ⅱ指更换滚动体、保持架，磨削轴承内、外径或端面以保证装配需求，抛光滚道并且金属去除量小于13μm的再制造等级；Class Ⅲ指滚道磨削去除量达到75μm（轴承外径小于400 mm）或300μm（轴承外径大于400 mm），并更换加大尺寸滚动体以保证游隙的再制造等级；Class Ⅳ指以上再制造方案不能满足需求，需更换一个套圈的再制造等级。

Schaeffler FAG将再制造分为4个等级[4]。其中Level Ⅰ指轴承的清洗、拆解与零件检测；Level Ⅱ指对于零件表面存在的轻微缺陷抛光处理，该等级不更换任何零件；Level Ⅲ指滚道存在明显缺陷，对其进行磨削并更换滚动体；Level Ⅳ指套圈存在裂纹或深度疲劳缺陷时，需更换套圈、滚动体、保持架等零件。

Timken将再制造分为3个等级[30]。其中Type Ⅰ为轴承的清洗、拆解与零件检测；Type Ⅱ为零件表面存在的轻微缺陷抛光处理；Type Ⅲ为滚道磨削，滚动体更换。

NASA将轴承再制造分为4个等级[21]。其中Level Ⅰ指轴承的清洗、拆解、零件检测并与原零件图对比；Level Ⅱ指对于套圈表面存在的轻微缺陷抛光处理，更换滚动体；Level Ⅲ指滚道磨削并更换加大尺寸滚动体；Level Ⅳ指更换套圈、滚动体、保持架等零件。

对比3家公司及NASA的再制造分级方法可知，虽然表面看起来差异较大，但实际上存在一致性。其中，SKF的Class 0＋Class Ⅰ与FAG的Level Ⅰ，Timken的 Type Ⅰ包含内容一致；Class Ⅱ，Level Ⅱ，Type Ⅱ均为轴承各表面的抛光；Class Ⅲ，Level Ⅲ，Type Ⅲ均为磨削滚道并更换加大尺寸滚动体；Class Ⅳ和 Level Ⅳ均为更换套圈的再制造方法，但Schaeffler FAG明确指出Level Ⅳ的再制造成本与新轴承接近，仅对特殊领域的轴承才开展此等级的再制造[4]。NASA的再制造分级方法与 Schaeffler FAG接近，区别仅在于NASA的Level Ⅱ要求更换滚动体。

虽然目前国内很多轴承制造厂开展了轴承再制造业务，但未见专门分级方法的技术资料。这与国内轴承行业的再制造产业现状有关，国内轴承再制造产业分散，缺少专门的再制造工厂，开展的技术研究仍集中在工艺方面[32－35]。

2.3 轴承再制造工艺流程

由于再制造对象状态的差异，轴承再制造的工艺流程与其分级方法紧密相关，其工艺流程及其与再制造分级的关联性如图2所示。

图2 轴承再制造工艺流程图Fig.2 Process flow diagram of bearing remanufacturing

待再制造轴承入库后，首先清洗轴承，若轴承装配指标中有游隙值要求，应测量待再制造轴承的游隙值；对于向心轴承，上一使用周期的承载区对于轴承再制造效果的影响至关重要（图1），因此应标记其承载区；随后，将轴承拆套，采用目检方式观测滚道与滚动体表面状态；采用无损检测方法检测材料内部状态；检测各零件的尺寸、形状与位置参数，并出具原始检测报告；若轴承无显著缺陷，采用手工方法去除细小缺陷，退磁后装配，测量旋转精度，对于密封轴承需重新注脂，包装入库。

以上为Level Ⅰ再制造工艺流程，若以上工艺不能满足技术要求，则需采用Level Ⅱ工艺。Level Ⅱ再制造包含Level Ⅰ的前期所有检测环节，对于游隙或某些尺寸不合格的轴承产品，旧零件互配以保证装配要求（互配过程需要考虑轴承的内部结构设计的一致性）；采用互配法有可能造成轴承回转节圆直径少量变动，需关注保持架兜孔间隙量，工艺流程上需处理保持架；将无明显缺陷的滚道抛光后重新装配。

对于滚道存在明显缺陷的轴承，Level Ⅱ不能满足轴承再制造技术指标，需进行滚道磨削，并更换加大尺寸的滚动体以保证游隙，滚道磨削量一般不超过300μm，并要求内、外滚道金属去除量均匀以保证节圆直径不变，同时要考虑到保持架兜孔间隙量满足回转要求；这一过程中也涉及到零件选配问题，即Level Ⅲ工艺流程。

按照最大磨削量，若仍不能去除滚道缺陷，则需更换一个套圈，更换加大尺寸滚动体（若滚动体无显著缺陷且保持架兜孔间隙满足要求，也可采用滚动体磨削的方案），即Level Ⅳ工艺流程。如果2个套圈的滚道上均存在无法去除的缺陷，则该轴承报废。

3 滚动轴承再制造技术的理论与实践

作为精度要求高的机械基础件，滚动轴承应用过程伴随着寿命和精度的衰减，使滚动轴承再制造成为一个复杂的技术问题，其难度主要体现在寿命计算理论和工艺复杂性2个方面。

3.1 再制造轴承的剩余寿命计算理论[14，19]

滚动接触疲劳表现为金属微粒从滚道或滚动体表面脱落，对于制造润滑良好、充分的轴承，剥落起始于表面下的裂纹，然后扩展至表面，最终在承载区域的表面形成麻点或者剥落。深沟球轴承在外载荷P作用下，轴承承载区与接触轮廓示意图如图3所示。外圈静止，内圈以角速度ωi旋转。图中：Gr为轴承的径向游隙；xi，xo为由于交变载荷作用造成的外圈沟道硬化层的深度。

图3 深沟球轴承的承载区域Fig.3 Loaded region of deep groove ball bearing

文献[36]认为正交剪应力τ0是疲劳裂纹产生的根源，并提出了轴承的疲劳寿命计算公式；文献[37]采用最大剪应力τ45代替正交剪应力τ0，修正了Lundberg的寿命计算公式，即

式中：S为幸存概率；c为应力寿命指数；e为Weibull分布的斜率；N为以应力循环次数计数的轴承寿命；V为承受应力的体积。

由（1）式可得轴承寿命为

式中：A为材料寿命因子。

滚动轴承的额定寿命是指一批轴承在规定载荷下运转，90%的轴承没有发生失效，而10%的轴承发生失效的估计寿命，即L10。但在苛刻工作条件下，绝大部分轴承在达到L10之前均已被替换，这意味着很多轴承较多的剩余寿命被浪费，滚动轴承再制造的理论基础在于挖掘这部分剩余寿命的价值。依据前文轴承再制造分级方法，不同级别的再制造工艺方法存在差异，因而其剩余寿命计算方法也存在差别。

对于Level Ⅰ再制造工艺流程，轴承滚道未经机械加工，因而其剩余寿命计算可根据滚动轴承寿命计算理论继续计算。一批轴承运转时间达到L10后，按照额定寿命的定义，该批轴承有10%发生失效，将90%未失效轴承采用Level Ⅰ再制造，仍依据额定轴承寿命的定义，此批90%再制造轴承的10%发生失效，即为再制造后的L10。即到此时原始轴承数量的10%＋90%×10%＝19%发生失效，则剩余寿命的计算转换成幸存概率变量问题，即

式中：F为失效概率。

寿命计算过程中分别计算L10和L19，二者差值与L10的比值为再制造后轴承的寿命修正系数，即

再制造后轴承的寿命为

式中：LFI为寿命修正系数。

（1）～（5）式计算的是可靠度为90%时的再制造轴承的寿命，不同应用条件下可靠度需求存在差异，Zaretsky计算了不同可靠度下轴承Level Ⅰ再制造后的寿命修正系数，见表2。

表2 轴承寿命系数Tab.2 Life factors of bearing

对于Level Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ再制造的滚道，由于其表面存在金属去除量，去除滚道表层金属后，其剩余寿命比Level Ⅰ再制造后轴承的长。滚道经再制造后最大剪应力位置变化曲线如图4所示。图中：对τ45做了归一化处理；x为抛光（或磨削）去除的材料深度；下标1，2为2次材料去除过程。将x1和x2归一化处理后去除材料的分数百分比。由图4可知，经抛光（或磨削）后造成的滚道尺寸变化改变了应力分布状态。

图4 滚道经再制造后最大剪应力位置变化曲线Fig.4 Variation curves of maximum shear stress position of raceway after remanufacturing

假定被硬化的材料仅为滚道表面到最大剪应力的位置，此时 Z／Z45＝1，则深度超过Z45部分的材料可以理解为未发生硬化。假设去除材料的深度为x，则滚道下未经硬化的新材料体积为

式中：（6a）式为点接触类型轴承；（6b）式为线接触类型轴承；a为接触椭圆的长半轴；lL为接触区的当量宽度；lt为滚道接触区长度。

除了（6）式包含的材料体积外，滚道下还包含上一应用周期硬化后的材料，材料硬化后将减少轴承的寿命，其体积为

由（1）式可分别计算再制造后轴承滚道下包含的2种特征（硬化后／未经硬化）的材料寿命，即

式中：Lx为未经硬化材料的寿命；L1－x为已硬化材料的寿命。

对于滚道下层2种特征的金属材料，可按照乘积定律将其寿命进行统计处理[21]

（9）式计算了1条Level Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ再制造滚道的剩余寿命，另一条滚道的寿命计算可以采用相同方法，获取2条滚道的剩余寿命后仍采用乘积定律将其进行统计处理以求取整套轴承的剩余寿命[38]。

需要指出的是，对于向心轴承，由于游隙影响，滚道上被强化的材料仅位于承载区，因而若再制造后更换承载区，则其寿命衰减程度与整个圆周承载的轴承存在差别，再制造后的寿命曲线如图1所示。

3.2 实践问题

除剩余寿命计算的理论问题外，再制造时轴承状态的多样性还造成诸多实际问题，目前主要集中在已使用时间统计、工序间技术条件以及整形工艺3个方面。

3.2.1 已使用时间的统计

剩余寿命的理论计算过程中的重要参数是轴承再制造时已使用时间，但对于非连续工作的轴承，主机厂难以提供可靠的数据，对于确定该轴承是否能够进行再制造以及其剩余寿命的计算是棘手的实际问题。

3.2.2 工序间技术条件的制定

滚动轴承应用造成零件精度降低，为恢复零件的尺寸、形状和位置精度，再制造工艺过程中会衍生出很多新问题（如套圈椭圆度大且内外径尺寸余量不足，滚道磨削后将破坏套圈壁厚差）。对于这类再制造工艺环节中的技术问题，目前尚无统一的工序间技术条件规范，再制造工厂使用的内部工序间技术条件仅依赖于应用经验。

3.2.3 整形工艺的制定

工业轴承尺寸相对较大，使用过程中极易造成套圈的圆度超差，为保证再制造后套圈的圆度，经常需要在磨削套圈前进行整形工艺。不同原材料和热处理方式对整形效果都存在较大影响，目前整形工艺的技术规范也不明确。

4 展望

随着滚动轴承设计方法的进展以及新型材料增长技术的出现，滚动轴承的再制造技术将迎来新的变革，同时，随着再制造行业的整体推进，越来越多的用户认可滚动轴承再制造的价值，也将带来轴承再制造业的又一次兴盛。

4.1 适合于再制造的轴承结构

滚动轴承（尤其是重载条件下的工业轴承）的滚道疲劳问题是其应用实践环节中难以避免的问题，也是造成轴承再制造与一般再制造差别大的根源问题。对于重大型轴承，需承受交变周期应力的材料只占整套轴承材料很少一部分，若滚道与轴承整体分离，则为轴承再制造提供极大方便性。

目前已有工业轴承开始采用独立滚道，以转盘轴承为例说明这种设计方案。盾构机上采用的一种新型三排滚子主轴承（图5a），轴承壳体采用调质后的42CrMo[39]，仅滚道部分采用渗碳轴承钢G20Cr2Ni4[40]，材质选择综合考虑了制造成本与应用效果的平衡。滚道一面达到疲劳寿命后，翻面后测量回转精度，若能满足使用要求，则直接反面使用；若不满足使用要求，则可通过再制造修磨原滚道面作为定位面，将原定位面作为滚道；当滚道两面均已发生疲劳，可采用更换滚道的再制造方案。一种交叉滚子钢丝滚道轴承结构如图5b所示。钢丝滚道轴承结构形式涵盖现有的所有轴承结构形式，广泛应用于军工设备、医疗器械、纺织、太阳能、机器人等众多行业[41]。壳体材料采用目前使用较多的硬铝合金 AlZnMgCu1.5[42]，滚道材料使用弹簧钢60Si2MnA[43]。此类轴承的显著优点在于快速更换的方便性，其本质即为轴承再制造。

图5 适合再制造的滚动轴承结构Fig.5 Structures of rolling bearings suitable for remanufacturing

4.2 新型再制造方法的应用

由于交变应力作用，一般滚动轴承的滚道、转盘轴承齿轮的啮合位置不适于采用材料增长的方法进行再制造，但实际再制造中也有部分轴承的接触位置采用材料增长方法，如钢包回转台中使用的转盘轴承的齿轮，渗碳钢制造的滚动轴承的非承载区等。另外，随着材料增长技术的快速发展，基于该技术的滚道再制造的研究也陆续开始。

4.3 滚动轴承的批量再制造

滚动轴承再制造的一个重要环节为零件互配，而实现零件互配的前提和基础是待再制造同型号轴承的批量较大。尽管近年来已有部分重工企业开始关注轴承再制造的价值，但实践中归集同一型号形成批量仍存在较大困难，期待未来能有更多用户关注并认可滚动轴承再制造的价值以形成批量，这将大大提高再制造的成品率，并显著降低再制造成本。