CBN油石超精对轴承性能的影响浅析

童中俊，张 慧，李 静，温朝杰

（1.扬中市旭日精密磨具厂，江苏 镇江 212200；2.洛阳轴承研究所有限公司，河南 洛阳 471039）

1 前言

目前国内微小型轴承行业的超精工序还是普遍采用普通磨料油石（白刚玉渗硫油石或碳化硅渗硫油石），先粗超后精超（行业内俗称 “两步超”）的传统工艺。由于普通油石寿命短，一般超 100～200 个套圈后就需更换，频繁更换油石造成了油石成型次数多、套圈返工数量多。不仅生产效率低下，而且超精效果及其相关参数的稳定性、一致性也差，致使轴承整体品质下降，难以和进口高端品牌相比。

近年逐渐推广应用的CBN油石，由于其超硬特性和长寿命、高效率等优异性能，已被越来越多的轴承厂家所接受。CBN油石在绝大部分工况条件下，均可一次性高效完成超精（行业内俗称“一次超”或“一步超”）作业，且一支定型尺寸的CBN油石可以超精上千个甚至数千个套圈。不但完满地弥补了普通油石的各种不足，还大幅度提升了微小型轴承的各项性能。

2 CBN油石超精优势

2.1 CBN油石特性分析

CBN即立方氮化硼，是由氮原子和硼原子构成的类金刚石结构的新型晶体。CBN 磨粒硬度高（莫氏硬度 9.8），接近金刚石（莫氏硬度10）；球状颗粒比例高（可达 60%），特别适合于加工成微细颗粒；具有良好的韧性和自锐性；物理化学性能稳定，在 800℃ 条件下，性能损失＜1%。

CBN油石因磨料本身固有的超硬特性，其超精过程的磨耗量一般只有普通油石的1/10～1/20；可制成较小体块的生坯，并采用内部温差小的小型电炉烧结，因而烧结后的坯块硬度均匀性好；采用小型自动化混料设备进行配混料作业，使得成型料具有优越的均匀性和松散性，易于压制密度均匀的生坯；再辅之于合适粒径的成孔剂，烧结后的坯块内部孔隙分布均匀，孔径也基本一致，特别有利于超精过程中磨屑的吸纳和抛出；采用 800℃ 以下低温陶瓷结合剂烧结，完整保留了CBN磨料的各项优秀性能；CBN油石自身具有超长寿命和优良的超精研光整效果，因此无需给油石渗入硫磺来增强其性能。

2.2 CBN油石超精特点

CBN油石超精是采用对应粗糙度要求的粒度组成的CBN油石并对其施加相对恒定的压力，再通过其短行程往复振动、慢速相对进给运动，对经过磨削的套圈沟道表面实施一次性定量磨削。

基于CBN油石的超长使用寿命、超强自锐性、超高磨粒球形比等优异性能，可以彻底改革普通油石现行的超精工艺，将粗超、精超合二为一，实施一次超。既大大节约了超精工序的人工成本，又大幅度提升了生产效率。

3 对轴承特性的影响分析

3.1 提高了沟道表面质量

沟道表面质量包括表面纹理和表面层物理力学性能。表面纹理包括表面粗糙度、沟形、波纹度、表面纹理方向以及表面瑕疵等，表面物理力学性能包括表面层硬度、组织和残余应力等[1]。

1）提高了沟道几何精度

在超精研过程中，由于CBN磨料的特性，油石与工件接触的圆弧远大于工件表面波纹度的波长。油石完全作用于波峰，波峰的接触压力很大，凸峰彻底被切除，从而大大减少了波纹度。消除了球轴承滚道 70% 以上的沟形误差（Pt值），并同步改善了成品的游隙、接触角、摩擦力矩等指标。

另外，由于CBN磨料的超硬特性以及CBN油石超低的磨耗量，还能得到极为稳定一致的超精深度，使套圈沟道表面尺寸精度和表面粗糙度高质量达标。如果工装设备性能完全适应工艺要求，超精后套圈沟道表面尺寸精度和表面粗糙度误差可以控制到纳米级。

实践证明，在微小型球轴承套圈的沟道圆度、波纹度、沟曲率、沟形误差、沟粗糙度Ra等精度指标方面，CBN油石的超精效果大大优于普通油石。

2）提高了沟道表面残余压应力

由于CBN油石磨粒极为坚硬锋利且自锐性又特别好，在对套圈被加工表面超精研过程中，会使其产生较普通油石更大的冷塑性变形和残余压应力。此可大幅度增加套圈的抗磨损能力，既延长了轴承寿命，又大幅度提高了轴承应对恶劣工况条件的能力。

采用CBN油石超精使套圈沟道表面的轴向、径向残余压应力平均值大幅提升，残余应力标准差大幅降低，残余应力离散度显著收敛。尤其是轴承的自润滑能力得到大幅度提高。这些正是制造长寿命、高性能高端轴承的关键所在。

浙江某集团联合油石厂家于十多年前共同研发汽车变速箱轴承。通过引用CBN油石和特殊的超精工艺，历经五年时间反复试验，终于将624、604、695 等型号的微型轴承的综合品质提升至同类进口轴承的水平，成功打进欧洲市场就是最好的例证。

3.2 激发了轴承自润滑能力

CBN油石超精的套圈在球轴承运行过程中可以产生很强的自润滑效应，从而使轴承具备超高的自润滑能力。而自润滑能力强的轴承，其运行中产生的摩擦热因自身的自润滑效应得以及时排弃，从而大大延缓了轴承内部热量积蓄的进程，使轴承适应恶劣工作环境甚至极端工况条件并长时间运行的能力得到大幅度提升。轴承自润滑效应的形成机理比较复杂，现简要分析如下：

经过超精作业的套圈沟道表面会形成一系列沿轴承径向分布的超精丝线，即行业内通称的“丝路”。这些丝路其实就是一条条丝峰连线与相隔一定距离且数量相同的丝谷连线所组成。如图 1、图 2 和图 3 所示：

图1 正常理想超精线（100×）

图2 超精线示意图

图3 超精丝路模型图

丝峰与丝峰之间有一定的距离，丝谷与丝峰之间有一定的高度差a，从而形成一条条V形槽。这些V形槽在一定条件下可以容纳润滑油并在沟道表面形成一层润滑油薄膜。如图 4 所示：

图4 润滑油膜示意图

当a＞0.5μm 时，V形槽就易于贮存一定粘稠度的润滑油，并在槽口即沟道表面形成油膜，如图 4 中粗实线所示。由于表层油膜的阻尼效应[2][3]能有效地减缓钢球与沟道表面的硬接触力度，从而使轴承运行中钢球与沟道相互摩擦产生的热量降低。同时此层油膜协同膜下V形槽贮存的润滑油，很好地吸纳了轴承运行中钢球与沟道相互摩擦产生的热量，并经过热传导效应将这些热量从轴承体内排出，大大延缓了轴承内部热能累积进程。

由于在超精过程中从油石端面脱落的坚硬锋利的CBN磨粒被挤出沟道时产生的削划效应，使丝峰连线（峰沿）上留下很多形态各异的豁口（普通油石虽然在超精过程中也能产生削划效应，但因其粒度粗，脱落的磨粒数量少[4]且硬度及锋利度远低于CBN磨粒，所以形成的豁口又浅又小，作用可以忽略不计）。如图 5 所示：

这些豁口可以使润滑油除了沿径向流动外还可以轴向流动，从而大大增强了热传导效应，更进一步地减缓了轴承内部热能累积进程，使轴承的使用寿命得以大幅度延长。与此同时也大大拓展了轴承的使用范围和使用环境。

经过进一步研究和实践发现，当a＞1.0μm时，油膜的阻尼效应会大幅度增加，轴承承受长时间运行、大扭力过载的能力也随之大幅度提升。

4 结论

1）CBN油石能更有效地减小沟道波纹度、沟形误差；套圈超精表面尺寸精度及粗糙度数值不仅稳定一致，而且误差范围缩减到纳米级别；大幅度改善了成品的游隙、接触角、摩擦力矩等指标。通过上述因素的综合作用大幅度提升了套圈工作表面的接触支承面积和钢球在沟道中的旋转灵活度，同时也大幅度降低装配累积误差，进而大幅度降低了轴承运行过程中的振动、噪音。大大降低了轴承运行中的摩擦热值及其热量积蓄进程，从而延长了轴承的使用寿命。

2）CBN油石能更有效地产生冷塑性变形并形成更高的残余压应力，进而大幅度延缓套圈和钢球的磨损进程，大幅度延长了轴承的使用寿命。

3）CBN油石能使轴承具备超高的自润滑能力，使得轴承大大提升了适应恶劣工作环境甚至极端工况条件并长时间运行的能力。