钢球加工工艺技术与装备发展方向探讨

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行 业 技 术编者按 ：本文通过对国内钢球加工工艺过 程的介绍，分析了我国钢球加工工艺现状及存在的主要 问题 ，探讨 了钢球加工工艺技 术的发展方向。

钢球加工工艺技术与装备发展方向探讨口 文/张永乾作者：中国轴协技术委员会滚动体学部副主任委员兼秘书长1概述钢球作为滚动轴承的关键轴承零件，在轴承中起承载和传递载荷的作用，随着轴承的旋转而旋转，由于钢球表面上的任何-点都是承受载荷的工作面，承受周期不定的变化载荷 ，接触面积小 ，接触应力大 ，钢球受力条件 比较恶劣，极易产生疲劳破坏。钢球对轴承的振动噪声也有较大的影响。钢球是球体形状的零件，其整个表面既是加工面又是支承面，因此钢球加工技术是机械行业中最独特、最专业化的技术 ，对原材料 、工艺技术、加工装备、工装磨具、研磨液等要求非常高。

我国钢球制造技术近年来发展迅速，从钢球工艺技术水平、装备水平、质量控制水平以及工装磨具水平都达到或接近国际先进水平，管理更趋精细和完善，规模化生产和经营凸显，生产总量不断扩大。钢球实物质量水平：批量生产钢球公差等级 G5，规格材料齐全，单粒振动达到 26dB，钢球寿命 K值达到 12以上。

随着我国轴承行业从轴承大国向轴承强国迈进 ，在轴承寿命可靠性、自主创新等方面与国外仍有很大差距 ，对钢球质量提出了更高的要求〖虑原材料、工艺制造成本、员工流动及人工成本的不断攀升 ，钢球生产制造过程中，生产效率、批量质量稳定性与可靠性 、生产过程有效控制、质量过程控制和确认等问题越来越突出 ，轴承工业 2013.04 27行 业 技 术在此对钢球行业工艺装备与技术发展方向进行-些分析探讨，以期实现钢球行业工艺装备及工艺理念的突破，促进钢球质量水平、管理水平、工艺装备水平、工艺水平、工装模具水平等得到较大提升。

2钢球加工工艺现状2.1钢球 加 工工 艺过程国内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，形成了主要两种钢球加工工艺过程，-是钢球水剂大循环加工工艺，二是树脂砂轮磨研工艺，目前国内钢球加工基本工艺过程如下：28 轴承工业 2013.04水剂大循环加工工艺过程：原材料采购 (人厂检验)-冷镦 光磨-(软磨)-热处理-强化-硬磨-初研-精研-超精研-清洗-外观-防锈包装 库存树脂砂轮磨研加工工艺过程：原材料采购 (人厂检验) 冷镦-光磨-(软磨)-热处理-强化 硬磨-粗磨 细磨 精磨-清洗 外观-防锈包装-库存2.2 原材料钢球的原材料钢丝主要以国产为主，极少量进口日本、韩国等轴承钢丝，除少数厂家有炼钢能力外，国内分布上百家钢丝厂，大部分为改制拉丝厂，部分钢球厂有自己的拉丝厂。基本能较好地控制钢丝的尺寸精度，内在质量不是很稳定，所用原钢来源渠道复杂多样，钢丝质量参差不齐。有规模钢球厂对钢材的显微组织、组织、尺寸、外观、盘重等检验，化学成分基本按照钢厂的质保书。相当数量的钢球厂，只检验钢丝的尺寸、外观、盘重等，对钢材的内在质量基本不检验而依赖钢厂的质保书。

需要引起重视的主要问题是：(1)钢球厂需要编制钢球用轴承钢丝技术条件”作为验收轴承钢丝的质量文件。(2)建立理化检验试验条件，对原材料轴承钢丝进行人厂质量验收；(3)培养和引进材料专业技术人才，控制原材料质量和热处理质量。

2.3工艺装备水平国内已经形成了-整套的主力钢球加工工艺装备 ，包括 Z32、Z32G系列钢球冷镦机及高速冷镦机，3M49、3M79系列光球机，3M46、3M76系列磨球机，3M47、3M77系列研球机，保护气氛热处理炉，钢球表面强化机等，以及基于视觉系统的钢球表面质量外观检查仪，基于涡流探伤原理附带光学、振动通道的涡流光电外观检查仪，基于毛刷清洗的清洗机与基于高强度海绵旋转挤压清洗的清洗机。光、磨、研主力加工机床研磨版直径为 ko300mmtp950(1O00)mm，装球量 20kg1000kg，机床加工精度可满足加工 G5钢球的要求。

需要引起重视的主要问题是 ：(I)国产高速冷镦机质量仍不稳定 ，可靠性较差，冷镦模具质量偏低。

(2)光、磨、研设备-般为通用设备，专线化专业布局设计较差 ，造成设备能力及能源消耗的浪费。

(3)光、磨、研设备自动控制和自动化水平需要提高，加工效率需要整合。

(4)钢球加工工序间清洗、干燥、质量控制连线设备缺乏专业布局和生产。

行 业 技 术(5)钢球成品清洗设备适用性及清洗可靠性需要提升。

2.4质量控制方法国内钢球质量控制已经形成了-整套的质量控制方法，质量指标和方法主要为：原材料质量，尺寸及尺寸精度，热处理硬度及金相组织，表面缺陷。随着钢球加工工艺及加工装备的完善，各钢球制造企业在尺寸及尺寸精度、热处理硬度等方面都能满足标准要求，还需要引起重视的主要问题是 ：(1)原材料质量控制和根据钢球的用途进行材料选择，(2)钢球尺寸稳定性检测与控制，(3)钢球表面强化表面应力控制 ，(4)钢球表面形貌的检测与控制 ，(5)钢球波纹度监测和控制，(6)钢球出货质量确认，(7)钢球接触疲劳寿命试验与控制。

3 钢球制造过程中的几个问题及技术方向探讨3.1企业核心竞争力在企业管理和运行过程中，每个企业都在着力打造企业的核心竞争力，但随着人才流动、技术信息及商业信息的交流、员工频繁跳槽的今天，如何建立核心竞争力，保证持续的核心竞争力，核心竞争力的内涵，是需要探讨的问题。

众所周知，国际化的大集团公司在全世界不同的国家、地域设立分公司，这些区域有不同文化、不同的产业工人 、不同的思想，集团公司总部也就是派驻几名高级管理代表，但生产相同质量水平的产品。通过几个人来看管公司显然是做不到的，集团公司向公司输出的是-个管理团队、-个企业文化、-套管理程序方法、每个岗位的职责、以及效果确认及成绩评价改进方法。

作为钢球企业，就制造过程的核心竞争力的内涵应该包括：(1)-个包含技术(技能)骨干、班组长、车问主管、技术主管 、质量主管、行政主管、管理高层的人才团队。

(2)-套完善的管理程序，非常细化的操作规范和方法，告诉员工如何正确做事。

(5)成绩评价包括：对员工是否正确做事，管理程序、操作规范是否合理，工位职责是否完成，执行性等进行评价分析，而不是简单的效率和效益的结果计算。

(6)培训员工的职业理念、技术技能、企业思想和文化、职业道德等，在培训中宣传企业的灵魂和文化。

通过企业不断的培训 、评价分析、改进形成具有鲜明特色的独特的融入企业家思想 、理念 、价值观 、创新性等的企业灵魂和企业文化，这个企业才可以说具备了真正的核心竞争力。这样的企业在经历人事变动，人才流动时才可以良好运行，在面对技术信息交流和参观考察时不再保守 ，因为谁也带不走 、看不走企业的灵魂和文化。

3.2质量控制指标和方法在保证钢球满足 GB/T308标准规定的尺寸及尺寸精度、热处理硬度和金相组织等的基础上，还需要加强如下质量的控制。

3.2.1钢球波纹度的监测和控制钢 球 波纹 度 的概念 在 GB/T308标准中已经规定，但就其检测方法和技术指标-直没有统-的认识，但在钢球的尺寸精度、球形误差等指标符合标准的情况下，对影响钢球在轴承套圈中周期运轴承工业 2013.04 29行 业 技 术动和瞬间运动轨迹的波纹度，应该加强监测评价。

对于钢球波纹度的成因，也曾经讨论过多次，同样没有统-的认识 ，从波纹度概念，参照磨削加工原理来理解，由于钢球成圆加工过程运动的复杂性，钢球的波纹度成因虽然复杂和表述困难，但有- 点是可以确定的，即钢球的波纹度是由于钢球加工过程中周期性(或随机)不均匀切削造成的。能够造成钢球周期性不均匀切削的原因分析如下。

(1)加工机床主轴旋转精度，径向跳动及端面跳动过大，钢球在板沟中受力不均，造成钢球切削不均匀，并且是周期性的，虽然在以后的切削过程中会逐步改善，但这种不均匀会保留到成品。

(3)对于卧式机床，由于转动板与固定板同轴度的偏离，造成切削不均匀 。

以上所表述的加工切削不均匀，由于钢球加工过程是不断的在修正加工基准、板沟、吻合度、包络圆切削的过程，每-次的切削不均匀都会在以后的加工过程中得以改善，甚至得以修正，但接近加工完成的钢球，这些切削不均匀-定会保留到成品钢球中。所以这也是钢球波纹度呈现比较大的随机性偏离理想球形而不是完全像直径磨削那样呈现周期性的原因，也给钢球波纹度的检测和分析造成了困难。

对于钢球制造过程中波纹度的检测与控制，在钢球加工机床和加工环境确定的情况下，机床主轴精度 ，周边的振动源，机床的布局比较难以改变。但-定要做好可以控制的工作，(1)研磨板沟道加工保证沟道与定位孔的同轴度，(2)保证研磨板调整满足径跳和端跳满足工艺要求，并且加工过程不变化，(3)使用质量好的研磨板，(4)尽量去除机床周边的振动源，(5)设定的工艺参数应避开引起机床共振，(6)向钢球加工装备制造厂提出设备精度要求。

3.2.2钢球尺寸稳定性钢球尺寸稳定性与热处理残余奥氏体的含量直接相关，直接影响轴承装配精度。经过贮存、使用过程中轴承精度的变化。应该纳入钢球质量控制的-个重要指标。

钢球尺寸稳定性用加速试验钢球尺寸变化率来评定，计算方法为：钢球尺寸变化率(试验后球平均直径 - 试验前球平均直径)/30 轴承工业 2013.04试验前球平均直径。

3.23钢球表面强化表面应力目前钢球表面强化较多企业用硬度测量梯度来控制，部分企业采用表面应力控制强化工艺 ，就钢球表面强化的目的，-般认为是为了提高表面硬度，其实钢球表面强化的主要 目的是在钢球表面形成压应力状态，提高钢球的接触疲劳寿命，那么，钢球表面强化的控制指标应该是表面应力，用硬度指标来控制是不合理的，容易造成过度强化和欠强化，虽然许多钢球企业不具备 X射线应力分析仪检测设备，但需要加强钢球表面强化表面应力检测和分析，依据钢球表面应力确定每种规格的钢球表面强化工艺。每个规格钢球具体的表面残余应力控制指标需要结合寿命试验结果确定，但是-般应该控制在接近l500MPa以下。

3.2.4钢球表面磕碰痕- 般钢球制造企业在钢球表面缺陷控制方面非常重视钢球表面啃伤、擦划伤等，但是由于钢球在运输、搬运、清洗、检查等过程中造成的磕碰痕还没有引起足够的重视 ，这些磕碰痕很多情况下目视难以发现，尺寸和球形误差检测也不-定能够检测到，但是钢球的表面已经造成 了缺陷，甚至是组织的改变，对轴承性能-定会造成影响。

所以需要在钢球卸球 、加工、运输、清洗、检查等所有环节 ，尽力减少磕碰的发生。

行 业 技 术3.3工艺装备3.3.1专线专业化钢球制造线随着钢球生产量的加大 ，以及工厂专业制造理念的形成，已经具备了专线生产单-规格钢球的条件，就要求钢球加工装备专线专业化，如果用通用的机床进行配置，势必造成加工能力浪费，提高能耗，损失加工效率。这就需要钢球厂在设计生产线时做好专线钢球规格的规划，提出生产 目标和要求，钢球加工装备制造厂根据钢球厂的生产目标和要求设计专线，包括机床配置、机床型号 、机床功率、工装模具等，达到最大限度的发挥机床的加工能力，加工效率，加工精度，专线的稳定性，最大限度的降低能耗、生产成本。

33.2工艺装备数控化与自动控制钢球加工设备近年来改进和进步很大，对提高钢球质量水平发挥了极大地作用。但随着钢球质量稳定性、可靠性要求的提高，需要更加稳定可靠的加工系统，将人为因素降到最低，目前钢球加工设备在自动控制方面还有待提高和进步。

钢球an T设备的数控化需要从加载方式、主轴系统、控制参数、机床布局进行整体设计，避免在现有基础上的添加功能，应该以全新的理念创新的思维满足钢球加工工艺的实现。

3.3.3工艺过程连线装备目前钢球加工过程-般仍为单机操作为主，工艺过程设备比较缺乏，为了保证钢球的加工效率和质量，需要开发工艺过程中的连线设备，包括智能传输设备，清洗烘干设备，质量检查设备等。

4工艺理念随着钢球加工装备水平、管理水平、工艺水平的提高，对钢球质量水平的影响逐步的由加工工艺转向理念、管理、装备、工装等方面。首先是企业的理念和定位 ，希望制造什么质量水平的钢球，定位是低精度的，这个企业制造的-定是低精度的。其次是管理，钢球的制造也可以说是纳米精度的制造技术，需要-个稳定的系统保证产品质量 ，稳定的系统来 自精细的管理 ，任何细节都会对成品质量造成决定的影响。装备和工装组成-个系统，需要进行标准化，重视工装的加工精度和统-性。加工工艺确定工艺过程的技术要求和指标，是过程实现的依据。环境保护和安全是现代企业必须重点考虑的，企业的社会责任和经营成果就是创造美好、安全的生活环境。

5结束语在多次的行业交流过程中大家普遍认为，钢球加工技术需要突破。笔者认为首先应该是理念的突破，工艺及装备的创新。本文根据目前钢球加工制造的现状 ，提出了-些看法和方向作为探讨 ，希望有所借鉴≮轴承工业 2013.04 31