轴承套圈超精研技术漫谈

轴承套圈超精研技术漫谈


那我们就从风电轴承开始谈起吧。我国是风电资源丰富的国家，在北部和西部，我们有充沛的风电潜在资源，据有关部门信息披露，我国东海，南海也有大量的风电能量资源，甚至比我国其他地区还要丰富。可能很多人还不知道，我国的风电机组的生产工艺水平还是比较落后的，表现在能源转换的效率低下，在相同资源条件下，我们要比欧美的风电机组少发很多电。相当一些业内人士都不知道，替换能源和有效的替换能源的成本上的差距，五年前开始实施的欧共体的有效的替换能源的项目现在已经付诸实施，由于采用了更先进的风电轴承生产工艺，每年多输出的电能可以供全部瑞典家庭使用一年。
我国在合理的有效的使用清洁能源方面的工作，还没有排上议事日程，这个从我国大上风电设备的热潮之中就可以窥见一斑。落后的风电机组生产工艺决定了落后的对相关零部件的技术要求，风电轴承采用诸如硬车，采用精细加工，采用新的超精研技术，几乎没有动作。大量的低档次的热处理设备，低档的龙门铣床、刨床和车床充斥着我国的风电机组零件加工现场，我国的大型风电轴承基本上没有采用超精研工艺。我们的相当一部分风电设备和风电轴承专家还在认为，风电轴承转速很低，采用大型超精研设备会过多的增加生产成本，在现阶段，那种国外的加工工艺不适合中国国情。
无论是大型轴承还是小型轴承的生产，对轴承品质的要求都是大同小异的。一个是降低噪音，一个是提高轴承寿命。轴承精度寿命的不稳定会造成大量的维护费用，这种维护和更换大型轴承的费用要比购买这些轴承的费用高几倍。我们是发展中国家，在生产风电轴承方面，很多人还是发展中国家的意识，这种落后的设计思维造成了我国新能源领域的大面积的资源浪费。前一阶段，我一直在沿海地区出差，看到很多风电机组形同虚设，在渤海东海岸，某个地区风电机组开机率还不足50%，这是需要有关部门反省和深思的。发达国家的风电轴承加工工艺，我们还是要静下心来学习的，要从最基层的制造工艺开始学起。
我相信，发达国家的先进的风电轴承加工设备会逐渐走进中国风电轴承加工市场的。梯伦豪斯公司的工程师们新近研发的硬车和超精研复合车削和超精设备，是专门用于大型风电轴承加工的专用设备，计划明年推向全球市场。这种设备如果在今后的中国风电轴承生产线上应用，势必会优化中国现有的风电轴承生产工艺，同时还会给我国的风电轴承制造企业用户带来福音。购买这样一台复合硬车超精研设备大致和采

购同样加工水平的一台硬车一台立磨的成本相当，由于可以在一台机床完成车削和超精工序，减少了重复安装定位误差，去掉了磨加工的热加工过程，而得到的加工表面可以达到很好的粗糙度和形状精度，发电效率最大限度的提高，轴承的长寿命的要求也可以得到保证。


上一篇我们讲到，为了提高轴承的寿命，降低轴承的噪音，轴承套圈沟道表面超精研是必须的。很多轴承产品现在不超精，二次世界大战前的轴承套圈大多也不超精，轴承零件超精研工艺起源于二次世界大战中期，有了军方对机械系统的可靠性、稳定性和安全性的更高的要求，才有了超精技术的进步和发展。
曾几何时，我原来工作过的工厂也生产过那种最原始的棍棒超精机，当时我们的认识非常肤浅，认为有了超精研设备，会使轴承表面的光洁度增加，减少摩擦系数，进而可以提高轴承寿命。经过十多年的研究和学习，我们才认识到，当时设计棍棒超精机的时候，从研发超精研设备伊始，对超精研原理的认识就有局限性。有了这种局限性，就不可能研制出高品质的超精研设备来。几年前，我到过浙江慈溪一个轴承工厂，那个老板就亲口跟我讲，他就是喜欢用棍棒超精机，不单单是因为棍棒超精机价格便宜，而且还是因为他看到的那些自动轴承超精机无论效率还是粗糙度都没有棍棒超精机的效果好，他没有找到买自动轴承超精机的理由。
那么，现在我们可以清楚的告诉这个浙江轴承厂的老板，选用什么档次的超精研设备取决与你制造什么品质的轴承产品，当你生产的品质还能够被市场忍受的时候，的确不需要花那么多钱买高水平的超精机，甚至你根本用不着超精研设备，你还可以用更便宜的材料，不需要热处理，不需要很好的检测设备，也可以制造出轴承来。理由是，轴承产品是由市场需要决定的。
如果一个工厂只制造普通品质的轴承，比如P0级的轴承，对寿命和噪音要求不是太苛刻，用棍棒超精研是可以的，如果需要自动化程度高一些，也可以选用一些10万左右的超精研设备。假如制造P6级以上比Z3V3组更严格的轴承，选用国内高水平的超精机也是可以的。最低限度的标准是，超精研工序不能够破坏前序的磨削形状和尺寸精度。一台档次很低的超精研设备，先不要提形状的改善，先要保证不破坏前序的形状和尺寸精度。
我们可以采用高水平的测量仪器来考评超精研设备的加工缺陷，采用测量超精研前后序的沟形和圆度，来分析超精研的同样项目的结果。也可以采用比较先进的音检仪分析轴承的频谱，断定缺陷的频率范围，判定超精研设备的改善情

况。实验结果很令人失望，大多数中低档超精研设备对轴承套圈沟道前序形状和尺寸的破坏都是非常明显的。这种超精研设备和棍棒超精机一样，只能够提高光洁度，除此之外，形状改善的能力很有限。当然，如果前序磨床又是很差的一个工艺现状，那超精质量的结果就会更糟糕。

前几天，有个国内很有规模的轴承集团的老板还在问我，“我们用国产超精机加工的轴承套圈也能够达到要求，为什么要选用比国内超精机价格贵很多的进口产品呢？”我想，他不仅是在问我，同时他也在问他自己。这位老板还告诉我，他们建成了一个毛坯加工基地，力图在毛坯这方面技术有所突破，毛坯的问题解决了，轴承加工的其它工艺问题也大多会迎刃而解的。
我们在这里不能够说这位老板说的都没有道理，问题是他在打擦边球，在混淆概念，而没有和我进入正题。首先要说明的应该是，轴承加工工艺的依据是根据轴承产品的要求制定的。假如一个企业的轴承产品是中低档的，那完全可以选用更经济的轴承设备。轴承套圈可以用棍棒超精机加工，甚至也可以不用超精研工序，甚至也不需要投入那么大的成本去研究改善轴承材料的质量。只有轴承产品有更高质量水准的要求的时候，当我们的生产工艺无法满足市场需求的时候，企业才会在技术改造方面增加更多的投入，包括控制超精研前序毛坯件的质量，提高轴承套圈的热处理的技术含量。既然在轴承产品超精研前道工序投入这么多，那么我们的老板们也会在后面的关键工序增加同样的比率投入，假如我们的企业真要把自己的产品做好的话。因为，目前国内轴承制造工艺现状，不仅在前序的毛坯材料和热处理技术要求方面相差很多，而且在超精研工序方面的综合差距更大。
我们曾经不止一次的讨论过，“轴承套圈为什么要进行超精研？”实际上，在二次世界大战以前，世界上的大多数滚动轴承生产线是没有超精工序的。后来，军队在实战中发现，滚动轴承沟道经过抛光之后，会显著的提高寿命，会满足更安全、更可靠的战术要求。经过五六十年的轴承加工工艺实践，轴承工艺专家们发现，轴承沟道经过超精加工，不仅可以显著的提高轴承产品的寿命，而且还会降低工作噪音，大幅度的提高轴承的承载能力，增加机械系统的运转效率。超精加工首先会降低轴承滚道的粗糙度，会去掉磨削工序热加工形成的变质层，会把磨削工序形成的拉应力变成压应力，会有条件的改善轴承沟道的形状。如果，一套轴承不需要提高寿命，不需要降低噪音，不需要有很高的精度，可以不采用超精研工序，也可

以采用棍棒超精研，可以选用价格比较低的超精机，这样成本会更低。
如果，我们的轴承加工企业，要生产出更高水平的产品，在安全性、可靠性和批量加工的工艺能力方面有效地替代进口产品，假如我们立志要走出国门，参与国际市场高品质轴承的竞争，就一定要学习世界上最先进的轴承加工工艺。最先进的轴承加工工艺，就是最稳定的最可靠的最安全的工艺。学习最先进的轴承加工工艺就一定要选用世界上最先进的设备。在进行企业的技术改造方面，采购进口设备至今仍然是不二的选择，因为我国现阶段生产的轴承设备，特别是轴承超精研设备和国外的制造水平差距很大，在批量稳定的加工P5级以上精密轴承的工艺能力方面很弱。如果说，我们可以用中低档次的超精研设备，用传统的轴承生产线，可以加工出替代进口的高精度轴承产品，在现阶段，这只是一个美好的愿望而已。
下一篇，我们会详细分析我国的超精研设备和国外最先进的超精研设备的差距在哪里。请大家继续看《轴承套圈超精研技术漫谈 4》。


超精加工后的沟道表面的纹路什么角度最好？
这是很多低噪音轴承研究人员经常询问的一个问题。经过长期的振动和噪声仪器检测实践，我们现在已经得出了结论，直丝路的沟道获得的数据比较好。我们剖分过很多日本的轴承，在显微镜下看出的也都是直丝路。但是，欧美的轴承却是各种丝路的都有，比较纷杂。德国工程师对我国轴承企业过于强调超精的直丝路很不以为然。有一个理论应该引起我们的重视，沟道表面的丝路夹角偏角和轴承的寿命有关，直丝路肯定不是寿命最高的微观形态。
还有一个问题，我们现在检测轴承的振动和噪音的方法和现在欧美的检测方法是不是一样的？如果不一样，那么，欧美的轴承是怎么样来评价轴承噪声的？有一个结论是肯定的，无论是振动的检测还是噪声的检测，最科学的数据应该是和轴承的工作状态最接近的数据。
最后一个问题，轴承在工作时，因为一般深沟球轴承都是有间隙的，所以理论上的纯滚动状态是不存在的，钢球在套圈里一定不是沿着理想的圆轨迹旋转的，而是会沿着特定的偏离角扰动的。最新的研究成果表明，轴承套圈的超精后的纹路的偏角应该尽可能的接近钢球在套圈里扰动的角度，这个结果出来的轴承的噪音和寿命的数据是最科学的。我们可以推断，只有在0间隙情况下，钢球沿着理想的圆形轨迹旋转时，直丝路的轴承的噪音和寿命的数据才是最好的。
后一种情况是理想状态，我们现在轴承生产检测的测试方法也基于理想状态，而在工业

生产过程中，任何理想状态获得的数据只有参考价值。假如没有更先进的符合工作状态数据的检测方法，那我们只有采用具有参考价值的数据来间接地评定轴承零件的超精加工结果。而干扰是客观存在的，很多噪声是需要经过分析一些有规律的干扰和偶然性的干扰来处理的，这就给高水平的超精机超精实验提供了更加符合现场实践的分析依据。


最近在国内各个招标类网站经常会看到一些企业技改招标的信息。这种现象，和国家宏观调控，扩大技改资金的投放不无关系。加快企业的技术改造，积极地应对经济危机，的确是一个利国利民的好事。可是，在大量的引进国外先进技术的同时，我们应该冷静的分析一个事实，就是这些引进的设备的售后服务的问题。假如我们不充分考虑这些问题，我们的引进工作就有可能造成被动，甚至有可能失败。
以引进国外的超精机为例，我们需要提醒大家的是，正是因为我们国内的超精研设备水平很低，所以需要引进这些技术，可是国内引进超精研设备不成功的先例还是有的。我曾经在国内一个大型轴承企业看到日本的几台超精研设备闲置在车间，据一个四十岁左右的车间基层人员反映，从他参加工作到现在，这几台设备从新到旧，一直没有正常使用过。我曾经在宁波地区看到一家企业，也引进了这家日本企业的超精机，经过一段时间的试加工，基本上没有达到合同要求，造成了退货的现象。另一家使用过这家日本企业的超精机的老板也在经常和我抱怨，在大多国内轴承企业的传统工艺条件下，进口的超精研设备不一定使用的非常理想。
一般来说，欧美企业的超精研设备出现的问题相对少一些，主要还是因为，在售前，欧美企业一般会详细的了解用户的使用工况和工艺条件，对一些不合理的工艺问题会针对性的提出整改意见，以至于避免发生设备和加工工艺不配套的矛盾。
最后谈一个问题，我们要去除引进设备工作当中的一个误解，就是，进口设备不可能按照我们的心愿，花很多钱就可以解决很多问题，尤其是超精研设备，如果没有后期很便捷的售后服务体系，引进设备一方要花费更多的人力物力财力才会把进口设备的作用发挥出来。有了比较系统的售后服务保证，就会有效的沟通，使设备停滞时间缩短，就可以获得最短的投资回报。我们有些进口设备厂家在中国就设一个办公室，一般只能够做一些信息传递的工作，试问，我们引进了这样的公司的设备能够得到理想的便捷的售后服务吗？
而如果我们引进设备的公司在中国有工厂，有中国的机械工程师和电器工程师服务团队，情

况就会大不相同了，不仅解决了沟通问题，而且也解决了服务费用问题和服务效率问题。
超精研设备和前序的车床、磨床毕竟不完全相同，它在试加工的时候牵涉的问题非常复杂、譬如，磨加工前序的精度是否能够达到合同要求？油石的使用是否能够匹配？超精油的选用是否合理？冷却系统和过滤系统的技术参数是否能够满足机床的前提要求？由于国内的轴承材料和热处理工艺的不稳定，很多偶然性的因素需要因地制宜的解决和处理，一遇到具体事情就立刻叫老外过来，那几乎是不可能的。


我曾经在《怎么样提高高精度轴承的超精质量？》一文中写到：“超精加工主要要提高和改善被加工工件表面的微观质量，这些微观质量包括粗糙度、沟形、圆度和金属条纹的走向。” 轴承套圈沟道超精研工序主要是为了降低被加工沟道的粗糙度，这是最基本的要求，无论是原始的棍棒超精机还是采用无心支撑结构的自动化超精机，原理大同小异，都是如此。高水平的和低档的轴承套圈超精研设备的主要区别是轴承套圈沟道形状精度的改善程度和被加工工件表面应力状态的差异。
轴承套圈沟道形状精度的改善主要取决于三个方面：首先，要合理的约束超精前的轴承沟道磨加工形状的基础精度，轴承沟道的基准精度和位置精度在磨削工序也要精确地控制，因为这些需要约束的被加工工件的磨削工序的精度及其对超精加工的结果的影响是不容忽视的；其次，超精研设备的主要零部件制造精度也会对被超精工件沟道表面形状的变化起到很大的影响，品质较差的超精机非但不能够改善磨削工序形成的形状精度，反而会破坏磨削工序形成的形状精度；第三，超精余量的大小不仅与超精加工的节拍有关，而且也与轴承沟道超精后的表面质量有关系。
假如我们的轴承产品没有对轴承的噪音和轴承的寿命提出特殊的要求，假如我们的轴承产品仅仅满足于参与国内外市场的低价格竞争，假如我们的轴承产品不想走出国门或者不想替代进口产品，那么，使用低水准的超精研设备是可以的。因为，在中低档产品的轴承市场上，中国的轴承企业选用低价位的超精机取得了长期的大量的经验，尽管这些实践是依赖于大量的技术人员的人的主观因素取得的。在空调类家电市场和电机市场，我们的微型和小型轴承取得了不俗的销售业绩，这些成绩的取得也部分得益于我国轴承加工设备的发展和进步，尽管这些进步的取得是不稳定的，这种离散的局部不可控的质量水平暂时在中国还可以暂时被客户忍受。而在我国中高端产品领域，大量的高附加值高利润的

轴承产品主要还是依靠进口。我国生产的最好的轴承设备，即使出口到国外，也只是应用在普通轴承生产线上；部分大陆境内的外资和合资的轴承加工企业采购国内的轴承设备，也主要用在中低档轴承的生产线上。迄今为止，我国高水平的进口轴承设备所占的比率很小，部分原因是由于高水平的进口轴承设备的价格普遍高于国产的轴承设备，其主要原因还是国内大部分企业生产的轴承精度和效率要求偏低，在引进更好水平的进口轴承设备方面的要求还不是特别强烈。
如果我们要在精密轴承的竞争市场上有所作为，如果我们决心想要逐步蚕食中高档轴承的市场容量，那么我们就一定要知道，世界上最好的轴承生产线上都在使用什么设备？那些高精尖轴承生产线都是采用什么工艺加工出来的？与国外高水平轴承制造企业相比，我国轴承产品的制造水平和差距在哪里？
做高品质的轴承产品，从某种程度上来说就是做精度稳定的产品。而产品的稳定生产，离不开选择先进的轴承设备。制造高品质轴承的实践，国外很多，中国很少，这是不争的事实。本文限于篇幅，仅给大家介绍一下世界上最先进的超精研技术的发展概况。
1．最先进的超精机驱动系统应该采用伺服控制，采用了伺服控制系统，就会使得超精加工过程的工艺参数可控，因为伺服系统的控制精度最高。以伺服系统为核心的结构是最简单的机械结构，最先进的机械结构就是最简单的机械结构。德国梯伦豪斯公司生产的轴承之星系列超精机，油石夹摆动机构采用的就是伺服控制系统，油石的摆动频率和油石的压力都可以采用PLC控制；此外，轴承之星超精机的工件轴也采用了伺服电机控制，使得工件的工作转速可以达到每分钟10000转以上。机床机械部分的结构大为简化，机械传动链的偏差减到最小，其结果，机床的振动也减低到最小。由于工件轴转速、摆动轴摆频和油石压力等参数的选择范围很宽并且能够得到精确地控制，所以机床可以满足最新轴承制造工艺的技术要求，这同时为研制更高水平的轴承套圈创造了良好的工艺技术基础。
2． 最好的超精机的定位结构应该是液压浮动支撑结构，当被加工工件到达工作位置后，轴承套圈被定位原件产生的油膜浮起并旋转，此种结构的支撑刚性比陶瓷支撑的刚性还强，被加工工件对应定位表面的误差也会被吸收，不会影响定位精度和超精结果，而且即使在很高的工件转速下，工件定位表面也不会产生划伤现象。梯伦豪斯公司的液压浮动芯轴和冷却油是同一种油，这就对油品和油的特性和环境提出了更高的要求。
3．最合

理的超精余量误差应该适当减小，以世界上最先进的深沟球轴承套圈的加工工艺为例，像6201、608、693这样大小的套圈的超精余量误差基本上都可以控制在千分之二以下，而我国大多数轴承企业的超精余量工艺现状至少要高一倍以上。超精余量的大小，超精余量偏差不稳定和超精加工时间大致是成正比的，超精余量参数得不到很好的约束，一方面说明被加工沟道表面磨削工序产生的变质层很厚，磨削变质层很厚是因过长的磨削时间产生的，机床之所以需要过长的磨削时间是因为套圈磨加工前的毛坯偏差过大，这些连带的工艺问题都会影响轴承套圈的最终加工结果。
4．最合理的超精加工套圈的粗糙度不是数据最小的粗糙度，而是合适的粗糙度，因为粗糙度的数据过小，不仅会偏离最佳的超精工序的工序能力指数，而且还会使成套轴承中间的钢球在套圈沟道里打滑，不利于轴承两个套圈间的钢球的正常的运转。最好的轴承套圈的超精前的沟形应该控制在千分之1.5以内，而我国多数轴承企业的轴承套圈的磨削后的沟形偏差数据分散很大，普遍要超过国外最先进水平的2-3倍。最好的轴承套圈磨削后的沟位精度至少要控制在百分之二以内，因为沟位对沟形的改善影响也很大，超精机油石摆动中心和被加工工件沟道中心的偏差应该尽可能的小，磨削后的工件沟位偏差的不稳定会造成超精表面压应力状态的不稳定，沟道表面压应力不均匀的轴承套圈很容易在压应力薄弱的部位最先失效。
5．超精机选用的油石更换率应该最小，油石压力应该用数控系统来控制，这样会稳定超精加工产品的批量精度，油石夹的结构刚度设计在超精设备的整体设计当中也是至关重要的。德国梯伦豪斯公司的最先进的轴承套圈超精机或者采用比例阀或者采用MICROSENCE技术，这些配置和研究成果使得油石工作压力等参数可以在触摸屏上调整并可以按照预先优化好的程序自适应控制。
以上五个方面虽不能够包罗万象，但至少应该是我国轴承套圈超精研技术的改进要点。 除了机床本身的因素之外，超精机的冷却过滤系统的研究也是不能够忽视的。曾几何时，我国几家机床厂先后仿造过梯伦豪斯公司的产品，几乎没有一台仿制成功的，其中最重要的原因就是没有沉下心来对细节的研究，忽视冷却系统的设计生产的重要性，和忽视其他关键技术环节一样，失败就不言而喻了。
十多年前，我曾经参观过日本一家轴承制造集团公司的几个工厂，他们当年的小型轴承自动线生产节拍已经达到了6秒钟，而我们现在国内生产的小型轴承自动线的生产节拍低于12秒的屈指可数

，一些磨超自动线的生产节拍甚至小于单机自动化生产的节拍。（补充一下，我说的是无故障稳定的生产状态，中间所有的维修和停机时间都要计算在内的。）为什么我们国内生产的设备的效率普遍低于国外生产的设备的效率？机床稳定性差是普遍现象，而低价格低配置的机床和落后的加工工艺是轴承加工技术滞后的重要原因。
假如只是拿几套轴承和国外产品进行质量对比，我们有可能会得到很满意的结果；假如拿批量的加工数据或者拿随机抽检的产品检测结果进行质量对比，我们就会得出不满意的结果。大量的轴承生产线上的不可修复的废品率，主要源于那些低品质轴承设备造成的浪费。更加科学的轴承生产模式和更加理性的轴承加工思维应该成为一种趋势，只有这样，才会更有益于我国轴承工业的进步。


前面谈到超精研设备的选用问题，这一节我们重点谈论一下，进口设备，尤其是进口超精研设备的使用问题。为什么要讨论这个问题，很重要的现实是，并不是所有引进设备都用的很好。很可悲的是，有些企业，在引进设备的问题没有彻底解决之后，又开始重复引进同样品牌同样规格的设备，这样引进设备的结果，我们不得而知。根据我们现场实际调查，个别企业根本就没有认真研究进口设备和国内工艺不相匹配的诸多技术问题，不认真的艰苦的研究改进落后的生产工艺，一味的盲目引进，国家投入的大部分技改资金就会再一次付之东流！
首先要从产品入手，看看新近市场需求的产品和在产的产品有哪些不同，用现有的生产工艺加工都有哪些技术瓶颈。我们从用户那里拿到的铁路轴承产品图纸，还是十年前的按照国家标准设计的图纸，而这十年间，国外铁路轴承的产品设计已经发生了很多变化，设备的改进也大不相同了。用经过大幅度改进的设备按照基本上没有改进的传统工艺加工，必然造成大量的浪费。
以超精研设备为例，我们选购磨加工设备的时候，对磨床的技术要求就很低，个别国外厂家根据中国客户的这些技术要求，很有可能配给我们相对比较落后配置和结构的设备，而后序超精研设备对前序的要求又很高，这样不可避免的造成了不应有的纠纷，这和买家没有按照改进后的工艺，没有系统的科学的选购设备不无关系。
很多国内厂家购买了德国和日本公司的超精机，有些企业使用的非常好，有些企业总会出现这样和那样的问题，除了和没有按照技术协议的要求认真调试施工生产之外，前序的磨加工设备工艺能力不足是一个重要的原因。
除此之外，选购必要的检测设备，也是引进进口设

备的同步要做的工作，不知道设备加工的质量水平，连正确的检测方法和标准都不清楚，你怎么判断你的产品是否达到要求了？