浅谈滚动轴承设计制造技术及发展

　　作为现代工业应用中Z普通的机械零件，滚动轴承对人们日常生产、生活的顺畅、安全、舒适和环境，对各行业的经济利益与能源消耗有深刻的影响。但人们对滚动轴承技术层面的认识却十分局限，甚至是轴承行业的从业人员也不例外。笔者的目的是希望从技术角度给读者认识滚动轴承提供一份索引资料。
　　1　认识滚动轴承的技术含量
　　（1）滚动轴承的技术含量在哪里?
　　①在人们的认识及轴承使用的过程中；
　　②在轴承产品的加工过程中；
　　③在产品质量的属性中；
　　④尤其高端产品具有极高的技术含量。
　　（2）为什么滚动轴承的技术含量常被人忽视或轻视呢?
　　①社会观点与现象：产品是小产品，行业是小行业；结构简单，价格低廉；从经济角度看得多，从技术角度看得少；轴承产品充盈市场，产品技术与市场的一体化程度高。
　　②企业现象：管理层不接触或不深入接触轴承技术过程，对轴承技术内涵缺乏了解；企业大量生产的是中、低端产品，对高端产品认识不足；技术与管理严重脱节，各自偏重，彼此不信任、不尊重、相互危害的现象很普遍；部分人员妄自菲薄，对技术工作“以为不足道，以为无出路”不如进入管理层，得个一官半职、名利双收，不能深入钻研技术，更无法忍耐清贫。
　　③导致国内轴承产品长期徘徊在中低端状态，档次提升困难，除上述社会观点、企业现象外，其重要的原因是国内工业基础差、工业化水平低。
　　轴承产品涉及的技术学科多，工业领域广泛：如材料科学、冶金工业、轴承原材料与热处理；机械工学、机床制造、精密机械加工、精密仪器仪表检测技术；数学方法，有限元、边界元分析中微分、积分方程的数值求解，寿命与可靠性的统计分析，动态性能参数的数学模型；物理学分支、力学分析、金相组织、实验科学（失效分析、寿命理论完善、加工工艺方法改进、热处理工艺过程、应用模拟等）；化学与化工：润滑剂、各种冷却介质、清洗液、保护气氛与可控方法，石油化工等；多学科的边缘交叉形成新的研究领域：如摩擦学、主机应用中涉及的新研究课题。
　　这从另一侧面证明了滚动轴承产品的高技术含量。
　　由于滚动轴承产品性能常受到众多因素的制约，其本身性能又制约主机性能，因而有人认为：轴承的产品水平实际上反映一个国家的基础工业水平。
　　2　滚动轴承理论与设计技术的发展过程
　　了解发展过程是为帮助我们深刻认识轴承技术含量，同时认识轴承行业与企业的目前水平及其在发展过程中的位置。
　　2.1 技术理论发展
　　（1）滚动轴承技术理论发源于人们对摩擦现象的认识。滑动摩擦-滚动摩擦-滚动与滑动混合摩擦。
　　（2）15世纪达•芬奇等对摩擦的研究。静摩擦与动摩擦；摩擦与材料、表面光洁、正压力、润滑的关系。
　　（3）物理学-刚体力学-弹塑性力学
　　19世纪赫兹理论为滚动轴承应力与变形的分析、计算奠定基础。
　　（4）摩擦学的建立
　　从流体力学推导出雷诺方程到弹性流体动力润滑理论的建立与完善。
　　乔斯特的润滑报告，推动摩擦学发展成一门单独学科。
　　（5）应用示例说明：圆锥滚子轴承的设计原理。
　　①以Z大额定动负荷为设计目标的多变量优化设计：C_r=f（α、i、△、L、Z）
　　式中：5个自变量，其中3个是独立的滚子参数，i为滚子列数；α为接触角，分配轴承的径轴向承载能力，同时对圆锥滚子锥角有重要影响。
　　滚子是决定轴承承载能力的关键!
　　②运动学分析
　　外套圈内锥角α（接触角）；滚子锥角φ；内套圈外锥角β；三个角度的顶点重合在轴承中心线上，这就是纯滚动条件。
　　三个角度的任何偏差都将破坏纯滚动，这是严格要求角度偏差的依据。
　　惯性力——应力集中
　　滚子轴承的正常失效多在滚动工作表面两端部发生，这是应力集中的结果，应力集中是运转中惯性力引起的，复合运动分析表明，当牵连运动是圆圈运动时产生哥氏加速度形成惯性力，其方向与导致滚动表面失效的特征相吻合。
　　③应力与变形分析
　　静态应力与变形分析按Hertz公式；
　　内圈大档边根部为三维应力状态，需应用有限元分析计算；
　　轴承运转的实时监控，使轴承的动态分析成为四维问题。这是一个典型的“静态-拟动态-动态”过程分析。
　　④鉴于当前的制造与管理水平，相关基础工业水平，实物质量还不能完全实现设计目标。
　　⑤滚子早期疲劳分析：
　　L被严重消弱；
　　纯滚动不能完全满足（φ、α、β不可能没有偏差）；
　　应力集中（凸度及匹配误差）；
　　批尺寸变动量影响负载不均匀性，运转的稳定性；原材料与热处理原因；
　　润滑与轴承工作条件影响。
　　2.2 产品发展过程
　　（1）近代滚动轴承雏形，SKF博物馆收藏中国19世纪轴承。
　　（2）现代滚动轴承出现：
　　RHP/TMiKEN　1898年圆锥滚子轴承专利；
　　SKF　1907年球轴承专利；
　　FAG　1909年双列调心球轴承专利；
　　（3）近50年，滚动轴承随汽车工业同步发展。
　　（4）高性能、特殊性能、长寿命轴承。例风力发电机轴承20年免维修。
　　设计方法的发展过程：
　　几何设计-力学设计-应用与结构分析与设计-优化设计：通用、专用（轧机、轮毂、等速万向节等）。后两个阶段在计算机广泛应用后才能实现。
　　3　滚动轴承设计技术的发展
　　（1）世界轴承巨头、轴承品牌瑞典SKF公司提出的设计准则：
　　①接触疲劳寿命新模型：准确预测寿命、提高系统的可靠性；
　　②滚动与滑动耦合时，摩擦的定量分析与控制，实际上是对纯滚动条件进行偏差估计；
　　③滚子端部与引导档边的摩擦、润滑与控制提高轴向承载能力与寿命；
　　④热力学分析与控制，减少摩擦的能量损失，延长轴承的使用寿命。
　　（2）滚动轴承力学分析
　　①分析方向：滚动接触问题：球与沟道、滚子与滚道；轴承支承与约束，系统变形与平衡。
　　②分析基础模型：赫兹理论：静态弹性接触应力与变形计算，谓之静态模型；套圈控制理论的建立与完善。
　　拟线性动力学分析模型：控制滚道（纯滚动）、非控制滚道（滚动+滑动）。
　　在此模型下的分析过程为：建立系统动力微分方程-利用牛顿-罗夫逊迭代法求解-计算载荷、刚度与寿命。
　　在上述分析基础上考虑润滑因素，形成了动力学分析模型，以哈里斯为代表，其著作5滚动轴承分析6（已经有第四版）是一部标志性的经典著作。
　　③动态性能分析：轴承工作状态运转中承受交变应力（非静态、非恒力）；环境装置构成的系统振动、噪声的影响；耦合条件下，摩擦、振动和噪声的分析与控制及对寿命的影响。
　　④弹性流体动力润滑理论（EHD）的建立：粗糙表面弹流膜在表面峰、谷间压力变化与寿命预测；润滑失效状态分析，（对寿命的影响：润滑剂清洁度、滚动工作表面物理化学特性、初始裂纹的形成与发展）。
　　贫油润滑；润滑脂及基础油，补充方法、润滑过程机理、油膜规律。
　　（3）滚动轴承的摩擦学设计
　　①考虑润滑状态运行条件下的分析模型。影响因素：高速下惯性力效应、应力集中、弹塑性变形、表面微观粗糙度与弹流膜形成的规律性与保持性；
　　②压力变化对润滑剂粘度的影响（粘压曲线）；温度变化对润滑剂粘度的影响（粘温曲线）；摩擦振动、噪声、磨损、温升及耦合的影响；
　　③多学科边缘、交叉、多学科综合支持，由于边缘、交叉、往往被忽略；
　　数值求解方法和功能强大的计算工具；
　　较高基础工业水平提供的研究对象和研究工具。
　　4　滚动轴承制造技术
　　人们对滚动轴承制造过程的复杂性容易理解，而对其制造技术的复杂性却有些不知所云。
　　4.1 原材料与热处理技术
　　（1）对原材料的基本要求
　　①耐摩损低摩擦，并能通过热处理获得高硬度的材料。如高碳、铬含量、铬钼、铬、镍、钼等高合金含量。
　　②在高频率交变应力下，耐疲劳的特性，要求材料具有高纯净度、夹杂物含量低、均匀度、稳定性好，其冶炼过程常使用真空脱气，炉外精炼，电渣重熔等工艺。
　　③综合机械性能要求高，如耐冲击、高强度。
　　④尺寸稳定性好。
　　⑤加工性能好，易切削、易获得良好的表面粗糙度。
　　⑥特殊性能用于特殊环境：如耐高温、耐腐蚀。
　　（2）热处理技术要求
　　①对产品的热处理要求
　　金相组织与匹配：不同钢号有不同的金相组织形态。如GCr15钢其淬火马氏体常要求为隐晶状，弥散碳化物，残余奥氏体含量根据对尺寸稳定性，冲击性能要求差异进行定量控制。
　　硬度及匹配：套圈、滚动体应具有不完全相同的高硬度。
　　晶粒细化：为获得长寿命，晶粒度常要求<1μｍ，变形小、颜色均匀。
　　②对工艺过程的要求
　　无氧化热处理工艺、多采用氮基保护气氛，气氛的纯度高有吸热式、甲醇裂解滴注，过滤式、直生式等，淬火炉腔内碳势氮势平衡可准确控制。
　　清洁热处理技术避免环境污染；
　　精密热处理技术防止产品处理过程中变形。如淬火压床的应用，节能热处理技术降低能源消耗与成本。
　　高性能冷却介质、水剂、油剂、添加剂以获得合适的冷却速度、光亮表面、抗氧化性。
　　4.2 机械加工
　　（1）一般要求：清洁加工技术，绿色加工技术的应用。由于高精度、大批量、标准化生产、优质、高效、低耗具有特别的意义。
　　（2）毛坯制造技术：
　　套圈锻造：要求组织致密，金属流线合理，晶粒细化，为提高材料利用率一采用精化、半精化工艺，以减少切削量并降低后加工工序成本。
　　滚子毛坯：冲压，主要依赖于高效精密冷冲压技术，一个突出的问题是冷冲压模具的寿命。
　　保持器工艺：要求提高材料利用率，如采用焊接架、无车边工艺为提高精度与效率，要求内冲孔技术，一次性冲孔技术。
　　（3）车削加工：应采用高效切削。保证小留量与公差的集中度。
　　（4）磨超加工：
　　①一般要求：表面物理、化学与力学性质；公差内容多，一致性要求高，相关性问题突出；自动化程度是影响磨超加工质量的重要因素。
　　②特殊要求：此外，如滚子基面与引导档边的接触形式，EC设计对接触表面的几何与物理形态要求（如圆锥内圈档边）；某些结构要素对应力集中的敏感性，磨削过程中的二次马氏体淬火导致表面强度降低等，磨超工艺是高精度滚子加工工艺保持轴承优良动态性能长寿命与高可靠度的重大责任。
　　（5）装配技术
　　①对产品的装配要求，除产品图纸、技术标准规定的内容外，还有许多的细微特征要求在装配过程控制，如圆锥滚子轴承保持架在装配时的收缩，轴承成品的清洁度与防锈要求等。
　　②回转特性的定量控制技术。
　　径向跳动与轴向跳动的测量，起动摩擦力矩的测量；
　　回转质量的定量描述与控制；
　　回转异常的故障分析与排除；
　　和谐回转声音的获得技术。
　　③装配过程对轴承动态性能的保证作用。
　　4.3 质量检测与控制
　　质量检测与控制是滚动轴承制造技术的重要内容，是滚动轴承优秀品质的重要保证，而当前这一方面还十分薄弱，以下所述主要还是针对未来发展的预测与建议。
　　（1）原材料冶金质量的检测，如氧含量，夹杂物等轴承企业应尽可能建立自身的检测能力，尤其是大型或小巨人行列的企业。
　　（2）热处理质量的定量检测与控制，如残余奥氏体定量检测技术、表面物理、化学及力学性能的定量检测。
　　（3）加工过程的在线检测，自动线的闭环控制系统，检测过程的自动化。
　　（4）过程控制SPC技术的现场应用。
　　（5）6R管理。
　　4.4 制造技术的发展动向
　　滚动轴承制造过程是Z典型的资源型，劳动力密集型消费过程，目前其制造技术关注的大都在提升产品品质与劳动效率方面面对如何节约资源（原材料与能源）、降低劳动强度方面的关注显得很不够，未来轴承企业的技术发展方向应兼顾主机要求与社会责任两个方面，可谓任重道远。