“绒面”钢球静音机理与工艺探索

　　摘　要：表面呈现网状纹理形貌的“绒面”钢球，有利于钢球和套圈之间的点接触区域形成全膜弹流润滑层，从而实现轴承减振降噪和提高寿命的目的。利用研制出的超硬超细磨料制成的钢球研磨板对钢球进行超精加工，加工出了“绒面”钢球，结果表明采用新方法加工的钢球合套后振动值比精研加工钢球合套后的振动值下降了5-7dB。
　　关键词：球轴承；绒面钢球；振动；噪声；工艺
　　1　问题的提出
　　我国轴承振动和噪声的研究攻关在20世纪90年代发展迅速，平均振动值降低5-8dB。但与知名品牌仍有很大差距，振动值平均相差5～6dB，其中6205Z大相差11dB，且低噪声寿命很短，仅数十甚至十几小时^[1]。为此轴承行业仍需把提高轴承寿命、可靠度，减振降噪作为重点攻关任务。钢球作为影响轴承质量的关键部件，受到轴承企业的普遍重视。
　　测试对比一些进口钢球，发现其球形误差、表面粗糙度、单球振动值等技术参数与国产钢球并太大差别，甚至国内主要钢球厂家许多技术指标优于进口球。然而，合套后轴承静音效果，特别是异常声方面差别明显。造成这种差别除材料质量、热处理水平、润滑油品质等因素外，更重要的是钢球表面微观形貌的差异，导致轴承运动时润滑状态不同，从而导致合套静音效果的差异。 
　　“绒面”钢球亦称“毛面球”，以区别于铸铁精研板研磨出的“光面”钢球，主要特点是：利用不同粒度磨料制成的树脂砂轮对钢球表面进行有规则的微动切削，每次切削厚度极小。根据钢球成圆条件的磨削等概率性和尺寸选择性原理^[2]，钢球表面被固定磨粒切削形成网格状的微观形貌特征磨痕，其网格深度、宽度主要取决于所使用磨具的粒度，其次为磨削压力、转速及磨削液的性能。
　　2　“绒面”钢球静音机理浅析
　　根据滚动轴承油膜润滑理论：表面纹理形貌垂直于运动方向时接触区油膜形成能力Z强；平行于运动方向时接触区油膜形成能力较弱。而网格状纹理的钢球，在任何方向都能提高接触区油膜的形成能力，因此，产生全膜弹流润滑的概率增加。
　　点、线接触微弹润滑的研究认为：由于表面粗糙度的存在导致了压力分布随粗糙表面而产生变化，峰处增，谷处降，从而使表面得到了变形补偿。事实上，由于接触变形的存在，纯粹意义的点、线接触表面的直接接触并不会发生，即使轴承在承载运动中，接触区域的油膜将会连续不间断使轴承工作表面得到润滑。
　　对研磨钢球而言：钢球表面呈“光面”状态，尽管球形偏差、表面粗糙度达到很高水平，由于研磨板硬质相、粗大颗粒磨料存， 不可避免地在球面上形成擦划伤，且“光面”状态对油膜的吸附性差，导致轴承接触区域内弹性润滑膜的连续性遭到破坏，且由于表面接触及润滑油杂质的作用，即使静音也很难长时间保持。而“绒面”钢球对润滑油的强吸附能力，在工作表面接触区域形成抗极压能力的全膜弹性润滑层，对零件表面加工缺陷，油脂内的杂质起到一定的缓冲与掩饰作用，从而达到减振降噪、抑制异常声的目的。
　　3　表面纹理的测试分析
　　为了搞清不同工艺条件下钢球表面纹理容貌的几何参数，作者收集了一些钢球样品，利用电镜扫描测试分析^[3]，结果见表1。

表1 钢球表面纹理容貌的几何参数

　　值得说明的是：由于目前树脂砂轮国内使用粒度Z细为6000^#，正常精磨表面粗糙度达Ra0.032-0.036μm（激光），单球振动值为35～38dB。虽然激光粗糙度不符合标准定义，与轮廓仪测值相差2.8～5倍；单球振动值Z3以上，不再是影响合套振动的主要矛盾，但用户习惯市场验收很难接受。为此各厂家采取提高磨削液抗极压润滑能力，降低压力的方法，使钢球表面出现滑擦和塑性流动。虽然钢球表面粗糙度和单球振动值可得到改善，但滑擦现象不利于钢球保持“绒面”的纹理特征，不利于轴承合套静音和提高寿命。这也这正是国内探索推广树脂砂轮“以磨代研”工艺的理解误区。
　　4　磨具开发
　　查询国外工艺流程和产品样品分析表明，国外在F6000树脂砂轮后还有一道使用粒度为F12000-F24000超精磨工艺（也称Lp或C4），该工艺使用超硬超细金刚石磨料制成磨具，目前国内尚无条件供应。因为研制开发此种砂轮成本较高，风险较大。为此，确定 采用成本较低的涂敷磨具，通过联合试验攻关，制成金刚石（F12000）精研磨具。镀层质量检测表明，作为超精使用的精研磨具，其金刚石电镀堆积层深度为6-8个基数，金刚石粒度W0.5，浓度100％～150％；且镀层平整，色泽均匀，无漏镀、锈蚀、划伤、起皮、斑点等表面缺陷，镀层与基体有足够的结合力，且磨料分布均匀（见图1）。

图1 金刚石复合镀层照片 （100x） 

　　5　表面观察及对比合套试验
　　利用金刚石精研磨具，在立式精研机3M4780上进行精度加工，加工前钢球为F5000树脂砂轮精磨产品或铸铁精研板初研产品，采用水剂磨削，表面形貌较为理想，100倍显微镜下基本看不到缺陷，500倍显微镜下呈深浅不一的网纹；油剂磨削表面粗糙度、振动值较好，但纹理容貌不如水磨。
　　将精研板水研钢球、F5000树脂砂轮精磨钢球、W0.5金刚石磨具超精磨钢球在洛轴精密轴承公司进行合套对比试验，试验结果见表2从试验结果对比可以看出，尽管精研钢球质量指标很好，但合套振动效果与F5000精磨产品相当。金刚石（W0.5）磨具超精磨钢球表面粗糙度和振动值指标与F5000树脂砂轮、精研板产品差距不明显，但绒面球合套振动平均下降5-8dB。

表2 各种工艺钢球对比测试与合套试验

　　金刚石（F12000）磨具，在工艺稳定性、磨削自锐性等方面需进一步探索。但此种加工工艺可利用现有钢球加工设备及其工装，投资少，见效快。
　　参考文献： 
　　[1]汤洁,王辉.从三次国家监督抽查看国家轴承质量[J].轴承,2001(7):34-37.
　　[2]聂兰芳,赵学军.钢球加工成圆条件及其影响因素探讨[J].轴承,2001(1):16-18.
　　[3]张永乾,聂兰芳,赵学军,等.树脂砂轮磨研钢球表面形貌与磨削机理分析[J].轴承,2004(10):31-33.
　　[4]徐滨士,刘世参.表面工程新技术[M].北京:国防工程出版社,2002.