滚动轴承质检方案的策划与优化

　　摘　要：文章首先介绍了质量检验在产品质量控制中的重要性，以及正确的质量检验方案在生产实践中的作用和意义。接着介绍了滚动轴承质检方案的制定和优化方法；即如何根据滚动轴承的用途和服役条件来分析它的质量特性，如何根据轴承的质量特性来策划和优化质量检验项目和检验方法，以及如何确定测量精度和选择计量器具，试验设备和仪器。
　　关键词：滚动轴承；质量；检验方案
　　1　前言
　　产品质量是指产品对规定的质量标准和技术条件的符合程度；通常用户为了达到一定的使用目的，必然会对产品提出各种各样的要求，并依据这些要求，规定产品的各种质量特性指标。而生产厂家则根据这些质量特性，制定出产品相应的质量标准、技术条件和生产工艺。众所周知现代工业化生产是个极其复杂的过程，在这个过程中，由于各种主客观因素变化的影响，必然会引起产品质量的波动，这种产品质量的波动是客观存在而又无法消除的。质量波动越小，产品的质量越好；质量波动越大，产品的质量越差。而产品质量检验能够了解质量波动的大小和范围。质量检验是对产品的一个或多个质量特性进行测定、比较及判断的工序。尽管美国质量管理大师威廉•戴明博士提出“产品质量是生产出来的，不是检验出来的”，但通过产品质量检验，能够监测生产过程中产品质量状态的变化，为产品质量控制和管理提供质量信息^[1]，还能够测定产品的工序能力，因此产品质量检验是整个生产过程中不可缺少的重要环节，也是保证产品质量的一个重要组成部分。
　　质量检验方法包括产品质量检验时所采用的检验原理、检测手段、检验规程、测试条件和取样方法。正确的质量检验方法，不仅可以获得真实的产品质量，还可以缩短检验周期，减少质量成本；反之，如检验方法不符合要求，检验结果就不准确可靠，甚至会把合格产品误判为不合格品^[2]。质检方案是针对某个具体产品的质量特性要求，所制定的检验项目、检验方法、检验手段、检验操作规程和批量产品抽样方法的总体概述。生产厂家要保证产品质量，首先要制定出正确的质量检验方案。一个优秀的质量检验方案必须同时满足以下三个条件：是满足测量精度要求；第二是经济实用；第三是方便高效。由于产品的种类繁多、用途各不相同；每个质量特性在各类产品中的重要程度也不相同；因此如何针对某个具体产品的质量特性，制定出既能保证产品质量、又能兼顾质量成本，同时又行之有效的质检方案确实是每个生产厂家迫切需要解决的问题，也是值得深入研究的课题。
　　2　滚动轴承质量检验方案的制定和优化
　　质量检验方案的制定除了要掌握各种检测技术的合理运用之外，还要了解产品的加工工艺和各道工序对产品各个质量特性的影响。笔者研究分析了大多数机械产品的质量检验项目和检验方法，归纳出制定质检方案的一般规律和方法。具体如下：
　　制定质量检验方案之前，首先要了解产品的用途和服役条件，特点和主要技术性能要求，以及相关的技术文件、国家标准和工艺规程。再由产品的特点和性能要求，分析它的质量特性^[3]；然后根据产品的用途和质量特性，以及销售合同中的质量条款，策划产品的质量检验项目，并设计出每个质检项目的检验方法；同时确定产品的测量精度和批量产品的抽样方法；再参照测量量值范围和测量精度，选择用于测量、试验及理化分析的检测手段（即试验设备、仪器、仪表、计量量具和标准件等）；Z后制定检验操作规程，确定测量和试验的条件。
　　此外有时在方案中还要考虑：如何将产品的质量特性转化为可直接测量的物理量；在采取间接测量方法时，如何将测量值换算为检验所需的量值；如何设计和制作标准实物样品，作为比较测量的依据。
　　滚动轴承作为机械产品中的通用标准件，它的质检方案也可按此规律进行制定。下面介绍轴承质检方案制定过程中，主要环节的策划和优化方法。
　　2.1了解轴承的主要特点和技术性能要求
　　轴承由于其用途和服役条件不同，所以它的结构形式变化甚多，但基本结构都是由内圈、外圈、滚动体（即钢球或滚子、滚针）和保持架四个零件组成，通常称为“四大件”；“四大件”组装在一起则得到成套轴承。在实际生产中深沟球轴承是应用Z多的轴承；它的转动摩擦力矩小，Z适宜于高转速、高精度的场合。由于钢球在球形沟道中转动，所以它同时还有一定的调心作用。加大径向游隙、移动沟位后，它也能承受一定的轴向载荷。在轴承两边加上密封圈后，可在其内加入油脂使它成为防尘、防水、自润滑、免维护的轴承。它装配成套后，成套轴承和其中零件的性能特点分别如下：
　　2.1.1轴承零件的主要特点和性能要求
　　（1）内圈、外圈、滚动体的特点和性能要求：由于它们在工作中受到压应力的作用，所以要求具有高而均匀的硬度、高的弹性极限、较高的抗压强度和接触疲劳强度；同时要有一定的韧性，以免在工作时偶尔受到冲击而破坏。另外还要求具有高的耐磨性和良好的互换性和尺寸稳定性，此外还要求具有一定的耐腐蚀性，以免在大气或润滑油脂中长期封存和使用过程中受到锈蚀。
　　（2）保持架的特点和性能要求：保持架的主要作用是分隔滚动体，防止滚动体在轴承运转过程中互相碰撞引起干涉。它要求重量轻、密度小、摩擦系数小、化学稳定性和导热性好；并具有低硬度、高耐磨性和较高的疲劳强度；还要求具有一定的刚性、弹性、塑性和韧性、较好的吸振性和润滑性（或储油性），以及良好的冷冲压和切削加工性能。
　　2.1.2成套轴承的主要特点和性能要求
　　由于轴承主要是用作支撑旋转轴的机械零部件，工作时它要承受轴传递的径向、轴向负荷，并与轴一起高速旋转；因此它要求具有一定的承载能力和运转速度、旋转精度与旋转灵活性、抗冲击性和使用寿命，较小的振动与噪声；以及其它次要性能（此处略）。
　　2.2分析产品的质量特性
　　由于产品的质量特性决定了产品的质检项目，质检项目又决定了质量检验方法，而质检方法Z终确定检测手段、检验规程、测试条件和抽样方法，因此制定质检方案之前，首先要了解产品的质量特性。产品的质量特性主要取决于产品的特点和性能。对于轴承零件而言，由于套圈（即内圈和外圈）、滚动体和保持架的使用条件不同，因此它们的特点和性能要求也不相同，而它们的质量特性也各不相同。
　　轴承套圈主要有下列质量特性：化学成分；内部显微组织；耐磨性；耐腐蚀性；硬度；零件的几何尺寸、形位公差和表面粗糙度；外观质量。
　　滚动体除了有上述质量特性之外，还有两个质量特性：压缩强度和振动。
　　保持架主要作用是分隔滚动体，在它的生产过程中只是进行冷加工，因此材料的化学成分；内部显微组织；耐磨性；耐腐蚀性；硬度等质量特性没有发生变化，主要是零件的几何尺寸、形位公差和表面粗糙度；外观质量等质量特性受到影响；另外它还影响到轴承的装配质量，所以还要考虑游隙、振动和转动灵活性等质量特性。
　　成套轴承的特点和性能不完全是轴承零件性能的综合；根据其服役条件，它主要具备下列质量特性：规格尺寸和表面粗糙度；旋转精度；成品游隙；转动灵活性；铆合质量和外观质量；接触疲劳寿命；振动；残磁。
　　2.3策划轴承质量检验项目及检验方法
　　产品的质量检验项目主要根据产品的质量特性而定，但每一产品具有多方面的质量特性，各项质量特性的重要程度也不一样，有的属于关键的、主要的质量特性，还有的属于非关键的，次要的质量特性。同一质量特性，随着产品的使用地点、条件的不同，其重要性也可能发生某些变化。因此把握好各个质量特性的重要程度及其变化是制定质量检验项目的关键。一般可根据产品的用途和作用对质量特性进行区分，找出关键的质量特性，并由此来策划质量检验项目。而检验方法除了要按照检验项目来确定之外，还要综合考虑产品的精度、批量大小、测量成本等因素。
　　对于轴承而言，由于它品种繁多、用途广泛；各种轴承的作用和服役条件各不相同，同一质量特性在各类轴承中的重要程度也不相同；因此在策划质量检验项目之前，首先要了解各种轴承的用途、服役条件、生产工艺和质量检验标准，其次根据各种轴承不同的结构特点和技术性能要求分析其质量特性，然后根据轴承（特别是没有相关标准的特殊轴承）的质量特性制定质量检验项目和检验方法。另外也可参照轴承标准和相关的质量检验方法标准，制定轴承的质量检验项目和检验方法，因轴承标准中的质检项目也是根据轴承的用途和质量特性来确定的。下面按照原材料进厂检验、工序检验和成品检验的顺序，分别介绍有关质检项目和质检方法的具体策划。
　　2.3.1原材料进厂检验
　　根据国家标准GB/T18254—2000《高碳铬轴承钢》规定，轴承钢进厂检验主要检验以下项目：钢材表面质量检验、钢材尺寸外形检查、化学成分分析、低倍组织检验、钢材断口检验、非金属夹杂物检验、轴承钢脱碳层深度检验、显微组织检验、显微孔隙检验、碳化物不均匀性检验、硬度试验和顶锻试验，各个检验项目的详细检验方法和评判标准可查阅参考文献^[4]。
　　2.3.2工序检验
　　工序检验包括轴承四大件（内圈、外圈、滚动体和保持架）加工过程中各道工序的质量检验，此处以轴承套圈（即内圈和外圈）为例介绍质检项目和质检方法的制定，套圈从原材料投料开始到成品零件终检为止，要经过锻加工、退火、车加工、淬、回火、磨加工以及超精研等多道加工工艺。由于零件的尺寸和外观质量要根据后道工序的加工能力来确定；所以国家标准和行业标准对半成品套圈在锻、车、磨和超精研工序中的检验方法和评判标准未作明确规定，由各生产厂家根据实际生产工艺制定内控标准来控制质量。具体如下：
　　锻加工检验：根据轴承零件的质量特性，主要检验套圈毛坯各部分的尺寸精度，形位误差和外观质量，以及套圈毛坯内部显微组织、晶粒尺寸和各种内部缺陷。抽检时每批随机抽取3~5个，其合格判定可依据企业自行制定的内控标准，详细检验方法可查阅参考文献^[4]。
　　退火质量检验：根据国家标准JB/T1255-2001《高碳铬轴承钢滚动轴承零件热处理技术条件》，退火套圈主要检验硬度、球化组织、网状碳化物和脱碳层深度；抽检时每批随机抽取2~3个，详细检验方法可查阅参考文献。
　　车加工检验：根据轴承零件的质量特性，主要检验套圈的尺寸偏差、形位公差和表面粗糙度，车加工检验时通常采用通用量具，小部分检验项目则采用轴承专用测量仪器；抽检时通常按一定的频数间隔（如隔5~7个）进行抽样，其合格判定可依据企业自行制定的内控标准，详细检验方法可查阅参考文献。
　　淬、回火质量检验：根据国家标准JB/T1255-2001《高碳铬轴承钢滚动轴承零件热处理技术条件》，轴承套圈淬、回火后主要检验硬度、显微组织、裂纹、断口、脱碳和软点、淬火变形和回火稳定性；抽检时每批随机抽取1~2个，详细检验方法可查阅参考文献^[4]。
　　磨加工和超精研检验：根据轴承零件的质量特性，主要检验套圈的尺寸偏差、形位公差、套圈的外观和表面粗糙度。磨加工和超精研的检验与车加工相似，测量原理也相同，但测量精度要大大高于车加工检验。检验时大多采用轴承专用检测仪器进行测量，其合格判定可依据工厂自行制定的内控标准。抽检时通常按一定的频数间隔（如隔5~7个）进行抽样，详细检验方法可查阅参考文献。
　　2.3.3成品检验
　　成品检验是指成品轴承（即由内圈、外圈、滚动体和保持架组装得到的成套轴承）的质量检验。根据JB/T8921-1999《滚动轴承及其商品零件检验规程》，主要考核内径偏差变动量、外径偏差变动量、旋转精度（Kia、Kea、Sd、SD、Sia、Sea）、径向内部游隙、振动、轴承工作表面烧伤、工作表面粗糙度、硬度和金相组织等主要检验项目的合格率；以及内、外圈单一宽度偏差、配合表面和端面的粗糙度、残磁强度和旋转灵活性等次要检验项目。此外还要进行接触疲劳寿命试验，详细检验方法可查阅参考文献^[4]。
　　2.4优化轴承质量检验项目及检验方法
　　2.4.1质量检验项目的优化
　　由于轴承的品种繁多、用途各不相同；每个质量特性在各类轴承中的重要程度也不相同；因此可根据轴承的服役条件和使用环境，对原材料进厂检验、工序检验和成品检验中的质量检验项目进行优化。
　　例如①对于普通用途的轴承可先进行硬度试验，当硬度不合格时，一般顶锻试验也不合格，因此硬度不合格可不必再进行顶锻试验。②对于低倍组织：由于直径大于30mm的退火钢材和不退火钢材的低倍缺陷比较严重，一般都需进行检验；而直径小于30mm钢材的低倍缺陷一般都在正常范围内，因此可不必检验此项目。③同样对于脱碳层深度检验，由于热轧轴承钢通常用于锻加工，所以热轧轴承钢也可不检查脱碳层深度。④另外对于套圈淬火后表面裂纹的检验可先用冷酸洗方法进行抽检，当试样表面发现裂纹后，再用磁力探伤法对该批套圈进行百分之百检验。⑤而对于套圈淬、回火后的断口检验；如硬度和显微组织都符合标准要求时，可不检查断口。⑥由于套圈加工的各道工序对原材料的化学成分无影响，所以套圈的化学成分可不必检验；⑦而套圈的耐磨性将在成套轴承的接触疲劳寿命试验中一起进行检验，所以也不必重复检验。
　　2.4.2质量检验方法的优化
　　常用的检验方法有感官检验、器具检验和试验性使用检验，对于轴承而言，主要是采取器具检验（即依靠计量仪器和量具，应用物理和化学方法对产品质量进行检验）。检验方法的优化也要考虑产品的用途，轴承的精度、批量大小和测量成本等因素，下面以钢球的振动、成套轴承的旋转精度和径向游隙的测量为例，介绍检验方法的优化。
　　钢球振动的测量按照JB/T8923-1999《滚动轴承钢球振动（加速度）技术条件》标准规定，应采用单粒钢球测振仪直接测量钢球振动；但这种方法却会出现单粒钢球测振合格，而将合格钢球与套圈装配成轴承后，成套轴承测振却不合格的现象。由于装配好的成套轴承无法拆套返工（因拆套既报废了保持架、铆钉，同时还会损伤钢球与套圈，使整套轴承的质量下降），结果成套轴承只能降低质量等级出售，由此造成一定的经济损失。如采用成品轴承测振仪，将钢球与轴承套圈先组装在一起测量振动，测振合格后再进行铆合，这样则可避免拆套引起的经济损失和不拆套带来的质量风险。但考虑到测振时，少装了保持架和钢球（多数情况下少装一粒钢球），所以在评判时，应在相应的部颁标准振动数值上再减去2-3dB，也就是还要进一步加严控制。
　　旋转精度测量：按照GB/T307.2—2005《滚动轴承测量和检验的原则及方法》规定，可采用B002仪器和分度值0.001mm的扭簧表，测量成品轴承旋转精度；测量时转动芯轴一周以上或转动外圈一周以上即可分别测得内圈径向跳动（Kia）、外圈径向跳动（Kea）、内圈端面对滚道的跳动（Sia）、外圈端面对滚道的跳动（Sea）。测量时，由于对被测轴承的安装要求严，对测量芯轴的制作精度要求高，所以此法测量效率很低，仅适合于小批量质量检验或对测量结果有争议时的仲裁检验。如采用B024仪器和分度值为0.001mm的扭簧表，测量成套轴承内圈的径向跳动（Kia）和内圈端面对滚道的跳动（Sia）；以及用B014仪器和分度值为0.001mm的扭簧表，测量成套轴承的外圈径向跳动（Kea）和外圈端面对滚道的跳动（Sea）；将使测量操作大为简便，只是测量误差少许大些。因此后者适用于大批量成品轴承旋转精度的检验，具体测量方法可参阅参考文献。
　　径向游隙测量：按照GB/T4604-2006《滚动轴承径向游隙》〔标准规定，采用X093J无负荷径向游隙测量仪和分度值为0.001mm的钟面百分表可测量径向游隙。由于仪器调整、测量操作极为不便，所以在实际生产中一般采用有负荷径向游隙测量仪（X095、X294等）测量径向游隙，然后根据实际测量过程中施加的负荷大小对测量结果加以修正后，再判别其是否合格。但不论是有负荷还是无负荷测量径向游隙，都要在轴承铆合后才能准确测量。测量后一旦发现径向游隙不合格，这时除了将轴承降低质量等级出售之外，只有对轴承进行拆套返工。为此轴承生产企业都希望在轴承铆合前，控制轴承径向游隙，而控制轴承的轴向游隙则可间接控制径向游隙的大小。因此在轴承装配过程中应对未铆合轴承的轴向游隙进行全检，再通过公式将测出的轴向游隙值换算成径向游隙值，然后根据测量结果进行分套和合套，由此控制轴承铆合后的径向游隙。轴向游隙一般采用X194或X195轴承专用检测仪器进行测量，其中X194是手动测量，而X195则是电动测量，两者的调整和测量操作都相同，具体测量方法可参阅参考文献^[4]。对于深沟球轴承，可通过下列公式将测出的轴向游隙值换算成径向游隙值。