我國(guó)鋼球加工工藝設(shè)備的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

張永乾，吳朝陽(yáng)

(1.中國(guó)軸承工業(yè)協(xié)會(huì)技術(shù)委員會(huì) 滾動(dòng)體專業(yè)委員會(huì)，河南 洛陽(yáng) 471039;2.常州光洋軸承有限公司，江蘇 常州 213002)

1 概述

鋼球是球體形狀的零件，其整個(gè)表面既是工作面，又是加工中的基準(zhǔn)面和支承面。鋼球的加工具有獨(dú)特的專業(yè)化特征，對(duì)原材料的質(zhì)量、工藝水平和加工設(shè)備的要求都非常高。

在原材料和工藝技術(shù)保持相對(duì)穩(wěn)定和適用的情況下，鋼球加工設(shè)備直接影響鋼球的精度。不同的工藝方法要求不同的加工設(shè)備，先進(jìn)的工藝必須通過先進(jìn)的鋼球加工設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)。隨著鋼球加工設(shè)備的不斷改進(jìn)和技術(shù)創(chuàng)新，推動(dòng)了鋼球加工工藝水平及加工精度的提高，所以鋼球加工設(shè)備是鋼球加工的關(guān)鍵和基礎(chǔ)。

國(guó)內(nèi)鋼球加工設(shè)備經(jīng)過50余年的發(fā)展，已經(jīng)成為由專業(yè)化生產(chǎn)企業(yè)制造、滿足所有加工工藝需求和工藝過程、品種齊全的一大類專業(yè)設(shè)備系列。鋼球加工設(shè)備按工藝過程可分為8大類。

(1)球坯成形設(shè)備：冷鐓機(jī)，熱軋機(jī)及沖壓機(jī)；

(2)鋼球光磨設(shè)備：立式光球機(jī)，臥式光球機(jī)；

(3)鋼球熱處理設(shè)備：回轉(zhuǎn)熱處理爐，可控氣氛熱處理線；

(4)鋼球表面強(qiáng)化設(shè)備：表面強(qiáng)化機(jī)；

(5)鋼球硬磨設(shè)備：立式磨球機(jī)，臥式磨球機(jī)；

(6)鋼球研磨機(jī)：立式研磨機(jī)，臥式研磨機(jī)；

(7)清洗包裝設(shè)備：超聲波清洗機(jī)，螺旋清洗機(jī)，高壓噴射清洗機(jī)及涂油包裝線；

(8)鋼球系列檢測(cè)儀器：渦流探傷儀，外觀檢查儀及分選儀等。

專業(yè)生產(chǎn)鋼球加工設(shè)備的企業(yè)主要有河南新機(jī)股份有限公司(新鄉(xiāng)日升公司前身)和安慶機(jī)床有限公司等。制造生產(chǎn)Z32系列鋼球自動(dòng)冷鐓機(jī)、Z32G系列高速鋼球自動(dòng)冷鐓機(jī)；3M7466，3ML4980，3M4980，3M7980鋼球光球機(jī)，3M7990，3M7995臥式大球光球機(jī)；3M7166，3ML4680，3M4680，3M7680，3M7690鋼球磨球機(jī)；3M7266，3ML4780，3M7780，3M7790鋼球研球機(jī)，3M77系列L型低重心結(jié)構(gòu)臥式鋼球樹脂砂輪磨研機(jī)；還有鋼球渦流探傷機(jī)、鋼球超聲波清洗機(jī)、熱處理爐、熱軋鋼球球坯專用生產(chǎn)線以及鋼球研磨板、研磨液、專用砂輪和金剛石修整器等。

2 鋼球基本加工工藝與加工設(shè)備進(jìn)展

1950—1960年我國(guó)主要模仿前蘇聯(lián)的鋼球加工工藝和加工設(shè)備；1970年完成以光磨工藝替代銼削與軟磨工藝的攻關(guān)，并同期研制出3M4630臥式鋼球磨球機(jī)和3M4930臥式鋼球光球機(jī)；1980年完成大循環(huán)水劑精研工藝攻關(guān)，研發(fā)出3M4730立式鋼球精研機(jī)和3ML4780立式鋼球研球機(jī)，使我國(guó)鋼球制造水平和質(zhì)量得到大幅度提高，滿足了低噪聲軸承的裝配需要，但與國(guó)外鋼球質(zhì)量仍有較大差距；1990年鋼球行業(yè)瞄準(zhǔn)國(guó)際鋼球先進(jìn)水平，從鋼球加工工藝的各個(gè)方面進(jìn)行仔細(xì)研究，推廣鋼球樹脂砂輪磨研(以磨代研)新工藝。河南新機(jī)股份有限公司研制出的3M77系列適合樹脂砂輪磨研工藝的研磨機(jī)使鋼球批量質(zhì)量穩(wěn)定性得到大幅度提高，表面質(zhì)量明顯改善，鋼球單粒振動(dòng)進(jìn)一步降低，和軸承合套率明顯提高，特別是在消除軸承異常聲方面效果顯著。真正實(shí)現(xiàn)了G5鋼球穩(wěn)定、批量的定制生產(chǎn)，使鋼球幾何精度達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

隨著鋼球加工設(shè)備的發(fā)展，目前國(guó)內(nèi)鋼球的基本加工工藝過程為：原材料檢查 → 冷鐓(熱鐓、熱軋、切料、沖壓) → 光磨 → (軟磨)→熱處理 → 硬磨 → (表面強(qiáng)化) → 初研 (細(xì)磨)→ 精研 (精磨)→(渦流探傷、外觀檢查)→ 超精研(超精磨)→ (光學(xué)外觀)→ 清洗防銹 → 成品檢查 → 成品包裝。在每道工序之間根據(jù)需要進(jìn)行清洗防銹、干燥烘干、挑揀工序缺陷球和質(zhì)量控制檢查，工藝質(zhì)量控制指標(biāo)更加嚴(yán)格(如目前硬磨的球形誤差控制基本達(dá)到了原初研的控制指標(biāo))，工藝工裝和工藝細(xì)節(jié)的控制更加完善，對(duì)汽車軸承等專用鋼球進(jìn)行100%渦流探傷和光電外觀?？梢苑€(wěn)定批量生產(chǎn)G5，G10鋼球，滿足不同軸承的裝配要求。

3 鋼球加工設(shè)備水平

從1949年瓦軸制造出第一臺(tái)鋼球磨球機(jī)，生產(chǎn)出中國(guó)首批鋼球開始，鋼球加工設(shè)備和加工工藝不斷進(jìn)步和創(chuàng)新。隨著1952年從前蘇聯(lián)引進(jìn)自動(dòng)冷鐓機(jī)，國(guó)內(nèi)開始設(shè)計(jì)開發(fā)制造鋼球自動(dòng)鐓球機(jī)、銼球機(jī)、磨球機(jī)和研磨機(jī)。1980年國(guó)內(nèi)先后從德國(guó)、日本和美國(guó)等引進(jìn)鋼球高速冷鐓機(jī)、精研設(shè)備、熱處理設(shè)備、清洗設(shè)備、渦流探傷設(shè)備和鋼球加工生產(chǎn)線，推動(dòng)了鋼球設(shè)備的創(chuàng)新開發(fā)步伐和技術(shù)進(jìn)步，促進(jìn)了鋼球加工工藝水平的不斷完善和鋼球質(zhì)量的穩(wěn)定提高。目前國(guó)內(nèi)所有工序的鋼球加工設(shè)備全部實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，光、磨、研設(shè)備的制造精度和綜合性能達(dá)到國(guó)際同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平。可加工鋼球直徑0.5～200 mm，裝球量200～1 000 kg，設(shè)備主軸運(yùn)轉(zhuǎn)徑跳和端跳達(dá)到0.008 mm，采用了自動(dòng)加壓保壓系統(tǒng)、交流變頻調(diào)速系統(tǒng)和滾動(dòng)直線導(dǎo)軌等先進(jìn)技術(shù)，保證設(shè)備的工作性能和穩(wěn)定性。用國(guó)產(chǎn)設(shè)備制造的鋼球尺寸精度、振動(dòng)及穩(wěn)定性與日本AKS公司的鋼球質(zhì)量水平相當(dāng)，已能為世界著名軸承公司SKF，INA，KOYO，NTN和TIMKEN等配套高精度鋼球。

河南新機(jī)股份有限公司生產(chǎn)鋼球光、磨、研全系列加工設(shè)備，球板直徑400～950 mm，達(dá)9種之多，品種近40個(gè)，成為國(guó)內(nèi)最大、系列最全的鋼球加工工藝設(shè)備制造企業(yè)，產(chǎn)品出口美國(guó)、德國(guó)、日本、韓國(guó)、印度、臺(tái)灣等國(guó)家和地區(qū)。近年開發(fā)制造的設(shè)備主要有：3M7466立式鋼球光球機(jī)、3M7980A臥式鋼球光球機(jī)、3M7995臥式大球光球機(jī)；3M7166立式鋼球磨球機(jī)、3M4680C臥式鋼球磨球機(jī)；3ML4780C立式鋼球研球機(jī)、3M7266立式鋼球研球機(jī)、3ML4775立式鋼球研球機(jī)、3M7780A/XX臥式鋼球研球機(jī)、3M7790A，3M7795/XX和3M7790/XX臥式大球研球機(jī)。尤其是臥式L型低重心3M77系列采用樹脂砂輪以磨代研鋼球研磨機(jī)，一直以來(lái)以精度高、質(zhì)量穩(wěn)定而在鋼球行業(yè)享有盛譽(yù)，隨著該工藝技術(shù)的廣泛推廣與應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了G5低噪聲鋼球的大批量穩(wěn)定生產(chǎn)。近幾年在此基礎(chǔ)上又對(duì)加工大球的臥式90，95系列的光、磨、研設(shè)備進(jìn)行了強(qiáng)勢(shì)開發(fā)，無(wú)齒輪傳動(dòng)、恒壓加工、變頻調(diào)速、整體橋板、大裝球量及降噪等新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)用于該類設(shè)備的研制，在鋼球行業(yè)成功推廣并得到認(rèn)可。與此同時(shí)，率先在立、臥式鋼球設(shè)備上采用交流變頻技術(shù)，使得加工過程中主軸轉(zhuǎn)速及對(duì)應(yīng)的工作壓力實(shí)現(xiàn)平滑轉(zhuǎn)化，提高了鋼球加工質(zhì)量。

安慶機(jī)床有限公司生產(chǎn)的光、磨、研鋼球加工設(shè)備中3M49，3M79系列鋼球光球機(jī)體現(xiàn)出獨(dú)特的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)，具有良好的加工效率和可靠性。2008年成功開發(fā)了3M77系列鋼球研磨機(jī)，使用了光柵定位及自車盤裝置，保證了設(shè)備的定位精度和精度保持性。

上海崇明機(jī)床廠制造磨、研加工系列設(shè)備，尤其是在3M77系列鋼球研磨機(jī)制造方面有獨(dú)到的工藝技術(shù)，制造的3M7790大球加工設(shè)備的剛性和效率都比較高，并與德國(guó)SMS公司共同研發(fā)鋼球精研機(jī)，向德國(guó)出口。齊齊哈爾機(jī)床廠及濟(jì)南順達(dá)機(jī)械有限公司等制造冷鐓設(shè)備。上海征佳公司專業(yè)制造研磨設(shè)備。

日本在我國(guó)的獨(dú)資公司已采用我國(guó)生產(chǎn)的鋼球加工設(shè)備，但是應(yīng)該看到，在高速冷鐓機(jī)的開發(fā)制造和可靠性以及相關(guān)設(shè)備的技術(shù)水平等方面與國(guó)外仍有較大差距，還需要不斷技術(shù)創(chuàng)新，以滿足鋼球行業(yè)的需要。

4 鋼球加工設(shè)備

4.1 冷鐓、熱軋球設(shè)備

冷鐓、熱鐓、熱軋球設(shè)備可實(shí)現(xiàn)球坯快速高效成形，已經(jīng)形成了Z32系列。

4.2 光球設(shè)備

光球設(shè)備對(duì)冷鐓、熱鐓、熱軋球坯進(jìn)行高效加工，保證鋼球具有一定的留量、尺寸精度和表面質(zhì)量，形成了3M49和3M79系列，機(jī)床結(jié)構(gòu)有立式和臥式2種。

3ML4980立式鋼球光球機(jī)采用大循環(huán)加工，主傳動(dòng)機(jī)械變速，下盤轉(zhuǎn)動(dòng)，上盤移動(dòng)，工作壓力由液壓加壓，彈簧保壓，環(huán)形輸球料盤采用變頻無(wú)級(jí)調(diào)速，有“斷流”保護(hù)裝置，故障自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)。球板直徑800 mm，裝球量400 kg，符合后續(xù)加工節(jié)拍，光球精度可達(dá)到球形誤差20 μm，批直徑變動(dòng)量40 μm，表面粗糙度Ra為6.3 μm。

80，90，95系列臥式鋼球光球機(jī)采用臥式布局，傾斜料盤大循環(huán)加工，變頻無(wú)級(jí)調(diào)速，液壓驅(qū)動(dòng)加壓，蓄能器保壓，主軸轉(zhuǎn)速由雙速電動(dòng)機(jī)控制，有“斷流”保護(hù)裝置。球板直徑800～950 mm，裝球量350～1 000 kg，符合后續(xù)加工節(jié)拍，光球精度可達(dá)到球形誤差20 μm，批直徑變動(dòng)量40 μm，表面粗糙度Ra為6.3 μm。

4.3 硬磨設(shè)備

硬磨設(shè)備對(duì)熱處理后的球坯進(jìn)行高效加工，保證鋼球具有一定的留量、尺寸精度和表面質(zhì)量，形成了3M4680和3M76系列，機(jī)床結(jié)構(gòu)有立式和臥式2種。

3ML4680立式鋼球磨球機(jī)采用大循環(huán)加工，主傳動(dòng)機(jī)械變速，下盤轉(zhuǎn)動(dòng)，工作壓力由液壓加壓，彈簧保壓，環(huán)形輸球料盤采用變頻無(wú)級(jí)調(diào)速，砂輪自動(dòng)修整，故障自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)。球板直徑800 mm，裝球量350 kg，符合后續(xù)加工節(jié)拍，磨球精度可達(dá)到球形誤差3 μm，批直徑變動(dòng)量6 μm，表面粗糙度Ra為0.4 μm。

3M4680C臥式鋼球磨球機(jī)采用臥式布局；主軸采用變頻調(diào)速；傾斜料盤或平料盤大循環(huán)加工，變頻無(wú)級(jí)調(diào)速；液壓驅(qū)動(dòng)偏心加壓，常開式液壓站連續(xù)供油保壓；主軸設(shè)有悶車保護(hù)；砂輪自動(dòng)修整，故障自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)。球板直徑800 mm，裝球量400 kg，符合后續(xù)加工節(jié)拍，球形誤差可達(dá)到3 μm，批直徑變動(dòng)量6 μm，表面粗糙度Ra為0.4 μm。

4.4 表面強(qiáng)化設(shè)備

表面強(qiáng)化是把鋼球裝入直徑為1 m左右、帶有提升斗的臥式滾筒機(jī)中，提升斗將熱處理后的鋼球提升至筒內(nèi)最高處落下，利用鋼球落下的動(dòng)能使鋼球相互碰撞，在表面產(chǎn)生彈塑性形變，形成冷作硬化層和壓應(yīng)力。由此可使表面強(qiáng)化層硬度提高1～3 HRC，鋼球耐磨性提高1.5～2倍。

4.5 研磨設(shè)備

研磨設(shè)備對(duì)硬磨后的鋼球進(jìn)行最終工序加工，保證成品鋼球的形狀尺寸精度和表面質(zhì)量，是發(fā)展較快的機(jī)床，也是近年鋼球行業(yè)開發(fā)的重點(diǎn)，形成了3M7266，3ML4780，3M7770和3M7780系列，機(jī)床結(jié)構(gòu)有立式和臥式2種。

立式鋼球研磨機(jī)3ML4780C采用大循環(huán)加工，主傳動(dòng)變頻無(wú)級(jí)調(diào)速，下盤轉(zhuǎn)動(dòng)，工作壓力由液壓偏心加壓，彈簧保壓，環(huán)形輸球料盤采用變頻無(wú)級(jí)調(diào)速，采用水劑研磨，故障自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)。球板直徑800 mm，裝球量250 kg，符合加工節(jié)拍，研磨球精度等級(jí)可達(dá)到G5～G10。

臥式鋼球研球機(jī)3M7780A采用臥式布局，L型低重心床身；加壓與滑動(dòng)機(jī)構(gòu)相分離，滾動(dòng)直線導(dǎo)軌定位；平料盤大循環(huán)加工，主軸和料盤變頻無(wú)級(jí)調(diào)速；由變量泵控制的常開式液壓站連續(xù)供油保壓；主軸設(shè)有悶車保護(hù)，電氣PC控制，故障自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)。球板直徑800 mm，裝球量250～400 kg，符合后續(xù)加工節(jié)拍，研磨球精度等級(jí)可達(dá)到G5～G10。

樹脂砂輪磨研工藝是1990年發(fā)展的鋼球加工新工藝，保證鋼球表面質(zhì)量均勻性和降低鋼球振動(dòng)值，實(shí)現(xiàn)鋼球加工定時(shí)、定尺寸、定精度的定制制造工藝規(guī)范。為適應(yīng)鋼球樹脂砂輪磨研加工工藝，開發(fā)了3M7766，3M7770和3M7780A等系列臥式機(jī)床。機(jī)床采用敞開式、高-低結(jié)合、低重心L型整體結(jié)構(gòu)；主軸結(jié)構(gòu)獨(dú)具特色，轉(zhuǎn)動(dòng)盤的端面跳動(dòng)與徑向跳動(dòng)在0.01 mm以內(nèi)，甚至可以達(dá)到0.005 mm；加壓與滑動(dòng)機(jī)構(gòu)相分離，固定板架完全固定，主軸頭架移動(dòng)采用重預(yù)緊零間隙的滾動(dòng)直線導(dǎo)軌；后部由與之相聯(lián)的油缸驅(qū)動(dòng)加壓，克服了由于油缸定位造成兩盤平行度在加壓和不同位置時(shí)的變化，保證機(jī)床重復(fù)定位精度；獨(dú)特的轉(zhuǎn)動(dòng)研磨板與固定研磨板調(diào)心機(jī)構(gòu)；主軸與料盤傳動(dòng)系統(tǒng)采用變頻無(wú)級(jí)調(diào)速，也為使用鑄鐵板研磨或者樹脂砂輪研磨有不同工藝轉(zhuǎn)速的選擇；機(jī)床的進(jìn)球口部位、主傳動(dòng)皮帶輪處以及料盤旋轉(zhuǎn)部位均設(shè)有監(jiān)控裝置，出現(xiàn)故障整機(jī)停機(jī)報(bào)警；電氣系統(tǒng)采用PC機(jī)控制，保證電氣控制系統(tǒng)性能和設(shè)備運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。磨研球加工精度等級(jí)穩(wěn)定達(dá)到G5。

4.6 鋼球加工設(shè)備聯(lián)線配置

隨著我國(guó)軸承產(chǎn)量的增加，同規(guī)格的鋼球需求量可達(dá)到上億粒，這就為鋼球聯(lián)線設(shè)備配置生產(chǎn)提供了可能。一般配置方法為：1臺(tái)高速冷鐓機(jī)、1臺(tái)光球機(jī)、1臺(tái)磨球機(jī)和3～6臺(tái)研磨機(jī)(包括初研、精研和超精研工序)組成軟聯(lián)線，常年進(jìn)行一種規(guī)格鋼球的生產(chǎn)，可保證鋼球質(zhì)量的穩(wěn)定性，同時(shí)也較大幅度地減少了磨具消耗，利于管理和降低制造成本。

4.7 鋼球加工主要工磨具

鋼球加工所需的工磨具主要包括鑄鐵研磨板、專用砂輪(樹脂砂輪)、研磨液、磨料、金剛石修整器、冷鐓模及切料刀板套筒等，目前已經(jīng)形成專業(yè)化生產(chǎn)。但國(guó)內(nèi)在鑄鐵超精研板、樹脂砂輪和樹脂砂輪研磨液等方面與國(guó)外仍有較大差距，還需進(jìn)一步研發(fā)。

5 發(fā)展趨勢(shì)

鋼球的光、磨工序仍處于高能耗、高噪聲及低環(huán)保狀況，已不符合國(guó)家的環(huán)保發(fā)展要求。高效節(jié)能、低噪聲的鋼球光、磨設(shè)備應(yīng)是今后設(shè)備制造企業(yè)的努力方向，研球機(jī)的加工要求采用CNC技術(shù)、智能化遠(yuǎn)程控制技術(shù)和在線測(cè)量技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，將鋼球加工精度穩(wěn)定提高到G3水平。目前河南新機(jī)股份有限公司已走在國(guó)內(nèi)同行的前面，與鋼球制造企業(yè)聯(lián)手協(xié)作開發(fā)了新型的節(jié)能、低噪聲鋼球光、磨設(shè)備和數(shù)控研球加工設(shè)備。相信在未來(lái)我國(guó)鋼球加工設(shè)備更新?lián)Q代的速度會(huì)更快。

6 設(shè)備的需求

隨著軸承行業(yè)的發(fā)展，我國(guó)鋼球行業(yè)也得到了飛躍式提升，特別是近20年取得了顯著成果，每年新增產(chǎn)能達(dá)到20%以上，質(zhì)量穩(wěn)步提高。鋼球行業(yè)的發(fā)展極大地促進(jìn)了鋼球設(shè)備的旺盛需求，近年來(lái)高檔鋼球加工設(shè)備的需求量以年均30%以上的速度遞增。根據(jù)軸承行業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃，預(yù)計(jì)鋼球加工設(shè)備需求的遞增要持續(xù)10年以上，2009年全行業(yè)新增高檔設(shè)備100余臺(tái)，2011年市場(chǎng)需求量可達(dá)2 000臺(tái)左右，到2015年全行業(yè)需求高檔加工設(shè)備將達(dá)3 000臺(tái)以上。

鋼球加工設(shè)備產(chǎn)業(yè)集中度高，河南新機(jī)股份有限公司、安慶機(jī)床有限公司、上海崇明機(jī)床廠、上海群英機(jī)械有限公司和齊齊哈爾機(jī)床廠等主要設(shè)備制造企業(yè)的產(chǎn)品占到市場(chǎng)份額的90%以上，其中河南新機(jī)股份有限公司作為軸承行業(yè)的骨干企業(yè)之一，多年來(lái)與專業(yè)研究機(jī)構(gòu)和富有創(chuàng)新精神的鋼球生產(chǎn)企業(yè)密切合作，緊跟世界鋼球加工先進(jìn)技術(shù)，銷售收入一直雄踞行業(yè)榜首，市場(chǎng)占有率穩(wěn)定在50%以上。

7 結(jié)束語(yǔ)

為實(shí)現(xiàn)我國(guó)由軸承大國(guó)向軸承強(qiáng)國(guó)的轉(zhuǎn)變，鋼球加工設(shè)備還應(yīng)在如下方面進(jìn)一步加強(qiáng)：(1)高速自動(dòng)冷鐓機(jī)的穩(wěn)定批量生產(chǎn)；(2)渦流探傷機(jī)的研制；(3)光學(xué)外觀機(jī)的研制；(4)鋼球清洗機(jī)的研制；(5)鋼球加工設(shè)備的聯(lián)線合理配置；(6)鋼球加工設(shè)備在線測(cè)量和數(shù)控技術(shù)的研制?？傊?，鋼球加工設(shè)備需要緊跟國(guó)際先進(jìn)水平，并持續(xù)創(chuàng)新，為鋼球和軸承行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步作出更大貢獻(xiàn)。