圓錐滾子的技術(shù)特性

楊曉蔚

(洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039)

圓錐滾子軸承的結(jié)構(gòu)特征賦予其獨具優(yōu)勢的技術(shù)特點：具有與圓柱滾子軸承相當(dāng)?shù)母邚较蜉d荷能力，又能像深溝球軸承一樣同時承受徑向、軸向載荷；滾子可實現(xiàn)純滾動，摩擦因數(shù)低，適用于高速運轉(zhuǎn)工況。因此，圓錐滾子軸承廣泛應(yīng)用于汽車、機(jī)床、冶金、航空、鐵路、工程機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械等領(lǐng)域，是僅次于深溝球軸承的第二大類滾動軸承。但是，圓錐滾子軸承在幾何學(xué)、力學(xué)與運動學(xué)上的復(fù)雜性，也造成了其制造上的難度，必須嚴(yán)格控制套圈、特別是圓錐滾子等主要零件的加工精度，否則將嚴(yán)重影響其使用功能和性能的實現(xiàn)。

1 圓錐滾子的標(biāo)準(zhǔn)化狀況

圓錐滾子是軸承滾動體(圖1)中加工技術(shù)難度最大的，其幾何形狀比球、圓柱滾子及滾針復(fù)雜；精度要求比球面滾子高。因此，圓錐滾子是在滾動體、特別是滾子中最為典型的代表產(chǎn)品。

由于圓錐滾子軸承的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)在不同企業(yè)之間難以統(tǒng)一，圓錐滾子的標(biāo)準(zhǔn)化程度較低，不像圓柱滾子和滾針在尺寸規(guī)格上已經(jīng)具有國際標(biāo)準(zhǔn)及國家標(biāo)準(zhǔn)予以規(guī)范，因此在難以組織批量化生產(chǎn)的同時，每一種滾子都需要大量的工、卡、量、模具的高成本投入，這也在很大程度上阻礙了其技術(shù)進(jìn)步。

我國是國際上迄今為止唯一專門制定有圓錐滾子行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的國家(日本僅在JIS B1506:2005《滾動軸承 滾子》的附錄中作為參考列出簡單內(nèi)容)。但在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 10235—2001《滾動軸承 圓錐滾子 技術(shù)條件》中，也僅規(guī)定了相應(yīng)的公差、技術(shù)要求等內(nèi)容，沒有涉及尺寸規(guī)格參數(shù)Dw×Lw×2φ，如圖2所示。其中，圓錐滾子的公差等級分為4級，即0，Ⅰ，Ⅱ和Ⅲ級，精度依次由高到低。作為一般配套原則，0級公差滾子適用于2級公差軸承，Ⅰ級滾子適用于4級軸承，Ⅱ級滾子適用于5和6級軸承，Ⅲ級滾子主要用于0級軸承。高精度滾子主要用于機(jī)床、高速鐵路等一些領(lǐng)域的軸承，如坐標(biāo)鏜床主軸軸承要求達(dá)2級等。

圖2 圓錐滾子主要尺寸參數(shù)

國外盡管沒有制訂國家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，但很多著名軸承公司和滾子專業(yè)生產(chǎn)廠家都制訂有企業(yè)內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)。有些企標(biāo)具有非常廣泛的影響力，不僅對圓錐滾子的技術(shù)和生產(chǎn)起到了很好的規(guī)范作用，同時也促進(jìn)了圓錐滾子在企業(yè)之間乃至國際范圍的商品化。其中，以美國Timken為主導(dǎo)的英制圓錐滾子軸承，對圓錐滾子的尺寸規(guī)格都進(jìn)行了規(guī)定，一種尺寸規(guī)格的滾子可以互換通用于多個型號的軸承，以最大可能地實現(xiàn)批量化生產(chǎn)。

2 圓錐滾子的檢測項目

圓錐滾子的加工難度，也體現(xiàn)在其需要控制與檢測的項目是在滾動體中最多的。

我國軸承行業(yè)對于圓錐滾子成品的尺寸與形位誤差的檢測項目一般為7項：直徑、直徑變動量、長度、圓錐角、圓度、滾子大端面對圓錐面的跳動、滾子表面素線形狀等，另外還有表面粗糙度、外觀(裂紋等)、熱處理質(zhì)量(如硬度)、殘磁等。但有的國外軸承公司，相關(guān)的檢測項目則多得多。以國外A公司為例，其對圓錐滾子成品的尺寸與形位誤差的檢測項目達(dá)20多項，見表1；國外B公司對圓錐滾子的形位誤差檢測項目的示意圖如圖3所示，其中僅對波紋度這一項目就有在滾動表面和球基面，分低頻和高頻、徑向和周向，檢測8個指標(biāo)。

表1 國外A公司對圓錐滾子尺寸與形位誤差的測量項目

圖3 國外B公司的圓錐滾子形位誤差檢測項目

3 圓錐滾子工作表面的特性要求

在圓錐滾子的設(shè)計和加工中，最為關(guān)注的內(nèi)容是對其工作表面的特性要求，即滾子的凸度和球基面。

3.1 滾子凸度

從軸承最基本的性能參數(shù)“基本額定動載荷和額定壽命”的計算方法看，適用條件是“滾子與滾道的接觸處應(yīng)保證應(yīng)力分布均勻”，為了保證這一條件，除了內(nèi)、外圈滾道可以修形為凸度外，滾子滾動表面帶凸度是最常規(guī)的做法。尤其是所需凸出量較小時，滾道可按直素線加工，為減少工序和節(jié)省成本，僅在滾子上加工出凸度。

滾子凸度形狀常用的有全圓弧、圓弧修正線和對數(shù)曲線等，其在輕、重載荷作用下所形成的接觸應(yīng)力分布與直素線滾子(以圓柱滾子為例)的比較如圖4所示，可以看出，其中的對數(shù)曲線凸度滾子的接觸應(yīng)力分布最為理想。

由于滾子凸度主要是針對改善滾子與滾道處的接觸應(yīng)力分布，即提高軸承載荷能力而采取的措施，因此，當(dāng)軸承應(yīng)用于載荷較小的工況或者其他使用要求更為主要時，對于滾子是否一定要有凸度，并非一概而言。對于采用何種形狀的凸度，同樣也要根據(jù)使用要求的不同，特別是工藝實現(xiàn)的可能性進(jìn)行選擇。

(1)對于輕載、要求運轉(zhuǎn)平穩(wěn)以及低噪聲等應(yīng)用場合，以直素線滾子為宜。

(2)由于在滾子凸度加工中，全圓弧凸度形狀最容易保證(圓弧修正線很難做到圓弧與直線段的交點圓滑過渡；對數(shù)曲線在端面處于無窮大也難以實現(xiàn))，因此許多國外著名公司的滾子(包括圓錐與圓柱)，在一般用途時多采用全圓弧凸度。

圖4 滾子凸度形狀及接觸應(yīng)力分布

(3)圓弧修正線凸度形狀是介于全圓弧和對數(shù)曲線凸度形狀之間的一種“修正型”選擇，適用性更為寬泛。對于直線段的選取，一般為滾子有效長度的50%～70%。如日本某公司把圓弧修正線凸度滾子分為標(biāo)準(zhǔn)型(直線段占60%)和改進(jìn)型(直線段占50%)兩種。其中，改進(jìn)型滾子對偏載的適應(yīng)更為有利。

(4)圓弧修正線和對數(shù)曲線凸度在理論上是比直素線和全圓弧凸度更優(yōu)的凸度形狀，但加工難度較大。若實際加工的形狀誤差過大，將會在誤差處產(chǎn)生接觸應(yīng)力分布的奇異點，反而導(dǎo)致該處成為疲勞、磨損等失效現(xiàn)象發(fā)生的薄弱環(huán)節(jié)。國內(nèi)某企業(yè)的圓弧修正線凸度滾子如圖5所示，由于在圓弧與直線段的交點處沒有做到圓滑過渡而導(dǎo)致了疲勞剝落失效。某國外著名公司的圓錐滾子對數(shù)曲線凸度的實測圖如圖6所示，可以看出，其達(dá)到了很高的加工水平。

圖5 圓弧修正線凸度滾子疲勞失效實例

圖6 某國外著名公司圓錐滾子對數(shù)曲線凸度實測圖

(5)根據(jù)圓錐滾子軸承結(jié)構(gòu)特點的受力分析，滾子與滾道接觸形狀如圖7所示，因滾子小端處的接觸應(yīng)力應(yīng)略高于滾子大端處，因此凸型應(yīng)是不對稱的，即小端處凸度應(yīng)大于大端處凸度。在實際生產(chǎn)中，為方便起見，多按對稱型加工。無論對于全圓弧、圓弧修正線還是對數(shù)曲線凸度，都可以采取以滾子有效長度中心為坐標(biāo)原點，向大端方向略微移動的做法，來實現(xiàn)滾子兩端不同的凸度量。

圖7 圓錐滾子的接觸形狀

(6)凸度加工方法。普通滾子一般采用磨削加工為終加工，高精度滾子則應(yīng)采用超精加工為終加工(凸度較小，如0.005 mm以下時，可直接超精加工；若凸度較大，可“先磨后超”)。

(7)滾子經(jīng)凸度加工后，凸度部位的圓度誤差一般會變差。若用于低噪聲軸承，應(yīng)對滾子凸度部位的圓度誤差進(jìn)行控制。

3.2 滾子球基面

圓錐滾子軸承在工作時，圓錐滾子的受力狀態(tài)如圖8所示，即滾子大端面會由于滾道及滾子圓錐角的作用而自然靠緊內(nèi)圈大擋邊。因此，滾子大端面也是圓錐滾子的另一重要的工作表面。滾子大端面與內(nèi)圈大擋邊之間的運動形式為滑動，為了保證在相對不利的運動條件下獲得有效的潤滑，內(nèi)圈大擋邊通常設(shè)計為球面、斜面或微凸面，而滾子大端面則在球面、斜面、錐面等多種型面的試驗研究比較后，基本上采用球面為最佳選擇。因此，圓錐滾子的大端面通常被稱為“球基面”。

圖8 圓錐滾子的受力狀態(tài)

球基面半徑一般取錐頂長度的0.95(或0.96)。此時接觸處形狀為一橢圓，有助于形成彈性流體動力潤滑油膜，并具有較小的接觸應(yīng)力和較好的抗歪斜能力。有的國外公司為了適用于不同的使用條件，球基面半徑取值范圍更寬，甚至可取錐頂長度的0.75～0.96。

球基面的終加工為磨削加工，因此表面粗糙度很難達(dá)到像直徑面超精一樣的水平。采用組合樹脂砂輪貫穿式磨削，表面粗糙度Ra可達(dá)0.125 μm以下，最好水平可達(dá)0.08 μm左右。

4 我國圓錐滾子存在的問題及解決方案

由于加工裝備及工藝技術(shù)相對落后，我國大多企業(yè)仍以單機(jī)或簡易生產(chǎn)連線為主，工序多且很多環(huán)節(jié)以人工操作為主，加工精度散差大，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性差，因此一直處于較低水平狀態(tài)。僅能批量生產(chǎn)Ⅲ級滾子；部分能生產(chǎn)Ⅱ級滾子；Ⅰ級和0級滾子基本上不能穩(wěn)定生產(chǎn)。主要存在的問題有：直徑變動量及圓錐面表面粗糙度、圓錐角誤差、長度變動量、圓度誤差、凸度形狀(對數(shù)曲線凸度的擬合性、圓弧修正線凸度的圓滑過渡)、球基面跳動和表面粗糙度、非工作表面尺寸與形位誤差等。以圓錐面表面粗糙度、圓度誤差、圓錐角誤差為例，國外先進(jìn)水平分別為Ra0.06～0.16 μm，0.8 μm(甚至達(dá)0.3 μm左右)、±1 μm，而國內(nèi)一般為Ra0.1～0.25，1.5，±2 μm。隨著近些年來的技術(shù)進(jìn)步，在直徑變動量及圓錐面表面粗糙度、球基面跳動等方面有了較大提高，但在凸度形狀、球基面表面粗糙度、圓錐角誤差、非工作表面質(zhì)量等方面仍存在很大差距。

要解決上述有關(guān)尺寸與形位誤差的問題，首先必須采用先進(jìn)加工設(shè)備，目前已經(jīng)呈現(xiàn)出可喜的發(fā)展態(tài)勢。

(1)一些企業(yè)引進(jìn)了具有國際先進(jìn)水平的加工設(shè)備，如瓦軸引進(jìn)了日本坂村公司的高速雙擊冷鐓機(jī)；瓦軸、洛陽LYC引進(jìn)了德國Modler公司的外徑和球基面磨床等。這些設(shè)備的引進(jìn)不僅帶來了先進(jìn)技術(shù)，而且極大地改變了傳統(tǒng)的圓錐滾子制造理念。

(2)濮陽貝英研發(fā)出了目前國內(nèi)最先進(jìn)的全自動圓錐滾子磨削加工生產(chǎn)線，實現(xiàn)了自動上下料、輸送、測量、補償?shù)裙δ?，基本上取消了人工操作，加工精度達(dá)到Ⅰ級滾子水平，并避免了滾子表面的磕碰劃傷；新鄉(xiāng)日升研發(fā)的精密圓錐滾子無心磨床，加工精度可滿足Ⅱ級滾子要求。

(3)大連隆正研發(fā)的光飾機(jī)，在滾子磨削或超精后進(jìn)行光飾處理，可降低滾子表面粗糙度1～2級，并顯著改善外觀質(zhì)量。其光飾機(jī)不僅用于國內(nèi)軸承企業(yè)，而且已被Timken，Schaeffler等外資軸承企業(yè)采購使用。

另外，針對圓錐滾子軸承使用壽命較短，而圓錐滾子失效是其主要因素的狀況，除了采用凸度滾子特別是對數(shù)曲線凸度滾子外，必須選用優(yōu)質(zhì)原材料(如高純凈度真空脫氣鋼或電渣重熔鋼)、高表面質(zhì)量冷拔銀亮料(如剝皮料、磨光料)和先進(jìn)的熱處理技術(shù)(如保護(hù)氣氛或可控氣氛)，這是避免圓錐滾子早期失效進(jìn)而影響圓錐滾子軸承使用壽命的最為關(guān)鍵的前提條件。

5 高精度滾子的制造

高精度圓錐滾子一般為小尺寸滾子。以滾子直徑Dw≤25 mm的為例，要制造高精度的0，Ⅰ級滾子，一般應(yīng)采用以下加工設(shè)備、工藝技術(shù)及先進(jìn)理念。

(1)毛坯成形采用高速雙擊冷鐓機(jī)，銀亮料，封閉成形，少環(huán)帶，小留量，且能保證球基面凹穴、小端面(非磨削)、倒角等后續(xù)不再加工的非工作表面的尺寸和形位公差要求。

(2)磨削加工采用數(shù)控機(jī)床，2～3遍循環(huán)加工，并采用常規(guī)二次回火、冷處理、附加回火、時效處理等措施提高滾子的組織與尺寸穩(wěn)定性。

(3)滾子圓錐面必須采用超精為終加工工序，以達(dá)到所要求的低表面粗糙度水平，并改善圓度、波紋度以及磨削變質(zhì)層等質(zhì)量狀況。

(4)滾子小端面采用磨削加工。為保證高精度圓錐滾子軸承的運動平穩(wěn)性及滾子不發(fā)生歪斜，對內(nèi)圈小擋邊也進(jìn)行磨削，以控制內(nèi)圈滾道的尺寸變動量。相應(yīng)對滾子的長度變動量也應(yīng)要求嚴(yán)格，因此對冷鐓成形的小端面也必須進(jìn)行磨削加工。

(5)測量手段以儀器精密測量為主。對于主要尺寸與形位誤差項目、參數(shù)，采用儀器精密測量(包括在線測量)；對于凹穴、倒角等非工作表面，也要由傳統(tǒng)的樣板等定性測量轉(zhuǎn)為坐標(biāo)投影儀、表面輪廓儀等定量測量。例如，用于高速領(lǐng)域的精密滾子，若倒角不一致或凹穴同軸度不好，會因為質(zhì)量不平衡而使?jié)L子在運動中產(chǎn)生離心力的劇烈波動，導(dǎo)致滾子歪斜等現(xiàn)象發(fā)生。

(6)裂紋檢查應(yīng)采用多種方法控制。由于滾子原材料及后續(xù)冷拔鋼絲、冷鐓成形、磨削加工等工序易產(chǎn)生裂紋等缺陷，這是滾子加工中最易出現(xiàn)的一大質(zhì)量問題，因此必須采用酸洗、渦流、磁粉等多種探傷方法來確保滾子無裂紋等嚴(yán)重缺陷出現(xiàn)。

(7)滾子分選應(yīng)優(yōu)先采用在線“卡段分組”，盡量保持滾子批在尺寸和形位精度上的一致性，以滿足圓錐滾子軸承實現(xiàn)“隨機(jī)裝配”的要求。

(8)加工與檢測環(huán)境應(yīng)“計量室化”。精密加工工序及檢測環(huán)境要按照“計量室”的要求，具備恒溫、恒濕、潔凈、隔振等條件，盡量減少環(huán)境因素波動對機(jī)床、工件、檢測器具的影響，以保證加工與測量精度的相對穩(wěn)定性和一致性。

6 結(jié)束語

圓錐滾子是軸承滾動體中加工技術(shù)難度最大的代表性產(chǎn)品。要想制造出高質(zhì)量圓錐滾子、特別是高精度圓錐滾子，加工設(shè)備是第一位的，許多先進(jìn)的工藝技術(shù)只有依賴于先進(jìn)的加工設(shè)備才能夠?qū)崿F(xiàn)。同時，也必須對圓錐滾子技術(shù)特性有深刻理解，具備先進(jìn)的技術(shù)思想與理念，才能在更高層面上明確圓錐滾子的技術(shù)進(jìn)步方向。隨著加工設(shè)備的國外引進(jìn)與自主研發(fā)，相信我國圓錐滾子的產(chǎn)品質(zhì)量和技術(shù)水平一定會在近期取得顯著突破。