CBN油石超精對軸承性能的影響淺析

童中俊，張 慧，李 靜，溫朝杰

（1.揚中市旭日精密磨具廠，江蘇 鎮(zhèn)江 212200；2.洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039）

1 前言

目前國內(nèi)微小型軸承行業(yè)的超精工序還是普遍采用普通磨料油石（白剛玉滲硫油石或碳化硅滲硫油石），先粗超后精超（行業(yè)內(nèi)俗稱 “兩步超”）的傳統(tǒng)工藝。由于普通油石壽命短，一般超 100～200 個套圈后就需更換，頻繁更換油石造成了油石成型次數(shù)多、套圈返工數(shù)量多。不僅生產(chǎn)效率低下，而且超精效果及其相關參數(shù)的穩(wěn)定性、一致性也差，致使軸承整體品質(zhì)下降，難以和進口高端品牌相比。

近年逐漸推廣應用的CBN油石，由于其超硬特性和長壽命、高效率等優(yōu)異性能，已被越來越多的軸承廠家所接受。CBN油石在絕大部分工況條件下，均可一次性高效完成超精（行業(yè)內(nèi)俗稱“一次超”或“一步超”）作業(yè)，且一支定型尺寸的CBN油石可以超精上千個甚至數(shù)千個套圈。不但完滿地彌補了普通油石的各種不足，還大幅度提升了微小型軸承的各項性能。

2 CBN油石超精優(yōu)勢

2.1 CBN油石特性分析

CBN即立方氮化硼，是由氮原子和硼原子構成的類金剛石結構的新型晶體。CBN 磨粒硬度高（莫氏硬度 9.8），接近金剛石（莫氏硬度10）；球狀顆粒比例高（可達 60%），特別適合于加工成微細顆粒；具有良好的韌性和自銳性；物理化學性能穩(wěn)定，在 800℃ 條件下，性能損失＜1%。

CBN油石因磨料本身固有的超硬特性，其超精過程的磨耗量一般只有普通油石的1/10～1/20；可制成較小體塊的生坯，并采用內(nèi)部溫差小的小型電爐燒結，因而燒結后的坯塊硬度均勻性好；采用小型自動化混料設備進行配混料作業(yè)，使得成型料具有優(yōu)越的均勻性和松散性，易于壓制密度均勻的生坯；再輔之于合適粒徑的成孔劑，燒結后的坯塊內(nèi)部孔隙分布均勻，孔徑也基本一致，特別有利于超精過程中磨屑的吸納和拋出；采用 800℃ 以下低溫陶瓷結合劑燒結，完整保留了CBN磨料的各項優(yōu)秀性能；CBN油石自身具有超長壽命和優(yōu)良的超精研光整效果，因此無需給油石滲入硫磺來增強其性能。

2.2 CBN油石超精特點

CBN油石超精是采用對應粗糙度要求的粒度組成的CBN油石并對其施加相對恒定的壓力，再通過其短行程往復振動、慢速相對進給運動，對經(jīng)過磨削的套圈溝道表面實施一次性定量磨削。

基于CBN油石的超長使用壽命、超強自銳性、超高磨粒球形比等優(yōu)異性能，可以徹底改革普通油石現(xiàn)行的超精工藝，將粗超、精超合二為一，實施一次超。既大大節(jié)約了超精工序的人工成本，又大幅度提升了生產(chǎn)效率。

3 對軸承特性的影響分析

3.1 提高了溝道表面質(zhì)量

溝道表面質(zhì)量包括表面紋理和表面層物理力學性能。表面紋理包括表面粗糙度、溝形、波紋度、表面紋理方向以及表面瑕疵等，表面物理力學性能包括表面層硬度、組織和殘余應力等[1]。

1）提高了溝道幾何精度

在超精研過程中，由于CBN磨料的特性，油石與工件接觸的圓弧遠大于工件表面波紋度的波長。油石完全作用于波峰，波峰的接觸壓力很大，凸峰徹底被切除，從而大大減少了波紋度。消除了球軸承滾道 70% 以上的溝形誤差（Pt值），并同步改善了成品的游隙、接觸角、摩擦力矩等指標。

另外，由于CBN磨料的超硬特性以及CBN油石超低的磨耗量，還能得到極為穩(wěn)定一致的超精深度，使套圈溝道表面尺寸精度和表面粗糙度高質(zhì)量達標。如果工裝設備性能完全適應工藝要求，超精后套圈溝道表面尺寸精度和表面粗糙度誤差可以控制到納米級。

實踐證明，在微小型球軸承套圈的溝道圓度、波紋度、溝曲率、溝形誤差、溝粗糙度Ra等精度指標方面，CBN油石的超精效果大大優(yōu)于普通油石。

2）提高了溝道表面殘余壓應力

由于CBN油石磨粒極為堅硬鋒利且自銳性又特別好，在對套圈被加工表面超精研過程中，會使其產(chǎn)生較普通油石更大的冷塑性變形和殘余壓應力。此可大幅度增加套圈的抗磨損能力，既延長了軸承壽命，又大幅度提高了軸承應對惡劣工況條件的能力。

采用CBN油石超精使套圈溝道表面的軸向、徑向殘余壓應力平均值大幅提升，殘余應力標準差大幅降低，殘余應力離散度顯著收斂。尤其是軸承的自潤滑能力得到大幅度提高。這些正是制造長壽命、高性能高端軸承的關鍵所在。

浙江某集團聯(lián)合油石廠家于十多年前共同研發(fā)汽車變速箱軸承。通過引用CBN油石和特殊的超精工藝，歷經(jīng)五年時間反復試驗，終于將624、604、695 等型號的微型軸承的綜合品質(zhì)提升至同類進口軸承的水平，成功打進歐洲市場就是最好的例證。

3.2 激發(fā)了軸承自潤滑能力

CBN油石超精的套圈在球軸承運行過程中可以產(chǎn)生很強的自潤滑效應，從而使軸承具備超高的自潤滑能力。而自潤滑能力強的軸承，其運行中產(chǎn)生的摩擦熱因自身的自潤滑效應得以及時排棄，從而大大延緩了軸承內(nèi)部熱量積蓄的進程，使軸承適應惡劣工作環(huán)境甚至極端工況條件并長時間運行的能力得到大幅度提升。軸承自潤滑效應的形成機理比較復雜，現(xiàn)簡要分析如下：

經(jīng)過超精作業(yè)的套圈溝道表面會形成一系列沿軸承徑向分布的超精絲線，即行業(yè)內(nèi)通稱的“絲路”。這些絲路其實就是一條條絲峰連線與相隔一定距離且數(shù)量相同的絲谷連線所組成。如圖 1、圖 2 和圖 3 所示：

圖1 正常理想超精線（100×）

圖2 超精線示意圖

圖3 超精絲路模型圖

絲峰與絲峰之間有一定的距離，絲谷與絲峰之間有一定的高度差a，從而形成一條條V形槽。這些V形槽在一定條件下可以容納潤滑油并在溝道表面形成一層潤滑油薄膜。如圖 4 所示：

圖4 潤滑油膜示意圖

當a＞0.5μm 時，V形槽就易于貯存一定粘稠度的潤滑油，并在槽口即溝道表面形成油膜，如圖 4 中粗實線所示。由于表層油膜的阻尼效應[2][3]能有效地減緩鋼球與溝道表面的硬接觸力度，從而使軸承運行中鋼球與溝道相互摩擦產(chǎn)生的熱量降低。同時此層油膜協(xié)同膜下V形槽貯存的潤滑油，很好地吸納了軸承運行中鋼球與溝道相互摩擦產(chǎn)生的熱量，并經(jīng)過熱傳導效應將這些熱量從軸承體內(nèi)排出，大大延緩了軸承內(nèi)部熱能累積進程。

由于在超精過程中從油石端面脫落的堅硬鋒利的CBN磨粒被擠出溝道時產(chǎn)生的削劃效應，使絲峰連線（峰沿）上留下很多形態(tài)各異的豁口（普通油石雖然在超精過程中也能產(chǎn)生削劃效應，但因其粒度粗，脫落的磨粒數(shù)量少[4]且硬度及鋒利度遠低于CBN磨粒，所以形成的豁口又淺又小，作用可以忽略不計）。如圖 5 所示：

這些豁口可以使?jié)櫥统搜貜较蛄鲃油膺€可以軸向流動，從而大大增強了熱傳導效應，更進一步地減緩了軸承內(nèi)部熱能累積進程，使軸承的使用壽命得以大幅度延長。與此同時也大大拓展了軸承的使用范圍和使用環(huán)境。

經(jīng)過進一步研究和實踐發(fā)現(xiàn)，當a＞1.0μm時，油膜的阻尼效應會大幅度增加，軸承承受長時間運行、大扭力過載的能力也隨之大幅度提升。

4 結論

1）CBN油石能更有效地減小溝道波紋度、溝形誤差；套圈超精表面尺寸精度及粗糙度數(shù)值不僅穩(wěn)定一致，而且誤差范圍縮減到納米級別；大幅度改善了成品的游隙、接觸角、摩擦力矩等指標。通過上述因素的綜合作用大幅度提升了套圈工作表面的接觸支承面積和鋼球在溝道中的旋轉靈活度，同時也大幅度降低裝配累積誤差，進而大幅度降低了軸承運行過程中的振動、噪音。大大降低了軸承運行中的摩擦熱值及其熱量積蓄進程，從而延長了軸承的使用壽命。

2）CBN油石能更有效地產(chǎn)生冷塑性變形并形成更高的殘余壓應力，進而大幅度延緩套圈和鋼球的磨損進程，大幅度延長了軸承的使用壽命。

3）CBN油石能使軸承具備超高的自潤滑能力，使得軸承大大提升了適應惡劣工作環(huán)境甚至極端工況條件并長時間運行的能力。