（机械工程专业论文）球面滚子超精研工艺及装备的研究.pdf

球面滚子超精研工艺及装备的研究 摘要 轴承是批量生产的精密产品，对制造及其装备有着根本性的依赖，只有先进 的制造技术和相应的装备，才能保证产品的精度、性能、寿命、可靠性和成本等 技术经济指标的合理实现。 我国调心滚子轴承使用寿命与世界先进国家同类产品相比差距巨大，并且轴 承质量一直达不到设计要求。除了材料、热处理等因素外，其制造技术落后造成 的轴承零件加工质量较低是最根本的原因，而其中球面滚子的终加工工艺与装备 与世界先进国家相比差距更大。滚子是轴承的重要零件之一，是基础件的基础件， 对轴承寿命的影响在理论上是仅次于内圈而排位第二。因此，研究球面滚子超精 研工艺及装备，是我国轴承行业的迫切需求。 对球面滚子超精研工艺及装备的研究，主要进行了以下几个方面的工作：球 面滚子超精研工艺方法的研究；设计机床应满足的基本要求；机床的总体布局设 计；机床主要部件的设计与计算：超精研工艺试验研究。研究结果表明：球面滚 子经过超精研加工后，其圆形偏差值、表面粗糙度值明显下降，表面变质层被除 去。装配而成的轴承噪声值明显下降，旋转精度提高，产品质量及寿命可靠性均 有较大幅度的提高；研制的球面滚子超精研机，加工工艺先进，合理，机床设计 合理、结构紧凑，为我国轴承行业球面滚子终加工工艺实现超精研加工提供了高 效专用的装备。 关键词：球面滚子超精研工艺装备 s t u d y o n t e c h n o l o g y a n d e q u i p m e n t f o r s u p e r f i n i s h i n g o f s p h e r i c a l r o l l e r s a b s t r a c t b e a r i n g sa r ep r e c i s i o np m d u c t sp r o d u c e di nb a t c h e s ，a n da r eb a s i c a l l yr e l i e do n m a n u f a c t u r et e c h n o l o g ya n d e q u i p m e n t s o n l y a d v a n c e dm a n u f a c t u r e t e c h n o l o g ya n d r e s p o n s i v ee q u i p m e n t s i sa b l et oe n s u r et h et e c h n i c a la n de c o n o m i c a lt a r g e t sp r o p e r l y r e a l i z e ds u c ha sp r e c i s i o n ，p m p e m e s ，r e l i a b i l i t y , c o s ta n ds oo n t h es e r v i c el i f ea n dr e l i a b i l i t yo fc o n v e xr o l l e rb e a r i n g si no u rc o u n t r yi sm u c h l o w e rt h a nt h a to fs i m i l a r p r o d u c t sa b r o a d i na d d i t i o n t om a t e r i a la n dh e a t t r e a t m e n t ， t h ep r i m a r yc a u s ef o rt h a ti st h ep o o r e r p r o c e s s i n gq u a l i t yo fb e a r i n gp a r t sr e s u l t i n g f r o m u n d e r d e v e l o p e d m a n u f a c t u r e t e c h n o l o g y , i n w h i c ht h e f m i s h i n gp r o c e s s t e c h n o l o g ya n de q u i p m e n ti s m u c hm o r eu n d e r d e v e l o p e dt h a nt h a ti n d e v e l o p e d c o u n t r i e s r o l l e r sa r ei m p o r t a n tp a r t sf o rb e a r i n g s ，a n da r eb a s i cp a r t so fe l e m e n t a r y c o m p o n e n t sa n da r ei nt h es e c o n dp o s i t i o na c c o r d i n g t ot h ee f f e c to nt h eb e a r i n gl i f e ， o n l yb e h i n di n n e rt i n g s t h e r e f o r e ，i ti su r g e n tf o rb e a r i n gi n d u s t r yt od e v e l o pa n d r e s e a r c ht h et e c h n o l o g ya n de q u i p m e n t sf o rs u p e r f i n l s h i n go f s p h e r i c a l r o l l e r t h ep r i m a r yw o r k sh a v eb e e nd o n ei n f o l l o w i n ga s p e c t s f o r s t u d y o nt h e s u p e r f t n i s h i n gt e c h n o l o g y a n de q u i p m e n t s ：t h es u p e r f i n i s h i n g p r o c e s sm e t h o d o f s p h e r i c a lr o l l e r s ；t h eb a s i cr e q u i r e m e n tf o rd e s i g n i n gm a c h i n et o o l st o b em e t ；t h e d e s i g no f m a i na r r a n g e m e n to fm a c h i n et o o l s ；t h ed e s i g na n dc a l c u l a t i o no fb a s i c p a r t so f m a c h i n et o o l s ；t h ee x p e r i m e n t a ls t u d yo nt h es u p e r f i n i s h i n gt e c h n o l o g y t h e r e s u l t ss h o wt h a t ：a f t e rs u p e r f i n i s h i n gp r o c e s s ，t h ed e v i a t i o nf r o mc i r c u l a rf o r ma n d r o u g h n e s so fs p h e r i c a lr o l l e r si se v i d e n t l yi m p r o v e d ；t h es u r f a c ed e t e r i o r a t e dl a y e ri s r e m o v e d ；t h en o i s el e v e lo fb e a r i n g si sl a r g e l yd e c r e a s e d ；t h er o t a t i n gp r e c i s i o ni s i n c r e a s e d ；t h el i f e a n dr e l i a b i l i t yo fb e a r i n g si s h i g h l yr a i s e d t h es p h e r i c a lr o l l e r s u p e r f i n i s h i n gm a c h i n ed e v e l o p e dh a sa d v a n c ea n dr e a s o n a b l ep r o c e s st e c h n o l o g y a n dc o m p a c ta r r a n g e m e n t ，w h i c hp r o v i d ea ne f f e c t i v es p e c i a le q u i p m e n tt or e a l i z e s u p e r f i n i s h i n go fs p h e r i c a l r o l l e r sf o ro u r b e a r i n gi n d u s t r y k e yw o r d s ：s p h e r i c a lr o l l e r s ；s u p e r f i n i s h i n gp r o c e s st e c h n o l o g y ；m a c h i n e t o o l s 合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学 硕士学位论文质量要求。 答辩委员会签名：( 工作单位、职称) 摭鸯髯铄刖孪务鬏 导师： 合岫以旅吹 锻渺撇粥嚣蟛娟瓣蝴 钒删铷孤 磊芳2 漱 白毵，百 艇佤群尹 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得盒目b 王些盍堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签字：t ：鼍。哞签字日期：。年。月伊日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒目b 王业太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅a 本人授权金 目b 王些盔堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名；1 。q 皇锋 导师签名 签字日期： 年t 。月i 夕日签字日期；w 年l 。月( c f 日 学位论文作者毕业后去向 工作单位； 通讯地址： 电话 邮编 致谢 本人在三年的机械工程硕士研究生课程学习和撰写学术论文的过程中，一直 得到了我的指导老师陈科教授和姜金凯研究员级高工的亲切关怀和悉心指导，在 课程学习、研究方向确定、收集资料、工艺试验、论文撰写，都倾注了二位导师 的心血，二位导师渊博的学识、敏锐的思路、严谨的治学态度、悔人不倦的教育 情怀、为人的品质和对事业的忠诚，都给我留下了深刻的印象，必将使我受益终 身，并激励我更加努力学习、勤奋工作。在此，特向他们表示最崇高的敬意和最 衷心的感谢! 向合肥工业大学机械与汽车工程学院、研究生处的老师们，洛阳轴承研究所 的领导和同事们，致以深深的敬意和诚挚的感谢! 最后，向百忙之中评审本论文的各位专家、教授表示深深的感谢! 作者：王世锋 2 0 0 4 年6 月 第一章绪论 i , i 机械工业的现状 中国机械工业联合会发布信息显示，近几年来机械产品进出口逆差有增无 减，而业内人士介绍说，我国进口产品中，四分之一是用来购买设备的，2 0 0 2 年我国机械工业出口形势十分喜人，比上年同期有了较大幅度的增长，然而进口 的增速更快，进出口逆差达到2 2 5 亿美元。2 0 0 3 年1 5 月机械工业进出口总额 的增长又是出乎预料，高出全国外贸1 3 2 6 个百分点。其中出口2 1 4 0 4 亿美元， 同比增长4 6 1 5 ，这个数字不可谓不高，它不仅超过全国外贸进出口增长的幅 度，也高于机械行业总产值增长的幅度。然而同期机械产品进口的总额更大，达 到3 5 8 亿美元，同比增长5 7 2 5 ，这个数字高出出口增幅i i 1 0 个百分点。2 0 0 3 年前5 个月机械产品进出口累计逆差1 4 4 4 8 亿美元。 进口最多的机械产品是什么? 进口的机械产品主要集中在：一是电站设备， 二是大型石油化工设备，三是冶金矿山设备。 进出口逆差有增无减说明了什么? 说明我国机械工业的产业结构还不能很 好地适应市场的需求，这是当前机械工业存在的一个十分重要的问题。我国机械 工业的产量在世界上算得上是一个大户，但是我们是以生产一般水平的产品为 主，在这一类产品中，我们的生产能力是有富余的，除了满足国内市场的需求外， 还大量地出口。但是在需重大技术装备和机电体化等高技术含量、高附加值的 产品方面，我们现在的水平和批量生产能力远远不能满足用户的需要。 近几年来机械行业结构调整的成绩是很显著的，说它显著，一个重要的依据 是新产品开发速度加快，对机械工业的贡献明显增加。2 0 0 3 年1 6 月机械工业 完成新产品产值2 3 5 1 5 5 亿元，同比增长5 2 5 4 ，高出全行业工业总产值增长 幅度2 0 个百分点，这说明机械工业产品结构优化和技术进步比行业总量的增长 要快。这两年机械行业针对高档、专用、机电体化等产品与市场需求有差距的 现状，重点对重大装备、重点基础机械产品进行了产品结构调整和升级换代，取 得了一定的成绩。但即使这样仍远远不能满足与国际同行竞争的需要。因此，研 制国民经济发展和国家重点建设工程所需的重大技术装备，积极推进重大技术装 备国产化，仍然是装备制造业面临的艰巨任务。 1 2 装备制造业的重要地位 发展装备制造业是中国的立国之本，也是工业化国家的必然选择。 一个国家的经济发展，在基本缓解了基础产业的瓶颈制约后，必将致力于能 带动和促进整个经济发展的主导产业的发展，只有加速发展主导产业，才能最大 艮度地促进经济的有效增长，增加财政积累，扩大社会就业，推动社会进步。 装备制造业是各个工业化或后工业化国家的主导产业之，而且因对其他产 业提供技术手段，它的技术水平直接影响其他产业的竞争力。所以提高装备产品 的质量、水平、性能，对降低工业综合能耗、提高整个国民经济效益、实现增长 方式的转变作用巨大。 纵览当今世界工业强国无一不是装备制造业的强国，在实现工业化的过程 中，都主要依赖装备制造业的发展和带动作用。没有发达的装备制造业，国家就 无法实现农业、工业、国防和科学技术等产业的现代化，发展第三产业也缺乏后 劲。强国和大国的根本区别在于综合国力的不同，丽综合国力的具体体现之一就 在于装备制造业的发展水平。中国要走富国、强国之路，大力发展装备制造业是 必然选择。 在人类进步史上，每一次重大的生产变革都起源于新兴劳动工具的发明。所 以说，装备制造业是高新技术物化和产业化的接口、通道和载体，引领着新兴产 业的形成和发展。 另外，装备制造业是实现军事现代化和保障国家安全的基础。没有先进、强 大的装备制造业，就不可能有先进的武器装备，实现军事现代化和保障国家安全 也就无从谈起。未来战争的胜利根本取决于战争的手段，即武器装备的先进程度， 更迸一步讲，取决于国家装备制造业的发展水平。 中国的基本国情决定了我们必须发展自己的装备制造业，因此发展装备制造 业是中国的立国之本。 l3 轴承产品质量面临的严峻形势及存在的主要问题 轴承工业的发展关系着我国重大技术装备的自给水平及机械设备的出口能 力。近几年来，轴承行业的产品质量水平和工艺技术水平虽然有长足的进步，出 口创汇大幅度增长，但与国民经济各部门特别是主机发展相比，无论是品种满足 率还是产品的水平和质量，都存在着很大的差距。作为重要机械基础件的轴承工 业，已成为制约机械工业发展的重要因素之一。这已引起国家有关部门的高度重 视，轴承已被列为1 1 类特定振兴产品之一，机械工业振兴发展纲要以及科技发 展目标中，都把轴承作为发展的重点行业。 进入二十世纪九十年代以来，西方世界经济不景气，德国、日本、美国等国 家轴承生产连年下降，尤其是东欧和独联体国家的轴承生产大幅度滑坡，世界轴 承市场竞争十分激烈。许多国际著名的轴承公司为了摆脱危机，除了在本国内采 取紧缩政策外，纷纷瞄准国际资本和技术市场，向外扩张，特别是向经济发展活 跃、市场潜力巨大的亚洲市场寻求出路。世界十大著名轴承公司s k f 、f a g 、n s k 、 k o y o 、n m b 、t t m k e n 、t o r r i n g t o n 、i n a 、n t n 和n a c h i 先后涌入我国独资或合资 2 办厂，到目前为止行业三资企业总数达到1 0 0 多家，这对于正在扩大对外开放的 我国轴承行业来说，无疑是一个很好的机遇，但也增加了强有力的竞争对手。总 之，我们面临着机遇与挑战同在，竞争和发展共存的局面。 改革开放以来，随着国民经济持续、稳定、快速、健康发展，机械、电子、 能源、交通、原材料，特别是汽车、铁路、数控机床等生产装备自动化水平大幅 度提高，对各种轴承产品要求明显上升。对产品性能、质量、可靠性及品种多样 化要求也越来越高，各类主机正向高起点、高水平迈进，用户已不满足对一般通 用轴承的要求，而转向对性能可靠、寿命长、噪声低、精度高的轴承产品的要求。 但我国轴承产品结构不合理，通用轴承产品、低档次产品占总量8 0 以上，而各 类专用轴承、高精度、高可靠性和高技术含量的高档次轴承只占总量的1 5 2 0 。 高档次轴承无论品种、质量还是数量都不能适应国民经济各部门对轴承产品提出 的要求。汽车、铁路、冶金、矿山、石油机械、电力等重点工程配套、维修的需 求市场巨大，并且大都被进口轴承占据。 1 4 轴承行业科技工作面临的形势 我国轴承工业在国民经济体制改革全面推进，对外开放领域进一步扩大，投 资环境不断改善的经济环境下。取得了长足的发展，它不仅表现在“量”的增长 方面，两且在“质”的方面也有很大的提高。特别是九十年代以来，我国轴承工 业保持稳定、快速、增长的态势。以近十一年为例，1 9 9 2 年轴承产量为6 5 亿 套，销售收入为8 4 亿元人民币，出口创汇l _ 5 亿美元：到2 0 0 2 年轴承产量达到 2 8 亿套，是1 9 9 2 年的4 3 倍，年递增率为1 5 7 0 ，销售收入达到2 7 l 亿元人民 币，是1 9 9 2 年的3 2 倍，年递增率为1 2 3 3 ，出口创汇达到7 4 亿美元，是1 9 9 2 年的4 9 倍，年递增率为1 7 2 2 。正是有了这个基础，使我国轴承工业迈进了 世界轴承生产大国的行列，并引起世界轴承同行的关注。但我们也要清醒地认识 到，我国轴承工业在产品创新开发、制造技术、质量水平方面与国际知名公司还 有很大的差距，尤其表现在产品寿命和可靠性方面，如上海宝钢公司反映，由 于国产轴承寿命和可靠性低，本已采用国产的轴承部分产品不得不走回头路，再 改用国外轴承产品。轴承寿命和可靠性对冶金企业来说太重要了，因轴承故障而 使整线停机所造成的损失不是可以单纯用轴承价格来衡量的。有的电机企业反 映，通过近几年的减振降噪技术攻关，球轴承的振动噪声水平大大改善，有的己 接近国外先进产品的水平。但滚子轴承的振动噪声水平还没得到很好的改善，同 时噪声寿命还未引起轴承行业的重视。国产轴承在运转一段时间后，噪声有可能 超标，这就迫使一些电机企业不得不采用价格较高的进口轴承配套，以巩固自己 的用户群。据业内人士介绍，进口机床的主轴轴承除了精度优于国产轴承外，还 有一个精度寿命保持性的问题。这些涉及轴承重大技术的问题如不解决，我国轴 承工业要迈入世界轴承强国行列是相当困难的，甚至是不可能的。 在推动轴承行业发展方面，特别是在我国加入世贸组织后，我国轴承行业面 临着新的严峻的挑战。由于进口关税降低，投资环境进步改善，进口轴承和外 资企业在中国的“本土化轴承”不仅具有品牌、技术、质量等优势，而且逐渐将 会有成本、价格等优势，这无疑对我国轴承行业的整体冲击将会逐步突显出来。 世界十大著名轴承公司在我国的企业有不断扩大规模的态势。同时进口轴承数量 逐年攀升( 见下节) ，产品已从过去的高中端市场向中低端市场扩散渗透。这些 都是我们现在面临的并影响到行业生存与发展的严重问题。 技术创新是一个国家和民族发展的灵魂，也是一个行业和企业发展的核心竞 争力。从现代轴承工业的发展史来看，滚动轴承是一个由专利技术“伴生伴长” 的产品。例如，早在1 7 3 4 年，就有了滚动轴承第一个发明专利；1 8 8 3 年，f i s c h e r 发明了世界上第一台球磨机，f a g 将其定义为现代轴承工业的发祥起点：1 8 9 8 年， t i m k e n 获得了圆锥滚子轴承发明专利并创建了t i m k e n 公司；1 9 0 6 年，w i n g q u i s t 获得了调心球轴承发明专利并建立了s k f 公司；近几年；s k f 每年申请的专利都 在1 0 0 多项，如1 9 9 6 、1 9 9 7 和1 9 9 8 年分别为1 3 0 、1 4 6 和1 4 5 项。而反观中国 轴承行业，取得的专利却极其有限。企业作为技术开发和产品开发的主体，如果 没有自己的专利和专有技术，就永远不会在技术上和市场上占据制高点。中国要 从轴承大国走向轴承强国，各轴承企业必须要在技术创新上狠下工夫，加大重视 程度与投资力度，以使中国能够早日摆脱“名为世界轴承生产大国、实为世界轴 承技术弱国”的尴尬局面。 1 5 近年来我国轴承进出口情况 1 5 12 0 0 1 年轴承进出口情况 ( 1 ) 轴承出口情况 2 0 0 1 年我国出口轴承1 5 4 0 9 2 3 万套，比上年同期增长3 9 1 ，出口创汇 6 8 0 5 6 6 万美元，增长2 0 0 。进出口顺差1 9 0 6 8 万美元，比上年减少3 0 6 6 5 万 美元，出口轴承产品构成见表卜l 。 表卜l2 0 0 1 年我国出口产品构成统计表 序号轴承类别出口数量占总数量比创汇金额占总金额比 ( 万套)( )( 万美元)( ) 1 球轴承1 4 2 7 5 8 19 2 6 45 0 8 9 5 37 4 7 0 2 圆锥滚子轴承 3 6 3 4 32 3 63 4 5 4 25 0 6 3 调心滚子轴承 2 0 70 0 13 3 4 80 4 9 4 4 滚针轴承 4 2 3 6 72 2 5 5 5 7 ，60 8 2 5 圆柱滚子轴承 1 0 6 6 10 6 9 1 1 2 401 7 6其他滚动轴承9 7 0 5o 6 3 6 5 50 9 6 7带座轴承1 4 0 5 9o 9 2 2 7 7 9 84 0 8 8 轴承散件5 5 8 7 98 2 1 9 轴承滚动体3 7 3 9 65 5 1 合计1 5 4 0 9 2 31 0 06 8 0 5 6 61 0 0 ( 2 ) 轴承进口情况 2 0 0 1 年我国进口轴承7 2 5 0 7 5 万套，比上年同期减少2 2 0 2 ，用汇4 8 9 8 8 6 万美元，增长9 9 ，进口轴承产品构成见表卜2 。 表卜22 0 0 1 年我国进口产品构成统计表 序号轴承类别进口数量占总数量比用汇金额占总金额比 ( 万套)( )( 万美元)( ) l球轴承4 2 9 5 5 85 9 2 42 4 0 1 5 7唾9 0 2 2 圆锥滚子轴承 2 1 5 7o 3 09 5 7 51 _ 9 5 3调心滚子轴承3 6 2 40 5 03 9 7 30 8 1 4 滚针轴承1 8 2 5 6 2 5 21 0 1 1 32 0 6 5圆柱滚子轴承8 6 1 0 31 1 8 84 0 5 3 88 2 7 6 其他滚动轴承 1 8 2 7 5 02 5 2 08 8 6 6 91 8 1 0 7 带座轴承2 6 2 70 3 64 7 5 40 9 7 8 轴承散件 7 “2 91 4 5 2 9 轴承滚动体 2 9 7 84 3 0 合计7 2 5 0 7 51 0 04 8 9 8 8 61 0 0 1 5 22 0 0 2 年我国轴承进出口情况 ( 1 ) 轴承出口情况 2 0 0 2 年我国出口轴承1 7 3 7 0 7 7 万套，比上年同期增长1 2 7 3 ，出口创汇 7 4 4 3 9 5 万美元，增长9 3 8 ，比上年多7 3 8 个百分点，出口顺差9 6 8 3 9 万美 元，比上年减少9 3 8 4 1 万美元，出口轴承产品构成见表卜3 。 表i - 32 0 0 2 年我国出口产品构成统计表 序号轴承类别出口数量占总数量比创汇金额占总金额比 ( 万套) ( ) ( 万美元) ( ) 1球轴承1 6 3 1 3 8 59 3 9 25 4 5 3 6 17 3 2 6 2圆锥滚子轴承4 8 0 0 42 7 64 2 7 8 85 7 5 3调心滚子轴承2 8 1 0 25 0 6 30 6 8 4滚针轴承2 6 9 8 41 5 57 6 5 51 0 3 5圆柱滚子轴承6 2 6 5 0 3 61 2 3 30 1 7 6其他滚动轴承8 0 1 8 0 4 65 3 3 7o 7 2 7带座轴承1 6 1 4 00 9 33 0 6 6 64 1 2 8轴承散件 2 2 7 5 1 ( 吨) 6 8 7 5 49 2 4 9轴承滚动体 2 2 6 5 6 ( 吨) 3 7 5 3 85 0 4 合计 1 7 3 7 0 7 7i 0 07 4 4 3 9 51 0 0 ( 2 ) 轴承进口情况 2 0 0 2 年我国进口轴承9 2 7 6 6 9 万套，比上年同期增长2 7 9 4 ，用汇6 4 7 5 5 6 万美元，增长3 2 1 9 ，比上年多2 2 2 9 个百分点，进口轴承产品构成见表1 4 。 表i - 42 0 0 2 年我国进口产品构成统计表 序号轴承类别进口数量 占总数量比用汇金额占总金额比 ( 万套) ( )( 万美元)( ) l球轴承5 5 2 5 0 6 5 9 5 63 4 0 3 4 85 2 5 6 2圆锥滚子轴承1 9 2 0 0 2 11 4 1 3 32 1 8 3调心滚子轴承6 7 3 7 0 7 37 7 7 7 1 2 0 4滚针轴承3 0 4 4 6 3 2 81 9 9 6 83 0 8 5 圆柱滚子轴承 8 4 7 1 59 1 3 5 2 0 8 88 0 4 6其他滚动轴承2 4 7 5 5 9 2 6 6 91 1 1 5 8 0 1 7 2 3 7带座轴承3 7 8 6 0 4 19 1 0 7 1 4 l 8轴承散件 6 8 4 7 ( 吨) 7 0 4 4 01 0 8 8 9轴承滚动体 2 1 0 6 ( 吨) 2 2 1 l ，53 4 2 合计9 2 7 6 6 9 1 0 06 4 7 5 5 6 i 0 0 6 1 5 3 2 0 0 3 年上半年轴承出口稳步增长进口大幅增加 ( 1 ) 轴承出口创汇稳步增长 2 0 0 3 年上半年我国共出口轴承8 7 7 亿套，较上年同期增长3 3 4 ，创汇3 9 8 亿美元，较上年同期增长1 2 8 7 。分析这种增长的原因，主要受轴承散件和轴 承滚动体的拉动，使得这两项创汇增长了2 1 5 3 2 万美元，出口轴承产品构成见 表卜5 。 表卜52 0 0 3 年上半年我国出口产品构成统计表 序号轴承类别出口数量占总数量比创汇金额占总金额比 ( 万套)( )( 万美元)( ) 1球轴承8 1 9 2 0 8 49 3 3 62 7 5 8 3 4 26 9 2 5 2圆锥滚子轴承2 5 7 6 1 82 9 42 4 6 8 3 26 2 0 3 调心滚子轴承 5 2 5 60 0 63 6 6 7 60 9 2 4 滚针轴承 1 8 2 3 1 32 0 85 5 6 3 71 4 0 5 圆柱滚子轴承 1 4 0 2o 0 23 3 0 7o 0 8 6其他滚动轴承4 2 5 6 30 4 92 1 0 3 70 5 3 7带座轴承9 3 3 81 0 61 8 2 9 3 34 5 9 8轴承散件1 3 7 9 5 0 3 ( 吨)4 3 8 7 6 71 1 0 2 9轴承滚动体 1 3 0 2 8 2 2 ( 吨) 2 3 9 5 4 56 0 1 合计8 7 7 4 6 1 6 1 0 0 0 03 9 8 3 0 7 61 0 0 0 0 ( 2 ) 轴承进口大幅增加 2 0 0 3 年上半年我国轴承进口大幅增加，进口轴承6 2 8 8 亿套，较上年同期 增长4 8 2 8 ，用汇4 0 8 亿美元，较上年同期增长4 7 5 7 。进口轴承主要来自日 本、德国、泰国、美国等国家和地区，进口轴承产品构成见表卜6 。 表1 - 62 0 0 3 年上半年我国进口产品构成统计表 序号轴承类别进口数量占总数量比用汇金额占总金额比 ( 万套) ( ) ( 万美元) ( ) 1 球轴承 3 7 2 9 4 7 55 9 3 12 2 0 8 0 1 75 4 1 0 2 圆锥滚子轴承 8 1 2 6 o 1 39 6 0 6 62 3 5 3 调心滚子轴承 2 8 8 5 40 4 64 0 5 10 9 9 4滚针轴承1 5 9 9 0 1 2 5 41 4 7 0 9 13 6 0 5圆柱滚子轴承 3 7 8 1 8 66 0 l2 7 6 3 9 36 7 7 6其他滚动轴承 1 9 5 8 8 7 93 1 3 57 8 4 9 5 6 1 9 2 3 7带座轴承2 4 9 2 6 0 4 07 4 8 0 81 8 3 8轴承散件 2 7 2 2 7 5 ( 吨) 3 1 0 5 6 17 6 l 9轴承滚动体1 2 7 1 6 8 ( 吨) 1 4 2 7 5 13 5 0 合计 6 2 8 8 3 4 71 0 0 0 0 4 0 8 1 1 5 31 0 0 0 0 1 5 42 0 0 0 2 0 0 2 年我国轴承平均出口单价统计 2 0 0 0 2 0 0 2 年我国各类轴承平均出口单价统计见表卜7 。 表卜72 0 0 0 - - 2 0 0 2 我国轴承平均出口单价统计表 平均出口单价( 美元套或美元千克或美元个) 序号轴承品种 2 0 0 0 芷 2 0 0 1 艇2 0 0 2 芷 l球轴承 0 3 60 3 6 o 3 3 2圆锥滚子轴承 0 8 2o 9 50 8 9 3调心滚子轴承 5 5 4 1 6 1 61 7 9 8 4滚针轴承 0 2 5o 1 3o 2 8 5圆柱滚子轴承 0 5 4o 1 l 0 2 0 6其他滚动轴承 0 8 20 6 7 0 5 7 7带座轴承 1 4 0 1 9 81 9 0 1 5 5 小结 由上述统计资料可以看出，调心滚予轴承在我国轴承进出口产品构成中都是 占总数量比均小于占总金额比数倍以上，在轴承出口平均单价居于首位。另外， 调心滚子轴承以其承载能力强，抗振性能好，且可以补偿由于安装和轴的变形引 起的同轴度误差，而广泛应用于我国钢铁、工程机械、造纸、海运和航空等行业 的各种机械设备中。因此，不断提高调心滚子轴承制造技术水平，赶超世界先进 国家同类产品制造技术，具有十分重要的意义。 第二章项目研究的意义、内容和指标 2 1 项目研究的意义 我国调心滚子轴承使用寿命与世界先进国家同类产品相比差距巨大，并且轴 承质量一直达不到设计要求。除了材料、热处理等因素外，其制造技术落后造成 的轴承零件加工质量较低是最根本的原因。 加工质量包含两个方面的内容：加工精度和加工表面质量。它们涉及几何、 物理、机械、化学等方面的参数指标，是根据产品性能、工作条件、使用寿命、 制造复杂性等要求在零件设计和工艺设计时规定的，通过零件制造工艺过程来达 到。加工精度是指机械加工后零件的尺寸、几何形状以及各表面相互位置三方 面参数的实际值与理论值的符合程度。 衡量产品零件的主要指标之一就是它的可靠性和使用期限，这很大程度上取 决于零件的表面质量，而任何零件加工所得的零件表面实际上都不是完全理想的 表面。对于轴承这样一种精密的产品来说，要满足其工作条件，零件必须要有合 适的好的表面质量作基础。表面质量的主要内容有：表面几何形貌( 含表面粗糙 度和表面波纹度两方面内容) 和表面物理机械性能( 主要有表层冷作硬化、金相组 织变化和残余应力的大小) 。 轴承是批量生产的精密产品，对制造及其装备有着根本性的依赖，只有先进 的制造技术和相应的装备，才能保证产品的精度、性能、寿命、可靠性和成本等 技术经济指标的合理实现。因此，大力提高制造技术水平是轴承行业科技工作的 突出重点，也是振兴轴承行业的重要环节。 众所周知，滚动体对轴承寿命的影响在理论上是仅次于内圈而排位第二。滚 子是轴承的重要零件之一，是基础件的基础件，直接影响着轴承质量的好坏。在 轴承内套、外套和滚子三者零件中，滚子对轴承的质量影响几乎要占到6 0 。我 国轴承工业虽经过几十年的生产发展，具有相当的规模和实力，但与先进国家相 比还存在很大的差距，而滚子的生产比我国整个轴承行业还要落后。主要原因是 长期以来把滚子作为配件生产，满足本厂配套。重成品、轻配件，在生产中得不 到应有的重视。主要表现在技术改造、新装备的研制开发、设备的引进消化等的 投入少，新工艺，新装备得不到推广应用，专业化生产基本上处于无人组织，处 于自然发展状态。 在国家轴承质量监督检验中心近几年执行的“国家监督抽查”中，滚动体破 l o 坏占轴承失效套数的比例分别为：2 0 0 0 年为8 0 ，2 0 0 1 年为3 6 ，2 0 0 2 年为 3 l ，平均达到4 9 ，t b 例相当高。而国外名牌产品的滚动体破坏的比例都较低， 甚至在许多试验中比例为零。 从导致滚动体破坏的原因上分析主要是： 材质水平较低： 磨削烧伤较普遍； 表面强化处理不到位； 超精研加工未普遍采用； 滚子分组差较大，等等。 据实际测量国内某调心滚子轴承主要生产厂商的2 2 3 1 2 c ( 老型号5 3 6 1 2 ) 轴承球面滚子2 0 粒( 随机抽样) ，主要存在问题： 滚予圆形偏差偏大，平均为2 9 7 um ，达不到我国级球面滚子标准要求： 滚子表面粗糙度较差，平均表面粗糙度r a 值为o 1 4 3 um ； 滚子表面显徽硬度低，由于在磨削的滚子易产生烧伤、脱碳并形成软化 变质层，严重影响了表面的显微硬度。 要克服上述缺陷，提高球面滚子的加工精度和表面质量，采用超精研工艺是 改善其加工精度、表面粗糙度和表面质量的唯一途径。 现代科学证明，在工作条件、尺寸精度及外观质量一样的条件之下，决定滚 子寿命的因素主要有以下两个方面：一是滚子工作表面的微观质量( 表面残余应 力状态是拉应力还是压应力，表面磨削变质层的深度) ；二是在承载条件下滚子 滚动表面的应力分布状态。值得一提的是轴承的工作条件是由使用场合决定的， 轴承不能因为工作条件不好面拒绝工作，可以说属相对无选择性条件。科学技术 发展到今天，滚动面的微观质量和表面的应力状态是可以通过产品设计和制造工 艺来改善的。超精研加工正起到这方面的作用。 目前国内对影响调心滚子轴承质量明显的球面滚子的终加工工艺基本上仍 采取窜光工艺，因丽滚子圆形偏差较大，表面粗糙度也较高，并且在窜光过程中 碰伤严重。而国外先进国家如德国、日本等国普遍采用超精研工艺作为球面滚子 的终加工工艺，德国s u p f i n a 公司和g r i e s h e b e r 公司、日本t o y o 公司和 s e i b u 公司等都成系列生产球面滚子超精研机，其原理主要采用多工位、步进 式送料、无心式定位、双辊驱动、油石切入式摆动的超精研加工工艺，加工质量 和效率相当高，圆形偏差改善率3 0 以上，表面粗糙度改善率5 0 以上，磨削 变质层基本消除且表面显微硬度明显提高。同时采用超精研工艺后轴承使用寿命 大幅提高，旋转精度也大幅提高，轴承的振动噪声明显下降。由此可见，要提高 我国调心滚子轴承的使用寿命和旋转精度，除了轴承内外套圈要采用超精研工艺 外，尤其重要的是球面滚子也必须采用超精研工艺。 2 2 项目研究的内容 超精研加工方法起源于2 0 世纪3 0 年代初期，美国克莱斯勒( c h r y s t e r ) 汽 车公司对经长途运输后的汽车车轮轴系上的圆锥滚子轴承套圈的表面用细纱纸 蘸润滑油以低压交叉研磨的方法研去压痕，以消除振动和噪音。从此，超精研加 工技术便应运而生。到1 9 3 4 年，该汽车公司的d a 华莱士( w a l l a c e ) 使这种加 工方法实现了机械化，发明了单轴滚子轴承滚道超精加工机，后来又制造了四轴 超精研机。从发明超精研机后的十多年中，大多数国家对轴承滚动表面的加工仍 采用手工抛光。到2 0 世纪5 0 年代初，美国、德国和日本大力发展油石超精研机， 推动了各国对油石超精研工艺的应用。自2 0 世纪7 0 年代到8 0 年代，油石超精 研加工工艺广泛应用于轴类、轴承、精密量仪等精密零件，生产超精研机的国家 主要有德国、日本、美国、意大利和独联体等五国，二十多个厂家，生产约二百 多个规格和品种。 超精研加工是一种经济的、精密的加工工艺，随着机械零件精度及表面质量 要求的不断提高，超精研加工得到愈来愈广泛的应用，在我国轴承制造的光整加 工( 包括抛光、窜光、研磨、超精磨和超精研) 中占据着首要地位。 光整加工是指轴承零件的滚动表面在磨削加工后仍需进行的最终的精细加 工。之所以要进行光整加工，是因为轴承零件滚动表面的质量高低直接影响着轴 承的工作性能和使用寿命，而磨削时由于磨床的精度、磨削时的振动、变形、高 温以及高生产率的影响，一般均不易达到滚动表面所限定的表面粗糙度、允许的 波纹度、要求的几何形状精度和表面层的物理机械性能。所以，轴承零件滚动表 面经磨削加工后仍都需要进行光整加工，以满足技术条件的要求。 光整加工后一般要达到以下几方面的技术要求： 低表面粗糙度值 实验表明，轴承零件滚动表面粗糙度对轴承的使用寿命有直接的影响，表 2 1 是某滚子轴承零件表面粗糙度对轴承寿命的影响。然而表面粗糙度值并不是 越低越好，一般达到r a o 0 8 r a 0 0 4 较为合适。再降低对轴承寿命的提高影响不 大，甚至会降低( 此时润滑条件不好) ，再说也是很不经济的。我国轴承工业根 据自己的能力，制定了轴承企业标准，对球面滚子的几何精度和表面粗糙度作了 具体的技术要求，见表2 2 。 1 2 表2 - - 1 某滚子轴承零件表面粗糙度对轴承寿命的影响 表面粗糙度r a ( 1 j m ) 平均寿命计算寿命 套圈 滚子 o 50 2 51 0 0 0 2 50 1 2 52 8 8 0 1 2 5 o 1o 1 2 53 4 0 o 1 2 5 0 10 0 83 8 4 o 0 8 o 0 6 30 0 6 3 o 0 3 25 6 6 表2 2球面滚子技术条件 分组批尺 d 。 形位公差表面粗糙度r a 寸变动量 公差 ，竹 等级 a c ，s o w 滚动表面基准端面其余表面 超过到 m a x ( “m ) 1 01 51 5 3 03 00 1 2 50 4 02 5 1 01 81 51 5 4 03 oo 1 2 50 。4 02 5 1 83 02 5 2 55 04 00 1 6 00 4 02 5 i i3 05 03 03 0 6 05 00 2 5 00 4 02 5 5 08 04 0 4 08 06 o0 3 2 00 4 02 5 8 01 2 05 0s o9 0 7 o0 4 0 00 6 35 0 1 02 02 05 0 4 0o 1 6 00 4 02 5 1 01 82 02 06 5 4 0o 1 6 00 4 02 5 1 83 03 03 0 8 55 00 2 5 00 4 02 5 i3 05 0 4 04 01 06 00 3 2 00 4 02 5 5 08 05 05 o1 27 00 4 0 00 4 0 2 5 8 01 2 06 06 01 38 0 0 6 3 00 6 35 0 降低圆形偏差 滚动表面的圆形偏差，尤其是波纹度对轴承振动、噪音、旋转精度、承载能 力及使用寿命等的影响，已被许多实验所证实，受到轴承行业的高度重视，提出 了具体要求，并采取了有效措施。 提高滚动体横截面的几何形状精度 理论和实践均表明，滚动表面的几何形状精度对轴承的寿命有重要的影响， 目前对滚动体的形状精度提出了越来越高的要求。 改善滚动表面的物理机械性能 由于滚动表面在磨削加工时，受到磨削力和高达7 5 0 1 2 0 0 c 的磨削热影响， 使表面层( 约4 6 um ) 的金属结晶组织破坏和容易产生拉应力，因此光整加工 的任务之一，就是切除此缺陷层，提高表面的接触疲劳强度和轴承寿命。 超精研加工一般是指在良好的润滑条件下，被加工工件按规定的速度旋转， 油石按规定的压力弹性地压在工件的加工表面上，并在垂直于工件旋转方向按一 定规律作往复振荡运动的一种能够自动完结的光整加工方法。 超精研的特点主要有： 能有效地减少圆