滚动轴承制造技术的新发展

滚动轴承制造技术的新发展

1滚动轴承载工艺1.1轴承套圈铸造技术在轴承生产中，套圈货物的质量和生产能力对轴承产品的质量、性能、长度和公司经济效益都有重要影响。毛坯留量的大小(包括毛坯的成形方式)决定轴承材料利用率,而毛坯尺寸分散度和几何形状精度差则是造成废品率高、不能自动化生产的主要原因。套圈毛坯有锻件、冷挤件、温挤件、管料和棒料等,锻件约占毛坯总数的85%左右,套圈毛坯锻造的劳动量约占轴承加工总劳动量的10%~15%。目前中小型轴承套圈用锻件来加工的比重有加大的趋势。目前,国内套圈锻造以热锻加工为主,以压力机锻造→辗扩成形生产线为主。锻造加热采用煤、油和电加热。加热火耗损失为1%~3%,表面脱碳层深度为0.3~0.4mm,材料利用率为40%~50%。20世纪80年代,有些企业在小型轴承套圈上推广了冷挤压工艺,对外径80~130mm的套圈采用了温挤工艺,外径小于80mm的套圈采用了冷辗工艺(目前行业上已扩大至外径150mm以下),材料利用率达到60%以上。我国相继引进了16条高速镦锻机生产线,推动了轴承行业锻造水平的技术进步,加快了毛坯专业化生产过程。高速镦锻工艺目前已成为国际上轴承套圈锻造的主要工艺,其采用感应加热至始锻温度,在高速镦锻机上完成切料、镦饼、成形和分离等工序,适用于大批量生产。高速镦锻工艺生产效率高,锻件尺寸精度高,表面质量好,能降低留量,提高材料利用率综上所述,我国轴承锻造毛坯发展方向应为:进行专业化经济规模生产,便于采用国际先进技术,如高速镦锻工艺、精密冷辗扩工艺、控制气氛等球化退火工艺等。采用先进工艺可将目前轴承行业的约40%的材料利用率提高至54%~60%,经济效益可观。1.2集中工序法车削加工是金属切削加工的重要组成部分之一,在机械制造业中应用最为广泛,占有十分突出的地位。目前,我国中、小型轴承套圈大多采用多刀半自动、全自动车床对锻件进行车削加工。加工方式有机群分散工序和集中工序。在国外,目前套圈车削加工采用的有集中工序法,也有分散工序法。集中工序法多用于结构形状复杂的零件,采用数控机床一次装夹定位,机床配备有刀具库,加工中,各工序通过精确的程序设计而完成,产品加工精度受人为因素影响较小。分散工序法多用于大批量单品种的加工中,采用自动化连线的方式加工。广泛使用的刀具是硬质合金涂层机夹刀片,其切削速度达到140~250m/min,生产效率明显高于国内。由于采用了先进的毛坯加工技术,因此国外套圈毛坯留量小,尺寸分散度小,车削加工一般为单循环完成,有效地缩短了加工周期。因此,发展能实现强力切削、刚性好的套圈车削专用车床,发展加工质量好、效率高的微机控制和数字控制车床,以及适合大批量单品种生产的自动化车削生产线,是车加工发展的方向。同时发展硬合金机夹可转位刀具、表面涂层刀具、金属陶瓷刀具等高效刀具,以及实现自动更换刀片、自带断屑装置等刀具监控系统,也是车加工研究的一个方向。1.3轴承套圈磨削的发展趋势轴承生产中,磨削加工劳动量约占总劳动量的60%,所用磨床数量也占全部金属切削机床的60%左右。磨削加工的成本占整个轴承生产成本的15%以上。因此,磨削加工是轴承生产的关键工序。目前国内轴承行业的一般磨削、超精工艺过程为:外圈:平面磨削→外径磨削→沟(滚)道磨削→沟(滚)道超精。内圈:平面磨削→内外径磨削→内径磨削→沟(滚)道磨削→沟(滚)道超精。在实际生产中,视产品精度要求在以上过程中增加附加回火工序,或对各表面进行二、三次循环加工。磨削过程多采用单机加工,较好的企业建有自动化生产线,特别是近年来低噪声球轴承的生产大多采用自动化生产线。改革开放以来,我国轴承行业有了较快发展,特别是磨超生产工艺有了较大的改进,如沟道切入磨取代了摆头磨,双端面磨削、宽无心外圆磨削、沟道(滚道)超精工艺及支沟磨沟工艺已普遍应用,高速磨削也已开始应用。但是相对于国外轴承的磨超加工,我们还存在较大差距,在国外先进的轴承制造企业,端面、外径磨削采用CNC数控机床自动送料,在线自动测量、自动补偿,磨削速度达45m/s。沟道、内径磨削已全部采用CNC数控机床,生产过程实现全线自动化,全部工序由计算机集中控制,所有工艺参数和生产节拍严格按图纸设计控制,砂轮线速度达到60m/s。SKF磨加工工序的内沟磨削速度已达120m/s。特别是使用磨削性能优良的CBN砂轮,使生产效率明显提高。轴承套圈磨削的发展趋势,集中体现在以下几个方面:(1)对轴承磨床,进一步完善单机自动化,确保实现高速磨削、自动测量,使其能直接进入自动线并可靠工作。(2)磨加工生产要有步骤、有组织地发展自动化短线。目前,世界主要轴承公司磨加工自动化程度很高,大批量产品均采用自动线组织生产,而采用自动化生产短线,投资少,见效快,易于稳定生产。(3)发展相关技术。如各种新型夹具、高速砂轮、超精油石、冷却液及润滑油、数控元器件等,不断提高工艺装备的自动化水平。(4)发展检测仪器。检测水平在一定程度上反映了行业水平,在轴承行业应发展高效、精密适合于自动线使用的主动测量和线外专项自动检测仪器。(5)开展复合磨削研究工作。复合磨削具有合并加工工序减少装夹次数、提高加工精度的优点,因此,国外不少磨床都具有合并加工工序的功能,为赶上国际水平,必须开展这方面研制工作。2滚动轴承载能力制造技术2.1钢球加工工艺的发展趋势钢球在球轴承中作为滚动体是承受载荷并与轴承的动态性能直接相关的零件。钢球的加工工艺应首先满足其成品标准要求,还应使钢球成品在轴承元件中具有尽可能高的寿命、低的噪声、小的摩擦力和高的可靠性。钢球的加工工艺相对成熟,目前国内钢球制造工艺的原理和方法差异不大,工艺流程大体都是:原材料检查→钢球毛坯制造(冷、热镦,冷、热轧制)→光球→热处理→硬磨→强化处理→初研→精研→清洗→检查→涂油包装。对于毛坯制造过程,一般直径在1英寸(25.4mm)以下的钢球采用冷镦工艺,直径在1英寸以上2英寸以下的采用热镦或热轧,直径在2英寸以上的采用车削或热锻。工艺过程中,较明显的变化是采用光球工艺取代了锉削、软磨工艺。虽然目前钢球的制造工艺过程、方法与国外先进企业相似或相近,先进工艺也正在逐步应用,但是整个行业发展水平很不均衡,特别是成形工序在生产效率、成形误差、产品总留量上都与先进水平有着较大差距,热处理和精研工序也有一定的差距。钢球加工工艺的发展趋势主要集中在轧制工艺、树脂砂轮磨削工艺、钢球表面强化处理、热处理自动线加工和新型水剂研磨液的应用。1英寸以上钢球可采用轧制工艺。采用轧制工艺钢球尺寸精度高(一般可以达到0.05~0.09μm)且无环带,材料利用率高(比冷镦可提高20%),生产效率高(能达到热镦的5倍),具有较高的强度和良好的尺寸稳定性,轧制球坯具有金属流线分布均匀,寿命长等众多优点,但轧辊设计制造比较复杂,轧辊材料成本较高。树脂砂轮磨研工艺,以磨代研对钢球进行终加工,能较稳定地提高钢球精度及表面质量,改善钢球的动态性能,特别是对降低振动值起到关键作用,同时对轴承合套异常声也有较明显改善。用此新技术加工钢球磨削均匀,克服了用铸铁盘研磨添加研磨剂不均匀而影响钢球质量的人为因素,同时树脂专用磨削液污染小,加工后的钢球表面易于清洗,且生产效率有较大的提高,大大降低了成本。2.2精密滚充确定置放系专业钻头生产的发展方向理论上滚子和滚道的接触是线接触,所以滚子承受的载荷较大,实际使用和试验均表明滚子是滚子轴承中最薄弱的零件,滚子的制造质量对轴承的工作性能(如旋转精度、振动、噪声和灵活性等)均有很大影响,是影响轴承使用寿命的主要因素。我国滚子生产在滚子设计、工装设计、工艺编制和检测规程等各方面受传统模式的束缚,在设计思想和设计理念上存在差距,缺乏创新求变的意识,缺乏细致的研究和系统的综合分析。设备、工装、原材料、管理水平、工序质量控制能力受传统习惯的制约,导致滚子生产工艺路线长、加工留量大、加工遍数多、上下料次数多。生产设备陈旧,工装工具多年没有改进,生产工艺落后,原材料浪费,生产成本增加,工艺合理性差。滚子、滚针的装备与工艺水平是轴承行业内较落后的。直径Φ24mm以下的圆柱滚子、圆锥滚子和调心滚子的毛坯成形基本上仍采用Z31-25、Z31-13冷镦机,采用盘料或直条料的开式切料,一次成形的形位公差和尺寸散差大,综合材料利用率低。后工序加工(硬磨)国内普遍使用M1080、XF004一般滚子专用磨床,就圆锥滚子而言,其产品加工精度一般达到JB/T10235规定的Ⅲ级精度质量水平。国外先进的加工方法多为成形工序使用高速双击冷镦机成形,封闭切料,成形公差小、留量小,综合材料利用率较高。例如直径小于32mm的滚子成形误差≤0.1mm,生产效率60~200次/min。Φ32mm以上时采用车削成形加工。后工序加工(硬磨)采用高速高精度全自动磨床,产品质量水平在圆度误差、批直径变动量、圆锥角变动量的精度上与国内相比均提高1倍,表面粗糙度水平提高4倍以上,圆锥滚子综合精度稳定达到JB/T10235规定的Ⅰ级精度水平,SKF的滚子已达到规定的0级滚子水平。对于圆柱滚子外径磨削,国产设备基本达到产品要求,但端面终磨和精研设备精度难于满足加工Ⅰ级滚子的要求,特别是端面圆跳动和表面粗糙度的要求距世界先进企业仍有较大差距。按轴承行业“十五”规划目标,经新一轮的技术改造后,要求精密滚子达到Ⅰ级,稳定批量达到Ⅱ级,实现滚子设备标准化、工艺标准化以及工装标准化。专业化滚子生产覆盖率达50%,凸度化率达70%,外径超精普及率达50%,球基面无磁磨削普及率60%,圆锥滚子Ⅱ级精度以上达到60%,圆柱滚子公差等级Ⅱ级以上达到75%。当前国内滚子生产还不能完全达到这个要求,为了提高滚子质量,其发展方向为应尽快组织专业化结构调整,发展一批具有一定规模的专业化滚子生产骨干企业。推广新技术、新工艺、新装备、新的管理方法,完善和推广滚子联线加工工艺、对数曲线工艺、弧端面工艺、光饰工艺、喷丸加工工艺、可控气氛热处理工艺、表面强化工艺等,进一步扩大新型模具材料、磨削液,滚子清洗、退磁、干燥、涂油联线设备,滚子表面光饰机、滚子表面强化机以及滚子高效喷丸处理机床的开发。3滚动轴承保护装置制造技术3.1冲压保持架的设计滚动轴承使用的保持架一般都是由冷冲压方法制造的,冲压保持架的加工一般包括材料的冲裁、弯曲、拉延、成形等内容。冲压成形采用的设备主要是多工位压力机和机组联线。冲压保持架使用的原材料一般是钢板和铜板,材料利用率较低,如圆锥滚子轴承筐形保持架材料利用率仅为18%左右,使用套裁法冲压的浪形保持架的材料利用率也只有28%左右。因此,提高材料利用率是保持架加工的一项重要内容。当前可采取的措施主要包括,原材料裁剪优化设计,尽量采取套裁冲压,组合冲压,保持架冲压、焊接的组合生产,管料冲压。如采用管料作毛坯,在多工位压力机上冲压成形,所有冲压工作在一台压力机上完成,不仅节约材料,还可以提高劳动生产率。采用焊接技术和专用机床制造保持架可以提高劳动生产率、降低成本。如制造滚针“M”形保持架时,可先按条带状将板料冲裁成“M”形,同时冲出窗孔,再按规定的窗孔数将条料裁成预定长度的料段,然后将料段弯成圆筒形,最后进行电阻焊接,全部工艺过程可以在一条流水线上完成,生产效率高,适用于大批量生产。模具的发展可以反映冲压保持架的技术水平高低,随着模具制造业新材料、新技术的出现以及新的模具热处理工艺的采用,高效率、高精度、长寿命的模具被广泛采用,随着模具结构与零件的标准化、成组化,降低了模具设计与制造的复杂程度,缩短了生产准备周期,也促进了冲压保持架技术的发展。目前计算机辅助模具设计被广泛应用,模具设计工时大大减少,模具结构也更加合理。模具加工的发展趋势是计算机控制、电火花加工方法以及成形磨削。取代传统酸洗工艺,能减少环境污染、提高产品质量,采用无锈蚀的表面氧化处理工艺,能增加保持架弹性、强度。发展具有自身防锈和润滑性能的冲压保持架磷化工艺、软氮化工艺、表面快速淬火工艺等冲压保持架的辅助工艺也是当前冲压保持架发展的方向。3.2制坯生产的节铜代铜和等温挤压保持架车制保持架的生产主要采用铸造方法制坯,多道机械加工成形,加工余量大,材料消耗多,材料利用率一般只有20%~25%,且由于铸造工艺的某些局限性,影响制件的力学性能,使很多产品达不到设计要求。同时,大部分轴承保持架由铜合金制造,但我国铜资源缺乏,产需矛盾很突出。预计到2005年,60%的用量需要进口,年消耗外汇约28~30亿美元,所以在轴承生产中节铜代铜势在必行。节铜代铜有两条途径,一条为精密制坯方法,以提高材料利用率,但至今没有进展;另一条途径是寻找代用材料,如尼龙、胶木、粉末冶金等,特别是近几年来一些厂家致力于用锌铝合金生产实体轴承保持架,已取得可喜成绩,可以降低成本1/3左右,现已初步制订出行业标准。但是,由于锌铝合金保持架只能在低于120℃环境下工作,不能承受高速、重载荷,且由于铸造缺陷,易出现非正常失效,影响了该产品的推广。目前行业内有人采用等温挤压方法替代车制保持架,与冷、温、热挤压不同,等温挤压是把热毛坯放在加热到变形温度的模具里并在恒定的温度下进行挤压,从而获得一定形状、尺寸和力学性能的挤压件。它不仅具有一般挤压成形的优点,同时由于毛坯是在均匀的温度场中成形,故可以大大提高变形的均匀性,减少制品的残余应力,提高金属的塑性,降低材料的变形抗力,从而减少设备的吨位。该工艺兼顾了等温变形和挤压成形的优点,可提高挤压生产复杂形状零件的能力,用它来生产铜合金保持架可减少机加工工时,节约材料,降低能耗,提高生产率。因此前景非常广阔4感应热处理技术轴承零件热处理质量的好坏直接影响着后续加工的质量并最终影响到轴承产品的精度、寿命等因素。同时,热处理又是机械行业的能源消耗大户和污染大户。热处理工艺技术与热处理装备有密切联系。传统的加热设备是不带保护气氛的箱式炉、盐熔炉、井式炉、输运带炉、滚筒炉、滚棒炉、网带炉、转底炉及推杆炉。工业发达国家的轴承热处理,从20世纪60年代就普及了可控气氛,而我国到目前为止,轴承热处理可控气氛覆盖面约为30%,自“六五”以来,热处理装备自动线在轴承行业中得到了广泛应用,但60~70年代的旧设备仍占相当大的比重。这些设备陈旧、落后,无保护气氛,控制精度低,能耗高,故障率高,劳动强度大,环境污染严重,不利于轴承产品的性能、使用寿命、稳定性和可靠性的提高。目前轴承行业淬火加热设备即各种炉型的系列产品已基本能满足生产需要。但长期以来对淬火冷却技术不够重视,如压模淬火技术。日本NTN公司对120mm以上套圈全部采用压模淬火,小于上述尺寸的套圈100%自动进行变形测量分选。这不仅充分发挥保护气氛淬火的优越性,而且大大提高了磨加工效率,对提高产品质量有着重要的作用。而国内只有少数企业引进或自制了淬火压床,