楊曉蔚,伍海云

(1.洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039;2.奧新(廈門)軸承有限公司，福建 廈門 361021)

滾動軸承之所以被稱之為“滾動軸承”，其要義就是在軸承套圈之間裝有“滾動體”，可以使軸承實現(xiàn)“滾動運動”。從這一本質(zhì)意義上講，滾動體是滾動軸承得以存在的先決條件?，F(xiàn)代滾動軸承工業(yè)是以1883年德國發(fā)明了世界上第1臺磨球機、從此可以工業(yè)化生產(chǎn)鋼球為標(biāo)志，這也說明滾動體是現(xiàn)代軸承工業(yè)賴以發(fā)展的奠基石。一言概括，沒有滾動體，就沒有滾動軸承；沒有滾動體的工業(yè)化生產(chǎn)，就沒有現(xiàn)代軸承工業(yè)。

采用滾動體，其最原始的出發(fā)點是替代滑動軸承，以大大減低摩擦，使運轉(zhuǎn)更輕便靈活。但對軸承而言，不僅只有這一個要求，還有如支承與傳遞載荷、保證運動及定位精度等多種基本功能要求。此外，還有如長壽命與高可靠性、低振動或低噪聲等更進一步的要求。這些對軸承的種種技術(shù)要求，很多都在很大程度上取決于滾動體。如試驗證明，對軸承疲勞壽命的影響，滾動體排在軸承零件的第2位；對軸承振動或噪聲的影響，滾動體排在軸承零件的第1位；等等。滾動體不同于其他軸承零件，如對于球來說，其表面“點點都是工作面”；對于滾子(包括滾針)而言，其外徑表面以及部分類型滾子的端面“大部都是工作面”；而套圈只有滾道以及部分類型軸承的擋邊等接觸部位，保持架只有兜孔等接觸部位才是工作面。因此，從深層次上講，滾動體在軸承的組成零件中，無疑是最為關(guān)鍵的。

1 軸承對滾動體的尺寸和精度要求

1.1 尺寸要求

軸承對滾動體的尺寸要求，既體現(xiàn)在大小上，又體現(xiàn)在規(guī)格上。滾動體的大小，隨配套軸承的要求而不一，但也不能無所限制，什么尺寸都提供，必須按照現(xiàn)代工業(yè)“標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化”的原則，對尺寸進行規(guī)范，既盡量滿足要求，又減少不必要的規(guī)格。

在滾動體中，球和滾針的尺寸規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)化程度是最高的，制訂有國際標(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn)，在現(xiàn)行ISO 3290暨GB/T 308中規(guī)定的球直徑從0.3～104.775 mm，共152個；在現(xiàn)行ISO 3696暨GB/T 309中規(guī)定了滾針直徑×長度=1 mm×5.8 mm～6 mm×59.8 mm，共162個，其中優(yōu)先尺寸為83個。其次是圓柱滾子，制訂有國家標(biāo)準(zhǔn)，在現(xiàn)行GB/T 4661中規(guī)定的滾子直徑×長度=3 mm×3 mm～50 mm×50 mm，共93個。圓錐滾子僅僅在一些企業(yè)實現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化，但在商品化供應(yīng)中，尺寸規(guī)格的認(rèn)同度在全球都是比較廣泛的。球面滾子是截至目前為止，尺寸規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)化程度最低的，基本上都是各企業(yè)按照不同的軸承設(shè)計自行確定的。

球是用量最大的滾動體，由于歷史形成的技術(shù)體系所致，至今仍是英制尺寸占據(jù)主導(dǎo)地位的一個特例。在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的球直徑152個規(guī)格中，英制尺寸有82個，占54%(若排除一些米制尺寸至今也很少采用的狀況，英制尺寸的實際采用率更高)。為了與全面推行國際計量單位接軌，英制尺寸在標(biāo)準(zhǔn)中進行了公制化，但仍在公制尺寸之后給出了英制尺寸作為參考。

一些軸承為了追求最大承載能力等要求，還常常采用“非標(biāo)”滾動體(在滾子軸承中尤為突出)，這都是正?，F(xiàn)象。但非標(biāo)不應(yīng)是主流，從用戶要求到軸承設(shè)計，再到滾動體制造，都不應(yīng)特意追求，而應(yīng)盡量避免。因為只有最大限度地實現(xiàn)尺寸規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)化，才能夠使軸承以及滾動體產(chǎn)品本身實現(xiàn)符合其技術(shù)生產(chǎn)特征的高效率、低成本的規(guī)模經(jīng)濟生產(chǎn)。

1.2 精度要求

軸承屬于精密機械產(chǎn)品，如最高公差等級的2級向心軸承的內(nèi)徑公差相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)公差I(lǐng)T2，最低公差等級的0級向心或推力軸承的內(nèi)徑公差也在IT7～IT8之間，而IT2～IT7一般是用于檢測量規(guī)或標(biāo)準(zhǔn)塊的公差。因此，軸承對于主要組成零件，特別是滾動體的精度要求更高，如最高公差等級的G3球，其球直徑變動量和球批直徑變動量已超過最高標(biāo)準(zhǔn)公差I(lǐng)T01，而IT01已是1級量塊的公差。

軸承對滾動體的精度要求，包括尺寸精度、形狀精度和表面粗糙度等，通過制訂標(biāo)準(zhǔn)公差等級及對應(yīng)的公差項目和數(shù)值來規(guī)定。球的標(biāo)準(zhǔn)公差等級規(guī)定為G3，G5，G10，G16，G20，G24，G28，G40，G60，G100和G200，共11級；滾針為G2，G3和G5，共3級;圓柱滾子為0，Ⅰ，Ⅱ和Ⅲ，共4級;圓錐滾子為0，Ⅰ，Ⅱ和Ⅲ，共4級(JB/T 10235);球面滾子尚未有規(guī)定。

滾動體的精度，首先影響軸承的運轉(zhuǎn)靈活性，更進一步的精度要求，一般都包容在軸承的旋轉(zhuǎn)精度之中。因此，軸承的公差等級越高，相應(yīng)配套滾動體的公差等級就越高。如P0球軸承，一般采用G20,G28或G40球(d≤30，G20； 30

球的公差等級，是根據(jù)球形誤差的大小來確定的，并具有以英制尺寸反映的數(shù)值上的對應(yīng)關(guān)系。如G5球，其球形誤差就是5 μin；G10球，其球形誤差就是10 μin，以此類推。將μin換算成μm，就是標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的米制尺寸的公差值，如G10球，其球形誤差為10 μin=10×0.025 μm=0.25 μm。滾針的公差等級，是與以μm計的批直徑變動量最大值和規(guī)值間距相對應(yīng)的。如G2，G5和G10滾針，其批直徑變動量最大值和規(guī)值間距分別為2，3和5 μm。滾子的公差等級，沒有與其某一形狀精度在數(shù)值上的對應(yīng)關(guān)系。

在國際標(biāo)準(zhǔn)沒有制訂發(fā)布以前，各個國家對于滾動體有不同的公差等級規(guī)定。如對于球，日本分為普通、高級、精密、超精密共4級，德國分為Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ，Ⅵ，Ⅶ共7級，美國分為G3，G5，G10，G16，G24，G48，G100，G200，G500，G1000共10級，我國曾分為0，Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ共4級和01，0，Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ共6級；對于滾針和滾子，日本分為普通、高級、精密、超精密共4級，德國對滾針分為G2，G3和G5共3級，對滾子分為GN，G1共2級，我國則對滾針與滾子均不分等級。

對于軸承而言，滾動體是成組使用的。對于滾動體而言，又是成批生產(chǎn)的。因此，在滾動體的尺寸公差中，除了對每個滾動體有要求外，更為重要的就是“批”的概念。其最為顯著特殊的，就是不僅有批尺寸變動量的要求，還有用于分選的規(guī)值(以及分規(guī)值)的要求。有了滾動體按規(guī)值(如G10球規(guī)值間距為1 μm)分選作法，不僅使得按軸承內(nèi)、外滾道尺寸進行一定游隙或裝配高的組合裝配(俗稱“合套”)更為簡便快捷，而且對軸承的精度、轉(zhuǎn)速、載荷、壽命、振動、噪聲等性能質(zhì)量的一致性，更具有有利影響。在一些需要兩端面都作為工作表面的滾子，對滾子長度也有較高的分選要求。

對于滾動體的表面粗糙度，一般要求都很高，尤其是對于滾動工作表面(如球表面和滾子外徑表面)以及滑動工作表面(如圓錐滾子球基面等)。盡管從長期應(yīng)用的實踐看，目前標(biāo)準(zhǔn)給出的表面粗糙度參數(shù)Ra及數(shù)值足以滿足要求，但對Ra數(shù)值進一步壓縮至一半的觀點，以及增加表面粗糙度參數(shù)Ry并進行控制的看法，也一直存在(目前還僅針對球)。對表面粗糙度的峰、谷控制，期望是“削峰留谷”(盡量去除峰尖以減低接觸應(yīng)力集中現(xiàn)象，保留谷溝以利于儲存潤滑劑形成完全潤滑)，即還有磨削紋路的要求。

另外，對滾動體的表面波紋度進行控制的要求已越來越明確。如對于球，在1998年發(fā)布的現(xiàn)行國際標(biāo)準(zhǔn)中，已規(guī)定“波紋度的限值和測量方法由用戶和供應(yīng)商協(xié)商確定”。美國、德國等國家標(biāo)準(zhǔn)，提出相應(yīng)的要求則更早。

2 軸承對滾動體的承載能力及壽命要求

軸承的載荷能力，包括靜載荷能力和動載荷能力，以及與額定動載荷相關(guān)的額定壽命，其計算都是主要依據(jù)滾動體來確定的。如軸承的額定動、靜載荷與滾動體數(shù)(Z)和滾動體尺寸規(guī)格(球徑Dw或滾子有效直徑Dwe及長度Lwe)通常成一正冪指數(shù)關(guān)系。

如果說，滾動體個數(shù)和大小是由軸承設(shè)計來確定，屬于可選擇的話，那么對于滾動體本身，在載荷能力和使用壽命等方面，除了要完全符合規(guī)定的材料、制造等質(zhì)量要求外，一般還需要滿足以下一些專門的技術(shù)要求：

(2)提高表面硬度。滾動體和套圈滾道一樣，一般常規(guī)淬回火后必須達到58 HRC以上的表面硬度，才能保證軸承的基本額定載荷能力。其中，滾動體和套圈滾道之間的硬度匹配，對軸承壽命有很大影響。試驗表明，滾動體的表面硬度高于滾道表面硬度1～2 HRC時，軸承壽命更長。這是由于滾動體精度通常都比滾道精度高，若表面硬度也較高，則在軸承運轉(zhuǎn)過程中，可以對滾道進行“精密冷輾擴”，使?jié)L道精度得到改善并在表層形成壓應(yīng)力，有利于軸承疲勞壽命的提高。另外，同時提高滾動體和滾道的表面硬度，還可以大幅提高軸承的抗污染壽命。因此，滾動體在要求的表面硬度范圍內(nèi)，一般應(yīng)盡量靠近中、上限水平進行熱處理工藝控制。日本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的鋼球表面硬度范圍上、下限都較高(如以Dw為3.5～30 mm的鋼球為例，表面硬度范圍為62～67 HRC)，實際上就體現(xiàn)了這一要求。

(3)表面強化處理。表面強化處理又稱加壓，就是在鋼球材料的彈、塑性變形范圍內(nèi)，對鋼球表面進行類似于高壓噴丸硬化處理，使表面硬度提高且在表層形成均勻分布的壓應(yīng)力，進一步提高軸承壽命。表面強化后對硬度的一般要求是：表面硬度提高1～3 HRC；同一鋼球的硬度落差不應(yīng)超過0.5 HRC；鋼球與鋼球之間的硬度最大值之差不應(yīng)超過1 HRC。對表層壓應(yīng)力的原則要求是：分布均勻且由表面向內(nèi)應(yīng)符合一定的梯度分布。

(4)對滾子進行凸度修形。在軸承運轉(zhuǎn)過程中，滾動體與套圈滾道的滾動接觸次數(shù)僅次于旋轉(zhuǎn)套圈，因此，其接觸疲勞失效概率較高是必然現(xiàn)象。在軸承載荷和滾動接觸次數(shù)不變的條件下，降低接觸應(yīng)力尤其是應(yīng)力集中現(xiàn)象是減小疲勞失效概率的有效措施之一。因此，對于容易在端面產(chǎn)生應(yīng)力集中的線接觸的直素線滾子(包括滾針)，必須進行凸度修形。在圓弧、圓弧修正線、對數(shù)曲線等各種凸度形狀中，對數(shù)曲線凸度被認(rèn)為是最好的，可以實現(xiàn)接觸應(yīng)力均勻分布并對應(yīng)力集中不敏感，因此，應(yīng)盡量實現(xiàn)對數(shù)曲線凸度修形。在現(xiàn)行國際標(biāo)準(zhǔn)中，滾子軸承的額定動載荷計算系數(shù)是按照滾子具有凸度修形、可保證接觸應(yīng)力均勻分布來給定的。據(jù)此明確說明，滾子有凸度是常規(guī)要求，直素線反而屬于特例情況，即軸承用滾子必須有凸度。另外，對于圓錐滾子球基面以及一些圓柱滾子兩端面，由于需要作為與套圈擋邊形成滑動接觸工作面，故也要求必須具有一定的形狀(如球面)，以防軸承運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生燒傷失效。

3 軸承對滾動體的振動與噪聲要求

軸承振動與噪聲，一般可分為固有、與加工誤差有關(guān)和與安裝使用有關(guān)3種。軸承的固有振動和噪聲，與滾動體的數(shù)量及大小直接相關(guān)；軸承的與加工誤差有關(guān)的振動和噪聲，在套圈、滾動體和保持架等組成零件中，與滾動體的表面形狀和表面質(zhì)量關(guān)系最大。如以深溝球軸承的試驗研究結(jié)果為例，軸承外圈溝道、內(nèi)圈溝道和鋼球表面波紋度對軸承振動的影響比例為1∶2∶5，外圈溝道、內(nèi)圈溝道和鋼球表面粗糙度對軸承振動的影響比例為1∶3∶10。其中，軸承的中、高頻振動和噪聲，與滾動體的表面波紋度和表面粗糙度顯著相關(guān)；軸承的異常聲，以滾動體的表面劃傷、磕碰傷影響最大；等等。

為了保證軸承的振動和噪聲質(zhì)量水平，對滾動體需要采取的措施如下：

(1)嚴(yán)格控制滾動體的圓度、波紋度和表面粗糙度，尤其是波紋度和表面粗糙度；(2)直接控制滾動體的單體振動；(3)進行表面強化處理，以提高表面硬度來減小或防止劃傷、磕碰傷等的產(chǎn)生；(4)盡量保證滾動體的批直徑變動量處于最小限度水平。

4 國產(chǎn)滾動體的技術(shù)質(zhì)量水平現(xiàn)狀

4.1 鋼球

在國產(chǎn)的滾動體中，鋼球的技術(shù)進步是最快的。這是由于采用了錐鼓形球坯、F5000/F6000樹脂砂輪等一系列先進技術(shù)的顯著成果。也正是由于鋼球質(zhì)量水平的大幅度提高，使得我國球軸承的綜合質(zhì)量水平顯著提高，特別是在低噪聲深溝球軸承方面已處于國際先進水平。

尺寸——現(xiàn)生產(chǎn)球徑范圍為0.5～152.4 mm。

精度——加工水平普遍提高，生產(chǎn)G10，G5球已屬于常規(guī)工藝，但在質(zhì)量儲備和精度保持性上與國外先進產(chǎn)品有很大差距。而日本著名公司生產(chǎn)的配套0級球軸承的G20球，實物質(zhì)量基本上都已達到G3球的要求，精度保持性一般都較好。

壽命——與以前相比有很大提高，如通過軸承的試驗壽命與額定壽命之比來體現(xiàn)，球軸承一般已達到3～5倍。但仍存在一些問題，比較突出的現(xiàn)象是，在軸承的失效零件中，國外鋼球已基本很少失效，但國產(chǎn)鋼球仍然排在前位。究其原因，主要是國產(chǎn)真空脫氣鋼的材質(zhì)水平，仍與日本以及SKF，TIMKEN等公司所產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)高純凈度鋼材質(zhì)量水平有較大差距。另外，熱處理質(zhì)量水平也有待進一步提高，如全面采用可控氣氛并對碳勢進行優(yōu)化控制等。

振動與噪聲——鋼球的單體振動質(zhì)量控制較好，所配套的深溝球軸承振動質(zhì)量水平普遍提高，許多企業(yè)生產(chǎn)的微小型以及中小型深溝球軸承已經(jīng)達到Z4，V3組振動要求，甚至超過日本的 “靜音”和“超靜音”軸承水平。早期國產(chǎn)鋼球振動質(zhì)量水平不高，歸結(jié)于對表面粗糙度Ry不做控制，與國外先進水平相比有明顯差距。由于采用超細(xì)粒度樹脂砂輪等先進技術(shù)，目前已處于相當(dāng)水平。相比而言，波紋度誤差卻比國外同類產(chǎn)品高出1倍左右(如實測Dw為9.525 mm和13.494 mm兩個規(guī)格鋼球，國外產(chǎn)品波紋度誤差均為0.044 μm，而國內(nèi)產(chǎn)品均為0.088 μm)。

4.2 滾子

我國滾子(包括滾針)的技術(shù)進步較慢，已成為阻礙滾子軸承質(zhì)量水平提高的“瓶頸”因素。其制造上的原因，就是工藝與裝備的問題——裝備升級換代緩慢，加工工藝長期落后，并形成了惡性循環(huán)。

尺寸——現(xiàn)生產(chǎn)尺寸范圍為最小1 mm×5.8 mm滾針至最大150 mm×180 mm球面滾子。

精度——以具有典型代表意義的圓錐滾子和圓柱滾子為例，用量最大的Ⅲ級滾子，質(zhì)量狀況總體上仍不穩(wěn)定；Ⅱ級滾子只能小批量生產(chǎn)，有些企業(yè)還是從Ⅲ級滾子中挑檢出來的； 0和Ⅰ級滾子，至今仍不能在批量生產(chǎn)技術(shù)上取得突破，其中難點包括批尺寸相互差、端面跳動、表面粗糙度以及圓錐滾子球基面形狀等。

壽命——滾子軸承壽命與球軸承相比提高較小，試驗壽命與額定壽命之比一般僅達到1～3倍。除了材質(zhì)和熱處理原因外，滾子凸度仍沒有取得突破性進展。主要表現(xiàn)在，盡管凸度加工已比較普遍，但對數(shù)曲線凸度或者至少擬對數(shù)曲線凸度加工還沒有完全掌握，尤其是在保證凸度形狀和凸度量的一致性方面。另外，需要作為滑動工作面的滾子端面，其形狀和表面粗糙度也一直難以達到要求，導(dǎo)致軸承早于疲勞失效而發(fā)生燒傷破壞。

振動與噪聲——滾子的單體振動水平仍不高，所配套的圓錐滾子軸承和圓柱滾子軸承一般僅能達到Z2，V1組振動要求。

4.3 發(fā)展動向及問題

近期，滾動體的發(fā)展動向及所帶來的問題主要有：

(1)英制尺寸公制化的球的公稱直徑，已由現(xiàn)行國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的取值精度到小數(shù)點后3位，修訂為ISO 3290-2：2008(E)所采用小數(shù)點后5位，以與規(guī)值及分規(guī)值的規(guī)值間距取值相協(xié)調(diào)。否則由于圓整規(guī)則所致，同樣的實際尺寸可能混淆(如1/16 in球，實際直徑為1.587 50 mm，現(xiàn)標(biāo)注公稱直徑為1.588 mm，由于測量誤差和圓整所致，測值可能取為1.588 mm或1.587 mm)。另外，1.587 50 mm與1.588 mm差值為0.5 μm，反映到合套后的軸承游隙上，就為1 μm，這對于小游隙軸承而言，影響較大。因此，應(yīng)該將球的取值精度提高。但是，這一達到納米級水平的變化，將帶來現(xiàn)有很多檢測和計量儀器測量精度不夠、必須大量更新的問題。

(2)采納國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 3290-2：2008(E)而新制訂的有關(guān)陶瓷球的國家標(biāo)準(zhǔn)即將發(fā)布，氮化硅作為軸承用陶瓷球材料的主導(dǎo)地位已確立，對于氮化硅材料的物理機械性能保證、高效高精加工方法、表面粗糙度、硬度等的測試，應(yīng)予以跟進研究。

(3)為了滿足軸承長壽命、高可靠性的要求，對滾動體的殘余壓應(yīng)力、殘余奧氏體等方面已從定性轉(zhuǎn)向定量控制，但優(yōu)化的定量控制范圍還需要做更全面、精準(zhǔn)地研究。

(4)隨著主機使用工況的多樣化和極端化，要求滾動體必須進行滲碳、碳氮共滲、氮碳共滲、鍍膜等特殊熱處理的狀況越來越多，如何控制和保證特殊熱處理的質(zhì)量水平，有些問題還無法完全解決。

(5)滾子軸承及滾針軸承向高精度、高轉(zhuǎn)速、低噪聲方向發(fā)展的趨勢越來越顯著(如傳統(tǒng)上屬于低精度軸承的調(diào)心滾子軸承已要求高精度和低振動，汽車變速器用滾針軸承則要求高轉(zhuǎn)速和低噪聲)，高等級滾子和滾針的需求不斷擴大，其中包括滾子端面作為工作表面且技術(shù)要求不斷提高的場合增多，但由于加工手段制約，有關(guān)主要技術(shù)質(zhì)量指標(biāo)的實現(xiàn)，特別是一致性和穩(wěn)定性的控制，還一直存在較大難度。

5 結(jié)束語

滾動體是軸承中最重要的零件，同時本身也是一個獨立的產(chǎn)品或商品。軸承對滾動體的種種技術(shù)要求，構(gòu)成了滾動體應(yīng)具有的最基本、同時也是最高端的技術(shù)質(zhì)量特性或特征。

我國鋼球的加工制造水平進步十分顯著，很多企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量已接近和達到世界先進水平，但在陶瓷球這一高新技術(shù)產(chǎn)品領(lǐng)域，目前還處于初級階段。滾子的加工制造技術(shù)一直比較落后，長期徘徊于僅能生產(chǎn)低公差等級產(chǎn)品的局面，已成為制約我國滾子軸承質(zhì)量的首要關(guān)鍵因素，目前，已有個別企業(yè)能夠生產(chǎn)0和Ⅰ級圓柱滾子和圓錐滾子，無疑是一個可喜的突破性的進步。

隨著科技的不斷發(fā)展和主機的更高要求，軸承的科技進步是無止境的，相應(yīng)，對于滾動體的技術(shù)質(zhì)量要求也越來越高。首先解決材質(zhì)與國外先進水平存在較大差距的問題，再進一步提高冷、熱加工裝備與工藝水平，特別應(yīng)著重于高公差等級滾子問題的解決，在滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的基礎(chǔ)上努力提高實物質(zhì)量水平，不斷跟蹤世界先進技術(shù)發(fā)展動向，滾動體產(chǎn)品一定會取得巨大進步，也必將會對軸承產(chǎn)品的技術(shù)質(zhì)量水平提高起到積極的推動作用。