滚动轴承制造技术进展研究
作者：I Mehmet等人
翻译：洛阳LYC轴承有限公司技术中心 侯俊
本文刊登于中国轴协会刊《轴承工业》2022年第4期“技术前言”栏目，欢迎订阅、投稿、商务合作!
摘 要
一般来说，轴承的制造需要严格的工艺步骤，这些步骤是在高度专业化的设备上实施的，这些设备需要在批量变化时及时调整。锻造和热处理阶段消耗的能量最多，但最昂贵的阶段是磨削工序。磨削和珩磨工艺的另一种替代方法是通过硬车削和滚制工艺组合进行混合加工。通过在轴承套圈表面产生高残余应力来降低粗糙度，改善滚子轮廓以降低接触应力，从而提高轴承的耐久性是各大滚子轴承制造商的主要发展方向之一。滚制可引起更高的表面应力并降低粗糙度，有利于轴承的耐久性。本文介绍和分析了轴承套圈和轴承滚子的工艺路线，重点介绍了轴承套圈和滚子制造/加工方法进展的研究进展。
1.介绍
滚动轴承是机床、汽车和所有工业机械的所有传动系统的关键部件。尽管滚动轴承看似简单的机械零件，但其内部几何结构相当复杂。滚动轴承产品是机床驱动系统中的关键部件，对机床的功能性、耐久性和加工精度至关重要。这些部件的状况极大地影响机床最重要的性能特征。滚动轴承的制造过程非常复杂，需要在工厂的不同部门进行一系列阶段（生产路线），而且制造过程不灵活，在不同类型的制造批次之间进行更换时，需要对通常专用的机床进行多次调整。此外，精确轴承设计方法的研究和中小型系列制造业中轴承生产的盈利能力的提高出现了越来越多的特殊轴承，这些轴承的设计和制造可在特定的明确条件下达到最佳承受能力。这是一种现代趋势，在世界范围内变得越来越明显，不利于通用轴承的生产。轴承和部件优化的一般方向会考虑L10耐久性的提高和Pmax接触压力的降低。在工业轴承领域，滚动轴承的主要制造商为SKF集团、舍弗勒集团、铁姆肯、NSK、NTN、JTEKT、Rothe Erde、瓦房店轴承集团、Minebea Mitsumi和C&U。大部分滚动轴承制造商的主要发展方向是改进风力发电机轴承、电力牵引电机设计用电气绝缘轴承、固定式电机（中型和大型），发电机和特殊应用，包括不受高频电流影响的潜水泵。另一个重要方向是通过开发和改进应用程序，为客户提供销售和客户服务以外的扩展支持，客户可通过该应用程序对各种轴承进行检查和诊断。此外，开发人工智能系统，以便通过处理来自传感器阵列的信息来确定高度复杂和大型制造系统的早期故障。开发具有传感器集成的智能型轴承是主要制造商的一个重要投资方向。这一类别是汽车动力领域所特有的。轴承制造的另一个主要业务方向是特殊应用的轴承翻新业务。
2.轴承零件制造步骤分析
2.1轴承圈加工分析
滚动轴承的结构由内圈、外圈、滚子和保持架组成，可选用铆钉和各种密封件。用于轴承制造的主要部件圈和滚子的材料为100Cr6-ISO 683-17（AISI 52100）和100CrMnSi6-4。对于每个部件，已确定了各种制造步骤。
为了增加工艺的灵活性并减少制造工艺步骤，已经确定了各种研究和方法，主要是在机械加工行业，如Trenpro工艺，以减少生产路线的可能性。
一般认为锻造和热处理阶段消耗的能量最多，但最昂贵的阶段是磨削操作。Trenpro工艺使用与外壳表面接触的螺旋刀具，从进料侧开始，螺旋刀具的切割高度不断增加，如图2所示。由于连续旋转运动，管材沿轴向通过切割/滚制机架，并在此过程中被切割成单个圈。Trenpro工艺非常高效，直径为47mm的圈的加工时间为4秒。硬车削工艺用于使用pCBN、陶瓷或涂层硬质合金等切削材料对硬度超过45-47 HRC的f材料高精度零件（滚子圈）进行精加工。在过去，这些零件只能通过磨削加工，一系列的作者认为硬车削可以替代轴承套圈磨削操作。Konig指出，由于采用了高精度的机器，硬车削零件的精度可与磨削工艺相媲美。Jouini表明，表面完整性和表面形貌残余感应应力是相关参数，影响轴承性能。Jouini进行的试验表明，当Ra值从Ra=0.25 mm时的32万次循环降低到Ra=0.11 mm时的520万次循环时，滚动接触疲劳寿命增加。通过精密硬车削加工，可获得表面粗糙度Ra=0.11 mm。在这种情况下，滚道粗糙度与磨合期后的值相似。提高轴承耐久性的方法之一是降低元件粗糙度和高残余感应应力。滚制被认为是珩磨和磨削工艺的替代方法。与珩磨和磨削相比，滚制可在材料中产生较高的表面应力。混合加工工艺最初由Axinte和Gindy提出。Denkena B.、Groove T.和Maiss O.研究了硬车削加工和滚制对轴承套圈表面质量的影响。而轴承的耐久性可以通过降低滚动表面的粗糙度和在加工过程中在套圈表面产生高残余应力来提高。由于磨削过程可产生较低的加工表面粗糙度，但不会在表面层中产生应力，通过高精度硬冲压，可获得类似于磨削的表面质量。该加工工艺将硬车削和深滚压工艺结合在一个工艺中，以缩短加工时间并提高表面质量。该工艺的优点之一是，对于形成粗糙度的粗糙度尖端，可实现滚制工具的有效定位，该工艺的示意图如图3所示。初始粗糙度显著影响最终表面的粗糙度。对于光滑表面（Rz=1μm），必须使用高重叠系数来改善表面质量。在任何情况下，即使非常低的初始粗糙度值和接近100%的重叠系数，也不会在滚制后去除轮廓底部的最低点。机加工轴承的硬度太高，无法使表面整体光滑。
加工后，通过使用比车削表面更低的进给速度，可获得更高的表面质量。表面粗糙度Rz可提高24%。通过滚动元件和形成粗糙度的粗糙度之间定义的、受控接触来解释效果。并非所有机械加工表面上的不规则变形机制都是已知的。一些论文研究了车削过程中产生的白层的影响，并指出白层可以放大接触疲劳。另一方面，Denkena称白色层不会影响轴承耐久性。一般来说，白色层在磨削过程中被去除。
2.2 轴承滚子加工分析
一般来说，滚子的制造过程使用锻造棒材或线材冷成型滚子，滚子直径小于40mm，如图4所示。对于直径大于40 mm的滚子，滚子由锻棒车削而成。
一方面，确定的研究方向是经典方向，通常以提高轴承性能而著称，即提高耐久性、降低噪音、增加负载，但也区别于通过设计对数轮廓进行一系列角色设计研究。在获得对数轮廓的研究中脱颖而出的主要作者是：Lundberg，他为这些撑压加工轮廓开发了第一个对数函数，以降低压力并实现接触压力的均匀性。Lundberg提出的关系由Johns-Gohar 改进，他为了方便制造而改进了功能。然而，当滚子倾斜时，Johns-Gohar轮廓会产生边缘载荷。来自NTN的Fujiwara和Kawase改进了Johns Gohar提出的关系，通过添加参数K1:Q的倍数，K2:凸起长度和zm之间的比率：圆柱轮廓和有效长度接触末端凸面之间的差异，如图5所示。
最近的研究表明，多半径轮廓在接触几何方面也可以有很好的效果，接触应力数学模型的验证是通过FEA模拟进行的，允许对模型进行增量加载，并确定应力分布。在这两种情况下，处理成本都特别高。如果滚子表面没有很好地加工，则无法获得均匀的应力分布。
3.结论
*有许多研究都是由大学中心的研究人员进行的，例如，来自雅西技术大学研究所的Spiston CRETU，也有来自顶 尖公司的公司，比如来自轴承生产领域NTN、SKF、TimKen公司的研究者Hiroki FUJIWARA，Tatsuo KAWASE。*各大制造商正在扩展向客户提供各种服务和解决方案，同时提供技术支持和销售，如对各种设备进行预测性维护的电子应用程序。*关于套圈制造，客户使用准时物流因素的总体趋势给轴承制造商带来了小批量生产的压力，因为轴承生产线是为大批量生产而设计的。小批量生产轴承套圈需要高生产率设备的长时间调整。因此，需要增加制造路线的灵活性，并用硬车削或硬车削与滚制相组合工艺取代成本高昂的磨削工艺。在联合硬车削和滚制工艺的情况下，增加了残余应力并降低了粗糙度。
*关于滚子制造，通过数学建模和FEA模拟确定滚子的最佳轮廓是当前的问题。有必要应用已知计算模型的扩展，并调整各种轴承类型的已知参数。