解析滚动轴承实现减振降噪提高寿命目标的五大步骤

1、概述
轴承行业“十五”发展规划纲要确定了中国轴承行业总体发展目标,所确定的技术攻关任务主要有两个,一是提高轴承寿命与可靠性,二是滚子轴承减振降噪。对于滚动体,“十五”攻关的重点是围绕轴承攻关的两大任务,认真分析我国滚动体的制造水平和质量水平,针对影响轴承寿命振动噪声的主要因素,解决滚动体关键制造技术,与轴承制造厂紧密配合,全面提升滚动体的质量,实现滚子轴承减振降噪,提高轴承的寿命和可靠性。
在对滚动体产品水平、质量水平、装备水平和检测仪器水平与检测方法,以及磨料磨具、工装和磨削液等方面的情况调研的基础上,针对滚动体专业制造水平和存在的问题,提出滚动体需进行的技术攻关和采取的措施。
2、提高滚动体的寿命和可靠性
2.1 国内外滚动体寿命的现状
滚动体对轴承寿命的影响在理论上仅次于内圈排第2位,在国家轴承质量监督检验中心近三年监督抽查寿命试验中,
滚动体破坏占轴承失效套数的比例分别为:2000年为80%,2001年为36%,2002年为31%,虽然在逐步减低,但比例仍相当高,而国外名牌产品因滚动体破坏而失效的比例却较低,甚至在有些试验中为零。
2002年底国家轴承质量监督检验中心,对国内外几个型号的轴承进行的寿命对比试验结果为:深沟球轴承6208、6304、6307、6311寿命试验情况为,四个型号九组轴承中,有一个型号好于国外(SKF、NSK)样品,三个型号寿命低于国外样品;国内6208、6304、6307可靠度Re小于90%,在所试验的77套国内轴承中,钢球失效的轴承8套,在试验的73套国外轴承中,钢球未发生失效。同时所试验的摩托车用63/28轴承共试验九组,K从1~25,有4组K>12,Re>90%。所试验的圆锥滚子轴承K为1.33~3.65,可靠度Re为90~99.99%。可以看出国内滚动体寿命和可靠性与国外仍有差距,但同时,经过滚动体行业的不断努力,也具有了一定质量水平。
2.2 影响滚动体寿命的主要因素
从导致滚动体破坏的原因分析,主要是:
(1)原材料钢材的成分、夹杂和组织疏松及质量;
(2)滚动体硬度;
(3)滚动体金相显微组织;
(4)滚动体表面形貌和质量;
(5)滚动体表面应力状态;
(6)滚动体表面浸润性及润滑膜;
(7)滚动体表面磨削烧伤和软点;
(8)滚动体精度等级;
(9)滚子凸型、凸度值达不到设计要求;
(10)滚子分组差。
2.3 提高滚动体寿命的对策
针对影响滚动体寿命的因素,组织滚动体专业生产企业、科研院所、大专院校和相关企业,在实施滚动体行业“十五”科技发展规划的基础上,提高滚动体原材料钢材的质量,采用先进的滚动体热处理工艺,控制滚动体硬度、金相显微组织等热加工质量,开发高效滚动体表面强化机,探讨强化机理和方法,继续深入推广滚动体表面强化工艺,优化和完善滚动体加工工艺,加强滚动体表面形貌和研磨切削机理的分析研究,加强滚动体表面应力分析及相关研究。
重点进行以下与滚动体寿命密切相关的关键技术的联合攻关:
(1)提高滚动体原材料钢材质量及相关技术研究
(2)滚动体热处理工艺优化与质量控制研究
(3)高效滚动体表面强化机的开发
(4)滚动体表面强化工艺的优化与推广
(5)树脂砂轮磨研钢球工艺的优化与推广
(6)滚动体表面形貌对轴承寿命性能影响的研
(7)滚动体表面应力分析与研究
(8)滚动体表面浸润性与润滑膜形成机理研究
(9)滚动体表面缺陷控制理论和缺陷控制方法的研究
(10)滚动体寿命试验方法的探讨与研究
(11)滚子凸度定量加工工艺研究
3、提高滚子公差等级,降低滚子振动
球轴承的减振降噪,经过轴承行业“九五”技术攻关,取得了明显效果。滚子轴承的减振降噪,首先在电机行业,继而在汽车等行业要求越来越严格,也越来越迫切。但与球轴承相比,滚子轴承的减振降噪工作一直比较薄弱,质量水平一直在低水平徘徊,与国外名牌产品差距较大,在2000年以来国家轴承质量监督检验中心完成的圆锥滚子轴承振动检测试验中,2000年共抽查20个型号,振动合格率55%,2001年共抽查20个型号,振动合格率70%,2002年共抽查14个型号,振动合格率64%,但振动加速度和振动速度在Z、Z1组、V组,与国外SKF产品相比,振动加速度差一级,振动速度差二级。滚子精度国内普遍在Ⅲ级水平,部分Ⅱ级,国外滚子公差等级在0级、Ⅰ级,国内滚子精度与国外至少差二级,在滚子制造技术,保证工艺稳定性、提高滚子精度等方面仍需作大量的工作。
3.1 国内滚子制造存在的主要问题及与国外先进水平的差距
3.1.1 滚子产品设计和工艺编制
我国在滚子设计、工装设计、工艺编制和检测规程等方面,受线性思维模式的束缚,在设计思想和设计理念上存在差距,缺乏创新求变的意识、认真细致的研究和系统的综合分析,滚子产品的设计基本停留在50~60年代水平,同时设备、工装、原材料、管理水平、工序质量控制能力和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,辅助工序多,上下料次数多。许多企业设计标准、磨削规范多年不变,工装工具多年没有改进。造成产品设计相对落后,原材料浪费,生产成本增加,工艺合理性差。
3.1.2 滚子制造装备
国内滚子滚针的装备与工艺水平是轴承行业最落后的,基本上是50~60年代水平,直径φ24mm以下的圆柱、圆锥和调心滚子的毛坯成型基本上仍采用普通的Z31-25、Z31-13冷镦机,采用盘料或直条料,由于是开式切料,切料变形大,一次成型形位公差和尺寸大,外观质量差,也有厂家采用普通压力机成型和采用单轴或多轴自动车床车削成型。而国外使用高速双击冷镦机,封闭切料,原材料为盘料或棒料,国内盘料直径在φ10mm以下,国外在φ21mm以下。
圆锥滚子外径磨削加工工艺装备国内普遍采用M1080和XF004圆锥滚子专用磨床。磨床参数与国外设备的对比如表1所示。
国外圆锥滚子外径采用高速高精度全自动磨床,如德国MODLER公司生产的粗磨外径的MT85/VS和精磨外径的MT85/LS磨床。
表1 国内外圆锥滚子磨床技术参数对比
设备型号
M1080 XF004
MT85/VS
MT85/LS
生产效率/pcs.min-1
40~150
50~300
50~200
圆度误差/μm
1.5
3
0.75
批直径变动量/μm
4
6
2
表面粗糙度/μm
0.25~1
0.15
0.06
圆锥角变动量/μm
±2
±2
±1
圆柱滚子外径磨加工设备提高较大,国产MGT10100、MGT1050无心磨床基本满足圆柱滚子生产要求,但圆柱滚子终磨端面磨加工设备和精研加工设备无法满足要求,尤其在端面圆跳动、表面粗糙度难以达到Ⅰ级滚子标准。
调心滚子外径磨加工设备,新乡日升公司和无锡机床厂生产的3M4020、3M6825、3M6850外径磨床,加工几何精度和尺寸精度与国外设备接近,但支承方式不同,国内为固定支承,国外为浮动支承。
在滚子外径超精加工方面,需进一步完善和优化超精导辊的设计及对数曲线超精导辊磨床的开发。目前洛轴所、瓦轴、洛轴已作了大量工作,但仍需完善。
急需提高国内的装备水平。
3.1.3 检测仪器和检测方法
目前国内检测仪器相对落后,质量管理理念和方法还很原始,在质量管理、质量检验、质量控制上,主要依靠事后把关检验,大部分专职检验人员采取传统的检验手段和方法进行质量把关,合格品是检验出来的,而不是控制出来的。检测仪器和检测技术不具备信息化条件,造成生产过程中质量信息反馈滞后,质量信息不真实甚至丢失,无法实现质量的预防控制。
3.2 影响滚子振动与噪声的主要因素
(1)滚子表面粗糙度
(2)滚子表面波纹度
(3)滚子圆度
(4)滚子批直径变动量
(5)滚子表面形貌特征
(6)圆锥滚子球基面摆差
3.3 滚子轴承减振降噪的对策
我国滚子在质量水平、工艺水平、装备水平和检测手段等方面与国外先进水平相比,仍有很大差距,随着对滚子轴承高精度、长寿命、低噪声和高可靠性要求的越来越高,需要根据目前国内滚子的质量水平,逐项与国际先进水平对比,制订相关对策,就关键技术组织联合攻关,加大创新力度,加快专业化组织结构调整,尽快培育一批具有一定规模的专业化滚子生产骨干企业,进行技术结构调整,促进技术进步,加大技术创新和投入力度,开展滚子专业生产企业、科研院所、大专院校进行以及装备、检测仪器、原材料、磨料磨具、工装等相关企业的科技攻关合作,推广新工艺、新技术、新装备、先进的管理方法,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,开发高效精密滚子加工装备,使装备水平接近国外水平,力争通过“十五”技术攻关达到以下目标:
(1)滚子公差等级:精密滚子达到Ⅰ级,稳定批量达到Ⅱ级。
(2)进行滚子标准化工作,包括设计标准化、工艺标准化、工装标准化。
(3)滚子专业化生产滚子覆盖率达到50%,凸度化率70%,外径超精普及率50%,球基面无磁磨削普及率60%,圆锥滚子公差等级Ⅱ级以上达到60%,圆柱滚子公差等级Ⅱ级以上达到75%,滚针G2级以上达到60%。
(4)解决滚子关键制造技术,大幅度提高滚子整体质量水平。
3.4 滚子“十五”技术攻关建议方向和项目
根据国内滚子制造水平和条件,建议组织滚子制造企业和相关企业进行以下关键技术的联合攻关。
3.4.1 工艺技术
(1)滚子及工装设计系统技术的开发
(2)滚子工艺系统技术的开发
(3)Ⅰ级Ⅱ级滚子批量加工工艺开发和稳定
(4)滚子联线加工技术的开发
(5)滚子对数曲线加工工艺的研究
(6)滚子表面光饰和喷丸工艺技术的推广
(7)滚子可控热处理工艺的推广
(8)滚子凸度工艺的对比分析
(9)滚子表面强化技术的研究
(10)滚子表面形貌对滚子轴承性能的影响分析
(11)滚子振动的对比分析研究
3.4 2装备技术
(12)高速高精度冷镦机的开发
(13)高速精密圆锥滚子专用无心磨床的开发
(14)R300~R600圆锥滚子球基面磨床的开发
(15)精密双端面磨床的开发
(16)精密端面超精机的开发
(17)调心滚子球形端面磨床的开发
(18)调心滚子外径超精机的开发
(19)滚子凸度超精机及工艺技术的开发
(20)滚子对数曲线超精导辊磨床的开发
3.4.3检测技术与标准
(21)滚子质量保证系统技术开发
(22)滚子检验标准的统一和宣贯
(23)滚子先进质量管理体系的推广
(24)滚子在线检测技术和网络化技术的开发
(25)滚子涡流探伤仪的开发
(26)滚子外观仪的开发
(27)滚子凸度测量仪的开发
3.4.4 相关技术
(28)新型模具材料的开发
(29)新型磨削液的开发
(30)滚子清洗退磁干燥涂油联线设备的开发
(31)滚子高效光饰机的开发
(32)滚子表面强化机的开发
(33)滚子高效喷丸处理机床的开发
4 总结
我国滚动体在质量水平、工艺水平、装备水平和检测手段等方面与国外先进水平相比,仍有差距,随着对滚动轴承高精度、长寿命、低噪声和高可靠性要求的越来越高,需要根据目前国内滚动体的质量水平,逐项与国际先进水平对比,制订相关对策,就关键技术组织联合攻关,加大创新力度,加快专业化组织结构调整,尽快培育一批具有一定规模的专业化滚动体生产骨干企业,解决滚动体关键制造技术,大幅度提高滚动体整体质量水平,为实现滚动轴承减振降噪提高寿命的目标做出贡献。