滾動軸承對滾動體的技術要求

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“滾動運動”。從這一本質意義上講，滾動體是滾動軸承得以存在的先決條件。現代滾動軸承工業是以1883年德國發明了世界上第1臺磨球機、從此可以工業化生產鋼球為標志，這也說明滾動體是現代軸承工業賴以發展的奠基石。一言概括，沒有滾動體，就沒有滾動軸承；沒有滾動體的工業化生產，就沒有現代軸承工業。

采用滾動體，其最原始的出發點是替代滑動軸承，以大大減低摩擦，使運轉更輕便靈活。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，既體現在大小上，又體現在規格上。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，必須按照現代工業“標準化、系列化、通用化”的原則，對尺寸進行規范，既盡量滿足要求，又減少不必要的規格。

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

球是用量最大的滾動體，由于歷史形成的技術體系所致，至今仍是英制尺寸占據主導地位的一個特例。在標準規定的球直徑152個規格中，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，英制尺寸在標準中進行了公制化，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”滾動體(在滾子軸承中尤為突出)，這都是正常現象。但非標不應是主流，從用戶要求到軸承設計，再到滾動體制造，都不應特意追求，而應盡量避免。因為只有最大限度地實現尺寸規格的標準化，才能夠使軸承以及滾動體產品本身實現符合其技術生產特征的高效率、低成本的規模經濟生產。

1.2 精度要求

軸承屬于精密機械產品，如最高公差等級的2級向心軸承的內徑公差相當于標準公差IT2，最低公差等級的0級向心或推力軸承的內徑公差也在IT7～IT8之間，而IT2～IT7一般是用于檢測量規或標準塊的公差。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準公差IT01，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，通過制訂標準公差等級及對應的公差項目和數值來規定。球的標準公差等級規定為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);球面滾子尚未有規定。

滾動體的精度，首先影響軸承的運轉靈活性，更進一步的精度要求，一般都包容在軸承的旋轉精度之中。因此，軸承的公差等級越高，相應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，是根據球形誤差的大小來確定的，并具有以英制尺寸反映的數值上的對應關系。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，就是標準中規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值間距相對應的。如G2，G5和G10滾針，其批直徑變動量最大值和規值間距分別為2，3和5 μm。滾子的公差等級，沒有與其某一形狀精度在數值上的對應關系。

在國際標準沒有制訂發布以前，各個國家對于滾動體有不同的公差等級規定。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，還有用于分選的規值(以及分規值)的要求。有了滾動體按規值(如G10球規值間距為1 μm)分選作法，不僅使得按軸承內、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、轉速、載荷、壽命、振動、噪聲等性能質量的一致性，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)。盡管從長期應用的實踐看，目前標準給出的表面粗糙度參數Ra及數值足以滿足要求，但對Ra數值進一步壓縮至一半的觀點，以及增加表面粗糙度參數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力集中現象，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年發布的現行國際標準中，已規定“波紋度的限值和測量方法由用戶和供應商協商確定”。美國、德國等國家標準，提出相應的要求則更早。

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的額定壽命，其計算都是主要依據滾動體來確定的。如軸承的額定動、靜載荷與滾動體數(Z)和滾動體尺寸規格(球徑Dw或滾子有效直徑Dwe及長度Lwe)通常成一正冪指數關系。

如果說，滾動體個數和大小是由軸承設計來確定，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，除了要完全符合規定的材料、制造等質量要求外，一般還需要滿足以下一些專門的技術要求：

(2)提高表面硬度。滾動體和套圈滾道一樣，一般常規淬回火后必須達到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，則在軸承運轉過程中，可以對滾道進行“精密冷輾擴”，使滾道精度得到改善并在表層形成壓應力，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，一般應盡量靠近中、上限水平進行熱處理工藝控制。日本標準規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，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超過0.5 HRC；鋼球與鋼球之間的硬度最大值之差不應超過1 HRC。對表層壓應力的原則要求是：分布均勻且由表面向內應符合一定的梯度分布。

(4)對滾子進行凸度修形。在軸承運轉過程中，滾動體與套圈滾道的滾動接觸次數僅次于旋轉套圈，因此，其接觸疲勞失效概率較高是必然現象。在軸承載荷和滾動接觸次數不變的條件下，降低接觸應力尤其是應力集中現象是減小疲勞失效概率的有效措施之一。因此，對于容易在端面產生應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、對數曲線等各種凸度形狀中，對數曲線凸度被認為是最好的，可以實現接觸應力均勻分布并對應力集中不敏感，因此，應盡量實現對數曲線凸度修形。在現行國際標準中，滾子軸承的額定動載荷計算系數是按照滾子具有凸度修形、可保證接觸應力均勻分布來給定的。據此明確說明，滾子有凸度是常規要求，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)，以防軸承運轉時產生燒傷失效。

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、與加工誤差有關和與安裝使用有關3種。軸承的固有振動和噪聲，與滾動體的數量及大小直接相關；軸承的與加工誤差有關的振動和噪聲，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量關系最大。如以深溝球軸承的試驗研究結果為例，軸承外圈溝道、內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；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量水平，對滾動體需要采取的措施如下：

(1)嚴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 國產滾動體的技術質量水平現狀

4.1 鋼球

在國產的滾動體中，鋼球的技術進步是最快的。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的顯著成果。也正是由于鋼球質量水平的大幅度提高，使得我國球軸承的綜合質量水平顯著提高，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——現生產球徑范圍為0.5～152.4 mm。

精度——加工水平普遍提高，生產G10，G5球已屬于常規工藝，但在質量儲備和精度保持性上與國外先進產品有很大差距。而日本著名公司生產的配套0級球軸承的G20球，實物質量基本上都已達到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，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，但國產鋼球仍然排在前位。究其原因，主要是國產真空脫氣鋼的材質水平，仍與日本以及SKF，TIMKEN等公司所產的優質高純凈度鋼材質量水平有較大差距。另外，熱處理質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化控制等。

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

4.2 滾子

我國滾子(包括滾針)的技術進步較慢，已成為阻礙滾子軸承質量水平提高的“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。

尺寸——現生產尺寸范圍為最小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，質量狀況總體上仍不穩定；Ⅱ級滾子只能小批量生產，有些企業還是從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技術上取得突破，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。主要表現在，盡管凸度加工已比較普遍，但對數曲線凸度或者至少擬對數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，導致軸承早于疲勞失效而發生燒傷破壞。

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 發展動向及問題

近期，滾動體的發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，已由現行國際標準規定的取值精度到小數點后3位，修訂為ISO 3290-2：2008(E)所采用小數點后5位，以與規值及分規值的規值間距取值相協調。否則由于圓整規則所致，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，現標注公稱直徑為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)采納國際標準ISO 3290-2：2008(E)而新制訂的有關陶瓷球的國家標準即將發布，氮化硅作為軸承用陶瓷球材料的主導地位已確立，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力、殘余奧氏體等方面已從定性轉向定量控制，但優化的定量控制范圍還需要做更全面、精準地研究。

(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、高轉速、低噪聲方向發展的趨勢越來越顯著(如傳統上屬于低精度軸承的調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要求不斷提高的場合增多，但由于加工手段制約，有關主要技術質量指標的實現，特別是一致性和穩定性的控制，還一直存在較大難度。

5 結束語

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品或商品。軸承對滾動體的種種技術要求，構成了滾動體應具有的最基本、同時也是最高端的技術質量特性或特征。

我國鋼球的加工制造水平進步十分顯著，很多企業的產品質量已接近和達到世界先進水平，但在陶瓷球這一高新技術產品領域，目前還處于初級階段。滾子的加工制造技術一直比較落后，長期徘徊于僅能生產低公差等級產品的局面，已成為制約我國滾子軸承質量的首要關鍵因素，目前，已有個別企業能夠生產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。

隨著科技的不斷發展和主機的更高要求，軸承的科技進步是無止境的，相應，對于滾動體的技術質量要求也越來越高。首先解決材質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，特別應著重于高公差等級滾子問題的解決，在滿足標準要求的基礎上努力提高實物質量水平，不斷跟蹤世界先進技術發展動向，滾動體產品一定會取得巨大進步，也必將會對軸承產品的技術質量水平提高起到積極的推動作用。