我國鋼球加工工藝設備的現狀及發展趨勢

張永乾，吳朝陽

(1.中國軸承工業協會技術委員會 滾動體專業委員會，河南 洛陽 471039;2.常州光洋軸承有限公司，江蘇 常州 213002)

1 概述

鋼球是球體形狀的零件，其整個表面既是工作面，又是加工中的基準面和支承面。鋼球的加工具有獨特的專業化特征，對原材料的質量、工藝水平和加工設備的要求都非常高。

在原材料和工藝技術保持相對穩定和適用的情況下，鋼球加工設備直接影響鋼球的精度。不同的工藝方法要求不同的加工設備，先進的工藝必須通過先進的鋼球加工設備來實現。隨著鋼球加工設備的不斷改進和技術創新，推動了鋼球加工工藝水平及加工精度的提高，所以鋼球加工設備是鋼球加工的關鍵和基礎。

國內鋼球加工設備經過50余年的發展，已經成為由專業化生產企業制造、滿足所有加工工藝需求和工藝過程、品種齊全的一大類專業設備系列。鋼球加工設備按工藝過程可分為8大類。

(1)球坯成形設備：冷鐓機，熱軋機及沖壓機；

(2)鋼球光磨設備：立式光球機，臥式光球機；

(3)鋼球熱處理設備：回轉熱處理爐，可控氣氛熱處理線；

(4)鋼球表面強化設備：表面強化機；

(5)鋼球硬磨設備：立式磨球機，臥式磨球機；

(6)鋼球研磨機：立式研磨機，臥式研磨機；

(7)清洗包裝設備：超聲波清洗機，螺旋清洗機，高壓噴射清洗機及涂油包裝線；

(8)鋼球系列檢測儀器：渦流探傷儀，外觀檢查儀及分選儀等。

專業生產鋼球加工設備的企業主要有河南新機股份有限公司(新鄉日升公司前身)和安慶機床有限公司等。制造生產Z32系列鋼球自動冷鐓機、Z32G系列高速鋼球自動冷鐓機；3M7466，3ML4980，3M4980，3M7980鋼球光球機，3M7990，3M7995臥式大球光球機；3M7166，3ML4680，3M4680，3M7680，3M7690鋼球磨球機；3M7266，3ML4780，3M7780，3M7790鋼球研球機，3M77系列L型低重心結構臥式鋼球樹脂砂輪磨研機；還有鋼球渦流探傷機、鋼球超聲波清洗機、熱處理爐、熱軋鋼球球坯專用生產線以及鋼球研磨板、研磨液、專用砂輪和金剛石修整器等。

2 鋼球基本加工工藝與加工設備進展

1950—1960年我國主要模仿前蘇聯的鋼球加工工藝和加工設備；1970年完成以光磨工藝替代銼削與軟磨工藝的攻關，并同期研制出3M4630臥式鋼球磨球機和3M4930臥式鋼球光球機；1980年完成大循環水劑精研工藝攻關，研發出3M4730立式鋼球精研機和3ML4780立式鋼球研球機，使我國鋼球制造水平和質量得到大幅度提高，滿足了低噪聲軸承的裝配需要，但與國外鋼球質量仍有較大差距；1990年鋼球行業瞄準國際鋼球先進水平，從鋼球加工工藝的各個方面進行仔細研究，推廣鋼球樹脂砂輪磨研(以磨代研)新工藝。河南新機股份有限公司研制出的3M77系列適合樹脂砂輪磨研工藝的研磨機使鋼球批量質量穩定性得到大幅度提高，表面質量明顯改善，鋼球單粒振動進一步降低，和軸承合套率明顯提高，特別是在消除軸承異常聲方面效果顯著。真正實現了G5鋼球穩定、批量的定制生產，使鋼球幾何精度達到國際先進水平。

隨著鋼球加工設備的發展，目前國內鋼球的基本加工工藝過程為：原材料檢查 → 冷鐓(熱鐓、熱軋、切料、沖壓) → 光磨 → (軟磨)→熱處理 → 硬磨 → (表面強化) → 初研 (細磨)→ 精研 (精磨)→(渦流探傷、外觀檢查)→ 超精研(超精磨)→ (光學外觀)→ 清洗防銹 → 成品檢查 → 成品包裝。在每道工序之間根據需要進行清洗防銹、干燥烘干、挑揀工序缺陷球和質量控制檢查，工藝質量控制指標更加嚴格(如目前硬磨的球形誤差控制基本達到了原初研的控制指標)，工藝工裝和工藝細節的控制更加完善，對汽車軸承等專用鋼球進行100%渦流探傷和光電外觀。可以穩定批量生產G5，G10鋼球，滿足不同軸承的裝配要求。

3 鋼球加工設備水平

從1949年瓦軸制造出第一臺鋼球磨球機，生產出中國首批鋼球開始，鋼球加工設備和加工工藝不斷進步和創新。隨著1952年從前蘇聯引進自動冷鐓機，國內開始設計開發制造鋼球自動鐓球機、銼球機、磨球機和研磨機。1980年國內先后從德國、日本和美國等引進鋼球高速冷鐓機、精研設備、熱處理設備、清洗設備、渦流探傷設備和鋼球加工生產線，推動了鋼球設備的創新開發步伐和技術進步，促進了鋼球加工工藝水平的不斷完善和鋼球質量的穩定提高。目前國內所有工序的鋼球加工設備全部實現國產化，光、磨、研設備的制造精度和綜合性能達到國際同類產品的先進水平。可加工鋼球直徑0.5～200 mm，裝球量200～1 000 kg，設備主軸運轉徑跳和端跳達到0.008 mm，采用了自動加壓保壓系統、交流變頻調速系統和滾動直線導軌等先進技術，保證設備的工作性能和穩定性。用國產設備制造的鋼球尺寸精度、振動及穩定性與日本AKS公司的鋼球質量水平相當，已能為世界著名軸承公司SKF，INA，KOYO，NTN和TIMKEN等配套高精度鋼球。

河南新機股份有限公司生產鋼球光、磨、研全系列加工設備，球板直徑400～950 mm，達9種之多，品種近40個，成為國內最大、系列最全的鋼球加工工藝設備制造企業，產品出口美國、德國、日本、韓國、印度、臺灣等國家和地區。近年開發制造的設備主要有：3M7466立式鋼球光球機、3M7980A臥式鋼球光球機、3M7995臥式大球光球機；3M7166立式鋼球磨球機、3M4680C臥式鋼球磨球機；3ML4780C立式鋼球研球機、3M7266立式鋼球研球機、3ML4775立式鋼球研球機、3M7780A/XX臥式鋼球研球機、3M7790A，3M7795/XX和3M7790/XX臥式大球研球機。尤其是臥式L型低重心3M77系列采用樹脂砂輪以磨代研鋼球研磨機，一直以來以精度高、質量穩定而在鋼球行業享有盛譽，隨著該工藝技術的廣泛推廣與應用，實現了G5低噪聲鋼球的大批量穩定生產。近幾年在此基礎上又對加工大球的臥式90，95系列的光、磨、研設備進行了強勢開發，無齒輪傳動、恒壓加工、變頻調速、整體橋板、大裝球量及降噪等新技術、新結構用于該類設備的研制，在鋼球行業成功推廣并得到認可。與此同時，率先在立、臥式鋼球設備上采用交流變頻技術，使得加工過程中主軸轉速及對應的工作壓力實現平滑轉化，提高了鋼球加工質量。

安慶機床有限公司生產的光、磨、研鋼球加工設備中3M49，3M79系列鋼球光球機體現出獨特的設計和制造技術，具有良好的加工效率和可靠性。2008年成功開發了3M77系列鋼球研磨機，使用了光柵定位及自車盤裝置，保證了設備的定位精度和精度保持性。

上海崇明機床廠制造磨、研加工系列設備，尤其是在3M77系列鋼球研磨機制造方面有獨到的工藝技術，制造的3M7790大球加工設備的剛性和效率都比較高，并與德國SMS公司共同研發鋼球精研機，向德國出口。齊齊哈爾機床廠及濟南順達機械有限公司等制造冷鐓設備。上海征佳公司專業制造研磨設備。

日本在我國的獨資公司已采用我國生產的鋼球加工設備，但是應該看到，在高速冷鐓機的開發制造和可靠性以及相關設備的技術水平等方面與國外仍有較大差距，還需要不斷技術創新，以滿足鋼球行業的需要。

4 鋼球加工設備

4.1 冷鐓、熱軋球設備

冷鐓、熱鐓、熱軋球設備可實現球坯快速高效成形，已經形成了Z32系列。

4.2 光球設備

光球設備對冷鐓、熱鐓、熱軋球坯進行高效加工，保證鋼球具有一定的留量、尺寸精度和表面質量，形成了3M49和3M79系列，機床結構有立式和臥式2種。

3ML4980立式鋼球光球機采用大循環加工，主傳動機械變速，下盤轉動，上盤移動，工作壓力由液壓加壓，彈簧保壓，環形輸球料盤采用變頻無級調速，有“斷流”保護裝置，故障自動報警系統。球板直徑800 mm，裝球量400 kg，符合后續加工節拍，光球精度可達到球形誤差20 μm，批直徑變動量40 μm，表面粗糙度Ra為6.3 μm。

80，90，95系列臥式鋼球光球機采用臥式布局，傾斜料盤大循環加工，變頻無級調速，液壓驅動加壓，蓄能器保壓，主軸轉速由雙速電動機控制，有“斷流”保護裝置。球板直徑800～950 mm，裝球量350～1 000 kg，符合后續加工節拍，光球精度可達到球形誤差20 μm，批直徑變動量40 μm，表面粗糙度Ra為6.3 μm。

4.3 硬磨設備

硬磨設備對熱處理后的球坯進行高效加工，保證鋼球具有一定的留量、尺寸精度和表面質量，形成了3M4680和3M76系列，機床結構有立式和臥式2種。

3ML4680立式鋼球磨球機采用大循環加工，主傳動機械變速，下盤轉動，工作壓力由液壓加壓，彈簧保壓，環形輸球料盤采用變頻無級調速，砂輪自動修整，故障自動報警系統。球板直徑800 mm，裝球量350 kg，符合后續加工節拍，磨球精度可達到球形誤差3 μm，批直徑變動量6 μm，表面粗糙度Ra為0.4 μm。

3M4680C臥式鋼球磨球機采用臥式布局；主軸采用變頻調速；傾斜料盤或平料盤大循環加工，變頻無級調速；液壓驅動偏心加壓，常開式液壓站連續供油保壓；主軸設有悶車保護；砂輪自動修整，故障自動報警系統。球板直徑800 mm，裝球量400 kg，符合后續加工節拍，球形誤差可達到3 μm，批直徑變動量6 μm，表面粗糙度Ra為0.4 μm。

4.4 表面強化設備

表面強化是把鋼球裝入直徑為1 m左右、帶有提升斗的臥式滾筒機中，提升斗將熱處理后的鋼球提升至筒內最高處落下，利用鋼球落下的動能使鋼球相互碰撞，在表面產生彈塑性形變，形成冷作硬化層和壓應力。由此可使表面強化層硬度提高1～3 HRC，鋼球耐磨性提高1.5～2倍。

4.5 研磨設備

研磨設備對硬磨后的鋼球進行最終工序加工，保證成品鋼球的形狀尺寸精度和表面質量，是發展較快的機床，也是近年鋼球行業開發的重點，形成了3M7266，3ML4780，3M7770和3M7780系列，機床結構有立式和臥式2種。

立式鋼球研磨機3ML4780C采用大循環加工，主傳動變頻無級調速，下盤轉動，工作壓力由液壓偏心加壓，彈簧保壓，環形輸球料盤采用變頻無級調速，采用水劑研磨，故障自動報警系統。球板直徑800 mm，裝球量250 kg，符合加工節拍，研磨球精度等級可達到G5～G10。

臥式鋼球研球機3M7780A采用臥式布局，L型低重心床身；加壓與滑動機構相分離，滾動直線導軌定位；平料盤大循環加工，主軸和料盤變頻無級調速；由變量泵控制的常開式液壓站連續供油保壓；主軸設有悶車保護，電氣PC控制，故障自動報警系統。球板直徑800 mm，裝球量250～400 kg，符合后續加工節拍，研磨球精度等級可達到G5～G10。

樹脂砂輪磨研工藝是1990年發展的鋼球加工新工藝，保證鋼球表面質量均勻性和降低鋼球振動值，實現鋼球加工定時、定尺寸、定精度的定制制造工藝規范。為適應鋼球樹脂砂輪磨研加工工藝，開發了3M7766，3M7770和3M7780A等系列臥式機床。機床采用敞開式、高-低結合、低重心L型整體結構；主軸結構獨具特色，轉動盤的端面跳動與徑向跳動在0.01 mm以內，甚至可以達到0.005 mm；加壓與滑動機構相分離，固定板架完全固定，主軸頭架移動采用重預緊零間隙的滾動直線導軌；后部由與之相聯的油缸驅動加壓，克服了由于油缸定位造成兩盤平行度在加壓和不同位置時的變化，保證機床重復定位精度；獨特的轉動研磨板與固定研磨板調心機構；主軸與料盤傳動系統采用變頻無級調速，也為使用鑄鐵板研磨或者樹脂砂輪研磨有不同工藝轉速的選擇；機床的進球口部位、主傳動皮帶輪處以及料盤旋轉部位均設有監控裝置，出現故障整機停機報警；電氣系統采用PC機控制，保證電氣控制系統性能和設備運行的可靠性和穩定性。磨研球加工精度等級穩定達到G5。

4.6 鋼球加工設備聯線配置

隨著我國軸承產量的增加，同規格的鋼球需求量可達到上億粒，這就為鋼球聯線設備配置生產提供了可能。一般配置方法為：1臺高速冷鐓機、1臺光球機、1臺磨球機和3～6臺研磨機(包括初研、精研和超精研工序)組成軟聯線，常年進行一種規格鋼球的生產，可保證鋼球質量的穩定性，同時也較大幅度地減少了磨具消耗，利于管理和降低制造成本。

4.7 鋼球加工主要工磨具

鋼球加工所需的工磨具主要包括鑄鐵研磨板、專用砂輪(樹脂砂輪)、研磨液、磨料、金剛石修整器、冷鐓模及切料刀板套筒等，目前已經形成專業化生產。但國內在鑄鐵超精研板、樹脂砂輪和樹脂砂輪研磨液等方面與國外仍有較大差距，還需進一步研發。

5 發展趨勢

鋼球的光、磨工序仍處于高能耗、高噪聲及低環保狀況，已不符合國家的環保發展要求。高效節能、低噪聲的鋼球光、磨設備應是今后設備制造企業的努力方向，研球機的加工要求采用CNC技術、智能化遠程控制技術和在線測量技術，以實現自動控制，將鋼球加工精度穩定提高到G3水平。目前河南新機股份有限公司已走在國內同行的前面，與鋼球制造企業聯手協作開發了新型的節能、低噪聲鋼球光、磨設備和數控研球加工設備。相信在未來我國鋼球加工設備更新換代的速度會更快。

6 設備的需求

隨著軸承行業的發展，我國鋼球行業也得到了飛躍式提升，特別是近20年取得了顯著成果，每年新增產能達到20%以上，質量穩步提高。鋼球行業的發展極大地促進了鋼球設備的旺盛需求，近年來高檔鋼球加工設備的需求量以年均30%以上的速度遞增。根據軸承行業“十二五”發展規劃，預計鋼球加工設備需求的遞增要持續10年以上，2009年全行業新增高檔設備100余臺，2011年市場需求量可達2 000臺左右，到2015年全行業需求高檔加工設備將達3 000臺以上。

鋼球加工設備產業集中度高，河南新機股份有限公司、安慶機床有限公司、上海崇明機床廠、上海群英機械有限公司和齊齊哈爾機床廠等主要設備制造企業的產品占到市場份額的90%以上，其中河南新機股份有限公司作為軸承行業的骨干企業之一，多年來與專業研究機構和富有創新精神的鋼球生產企業密切合作，緊跟世界鋼球加工先進技術，銷售收入一直雄踞行業榜首，市場占有率穩定在50%以上。

7 結束語

為實現我國由軸承大國向軸承強國的轉變，鋼球加工設備還應在如下方面進一步加強：(1)高速自動冷鐓機的穩定批量生產；(2)渦流探傷機的研制；(3)光學外觀機的研制；(4)鋼球清洗機的研制；(5)鋼球加工設備的聯線合理配置；(6)鋼球加工設備在線測量和數控技術的研制。總之，鋼球加工設備需要緊跟國際先進水平，并持續創新，為鋼球和軸承行業的技術進步作出更大貢獻。