探索 | 球磨機140周年：軸承滾珠的制造藝術

作者：中瑞軸承
發(fā)布時間：2024-06-25
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形狀完美的鋼球作為軸承的滾動體，其制造精度可以達到微米級：這一卓越制造工藝的出現(xiàn)可以追溯到140年前。1883年，用于鋼球制造的專用設備——球磨機被發(fā)明出來，開啟了滾動軸承的工業(yè)化旅程。今天，滾動軸承已成為機器精確運轉(zhuǎn)和平穩(wěn)加速的關鍵機械元件。

滾動能夠最大程度地減少摩擦，這也是滾動軸承的基本原理，簡單而巧妙。滾動軸承自被發(fā)明以來，其基本結(jié)構(gòu)沒有太大變化：由一個外圈、一個內(nèi)圈和一個保持架構(gòu)成，保持架負責保持住滾珠并將其均勻地隔離開。1794年，英國發(fā)明家菲利普?沃恩（Philip Vaughan）獲得了球軸承的發(fā)明專利。在他的設計中，滾珠在深槽中滾動，并用塞子封住?？梢哉f，這個現(xiàn)代球軸承的“鼻祖”與今天的球軸承在結(jié)構(gòu)上并沒有什么不同。沃恩將其用在馬車車軸上，這在當時可謂一種別出心裁的設計。

今天，球軸承早已成為全球用量達到數(shù)十億的標準部件，大部分用于汽車、飛機、風力發(fā)電機、起重機等領域。牙科電鉆和電腦硬盤中也有球軸承的身影，這些尺寸極小的部件默默無聞，“不辭辛勞”地工作著。球軸承還廣泛應用于吸塵器、拉桿箱、轉(zhuǎn)盤或食品加工機中，確保設備實現(xiàn)精確穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)運動。據(jù)專家估算，目前有超過10萬種不同設計和型號的球軸承。除此之外，還有許多不采用滾珠的軸承，如滾針軸承、調(diào)心滾子軸承、圓柱滾子軸承、滑動軸承、直線軸承和推力軸承等。簡而言之，沒有這些默默無聞的“幕后英雄”，世界將會停滯不前。

球磨機：球軸承革命性突破

球軸承的核心部件是滾珠，在專業(yè)術語中，這些滾珠也被稱為滾動體。它們直接關系到軸承的運行穩(wěn)定性。盡管沃恩發(fā)明的球軸承在馬車車軸應用中與以往滑動軸承相比是一項重大技術突破，但是，軸承采用手工磨制的鑄鐵鋼球，與精密制造的產(chǎn)品相比仍存在巨大差距。這些鋼球必須通過手工費力地去除毛邊，然后打磨成盡可能圓的形狀。

過去，球坯是鑄造而成的。今天，得益于先進的制造技術，被切割成小塊的金屬線材在幾分之一秒內(nèi)就能壓制出球坯 ?舍弗勒

此外，與今天的球軸承相比，沃恩發(fā)明的球軸承在運行中往往吱嘎作響，很難算得上平穩(wěn)運行。這一技術瓶頸的突破，要歸功于一位名為弗里德里希?費舍爾（Friedrich Fischer）的德國人的一項發(fā)明。1883 年，這位來自德國施韋因富特的鎖匠和車工在他的作坊里經(jīng)過多年的修補之后，用他自己研制的球磨機，成功做出了第一個可實現(xiàn)工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)的淬火鑄鐵鋼球。這些鋼球不僅大小完全相同，而且達到了完美的圓形。

舍弗勒球軸承小知識

1883年：弗里德里希?費舍爾發(fā)明球磨機

1890年：弗里德里希?費舍爾發(fā)明的球磨機獲得（德國）帝國專利局專利（專利號55783）

軸承滾動體的主要材料是鋼和陶瓷。鋼球尺寸通常在1至100毫米之間，陶瓷球尺寸在3至50毫米之間。滾動軸承主要應用于航空航天、工業(yè)和汽車等領域。

球磨機：1883年球磨機模型的復制品，原型目前陳列于慕尼黑的德意志博物館中 ?舍弗勒

滾珠制造技術今非昔比

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費舍爾采用了一種用于大理石打磨的工藝，在他的操作中實現(xiàn)了低至20微米的精度，這是以前從未達到過的水平。對比來看，中歐人的頭發(fā)直徑約為70-80微米。1890 年，球磨機獲得專利，為球軸承帶來了全球性的技術突破——采用費舍爾球磨機制造的精密滾動體，球軸承運轉(zhuǎn)起來更加平順，因為鋼球越接近理想的幾何形狀，產(chǎn)生的摩擦阻力就越小。

今天，舍弗勒生產(chǎn)的軸承滾珠甚至可以達到幾微米的精度。對于肉眼來說，這些銀光閃閃的鋼珠表面質(zhì)量的微小差異是無法察覺的——這不僅是因為鋼珠的表面光滑無瑕，還因為生產(chǎn)速度實在是太快了：轟隆運轉(zhuǎn)的機器一秒鐘就可以噴出大量鋼珠。與滾珠生產(chǎn)領域的先驅(qū)費舍爾所處時代不同，鑄鐵技術在無處不在的滾動體生產(chǎn)中早已被淘汰。今天，滾珠作為軸承生產(chǎn)中最具挑戰(zhàn)性的部件，無論大小，都是通過七個步驟生產(chǎn)出來的：線切割、冷鐓、去毛刺、淬火、磨削、預研磨和后研磨。

傳感器軸承

長期以來，滾動軸承基本結(jié)構(gòu)都大致相同。隨著傳感器軸承的出現(xiàn)，情況發(fā)生了變化。這類軸承可為機器和過程監(jiān)控提供多種監(jiān)測數(shù)據(jù)，作為機械和電子系統(tǒng)之間的連接紐帶，可實現(xiàn)工業(yè)4.0解決方案。通過傳感器獲得的轉(zhuǎn)速、溫度或力負荷等數(shù)據(jù)可實現(xiàn)對組件的遠程監(jiān)控。信號曲線的明顯變化可以預測將要發(fā)生的故障，避免整臺設備出現(xiàn)停機，造成高昂的損失。此外，連續(xù)數(shù)字監(jiān)控還能夠幫助延長設備的維護周期。

球軸承滾珠的極限挑戰(zhàn)

電機軸承中的鋼球磨損相對較快，此類應用也開始采用陶瓷球。陶瓷球由陶瓷粉末制成，壓制成型后進行燒結(jié)。陶瓷是一種絕緣材料，

不會受到電流侵蝕。即使沒有潤滑油膜，陶瓷球軸承的使用壽命也比鋼球軸承稍長，且軸承不會受到損壞。但是，由于生產(chǎn)成本較高，陶瓷球的成本約為鋼球的十倍，但維護周期長。因此，陶瓷球通常用于風力渦輪機軸承，有助于降低風機維護起重機的高昂費用。

圓度為160納米的舍弗勒Triondur-C涂層鋼球 ?舍弗勒

21.26米

這是舍弗勒最圓鋼球的滾動距離。這一重500克、直徑5厘米的高精密鋼球在日本一檔名為 “手工vs高科技 ”的電視節(jié)目中創(chuàng)下了這一紀錄。正如節(jié)目名稱顯示的那樣，舍弗勒團隊向橫濱一家手工工廠制作的玻璃球發(fā)起挑戰(zhàn)。圓度達到160納米的舍弗勒Triondur-C涂層鋼球最終不敵日本工廠的玻璃球，后者的成績?yōu)?0米，但舍弗勒的鋼球依然創(chuàng)造了一項紀錄。結(jié)果也在意料之中：玻璃球重量較輕，加上滾道的形狀都使其優(yōu)勢更為明顯。

舍弗勒專家向日本電視攝制組介紹高精密軸承球的優(yōu)點和技術細節(jié) ?舍弗勒

完美的滾珠從鋼絲開始，線材纏繞在大軋輥上，然后放在壓球機上，送入機器切斷。隨后，兩個半球形模具以大約10公噸的力相互擠壓，使線材形成球狀，從而得到帶有所謂土星環(huán)和桿的坯件。在下一道去毛刺工序中，這些不規(guī)則部分被去除，球體變得更加圓滑。然后，將未完成的球放入熔爐中加熱硬化，然后再放入油中冷卻。這將使球體以更加堅固的方式排列球體的原子結(jié)構(gòu)。在研磨過程中，無論是預研磨還是后研磨，球體是采用陶瓷甚至金剛石粉末等高科技材料加工的。為保證質(zhì)量，鋼球在專門的測量室中隨機抽取檢測，包括球的圓度和粗糙度。然后是清洗，對每個球進行表面檢測，最后是包裝。

作者：Denis Dilba

摘自：舍弗勒集團技術期刊tomorrow