探索 | 球磨機140周年：軸承滾珠的制造藝術(shù)

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(shè)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(guān)鍵機械元件。

滾動能夠程度地減少摩擦，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(shè)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(shè)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(fēng)力發(fā)電機、起重機等領(lǐng)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(yīng)用于吸塵器、拉桿箱、轉(zhuǎn)盤或食品加工機中，確保設(shè)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(shè)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(shù)語中，這些滾珠也被稱為滾動體。它們直接關(guān)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(yīng)用中與以往滑動軸承相比是一項重大技術(shù)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(shù)，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

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(shù)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(yīng)用于航空航天、工業(yè)和汽車等領(lǐng)域。

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

滾珠制造技術(shù)今非昔比

<<軸承滾珠生產(chǎn)工藝對比  >>

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(shù)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(lǐng)域的先驅(qū)費舍爾所處時代不同，鑄鐵技術(shù)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(yù)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(yù)測將要發(fā)生的故障，避免整臺設(shè)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(shè)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(yīng)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(fēng)力渦輪機軸承，有助于降低風(fēng)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

21.26米

這是舍弗勒圓鋼球的滾動距離。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(shù)細節(jié)

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(yù)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，臨末是包裝。

作者：Denis Dilba

摘自：舍弗勒集團技術(shù)期刊tomorrow