Как изготавливаются шарикоподшипники? Руководство по глубоким канавкам

Шариковые подшипники изготавливаются посредством точного многоэтапного производственного процесса, который начинается с изготовления высококачественных стальных стержней или трубок и заканчивается шлифовкой компонентов с максимально жесткими допусками. ±0,001 мм . Процесс включает в себя формовку, термообработку, шлифовку, суперфинишную обработку, сборку и проверку — каждый этап имеет решающее значение для достижения нагрузочной способности, точности вращения и срока службы, которые должен обеспечить подшипник.

Радиальные шарикоподшипники — наиболее широко производимый тип подшипников в мире — используют тот же процесс, но с дополнительными требованиями к точности глубоких канавок дорожек качения, которые дают им возможность одновременно выдерживать как радиальные, так и осевые нагрузки. Радиальные шарикоподшипники из нержавеющей стали придерживаются той же последовательности, но используют коррозионностойкие марки стали, требующие измененных параметров термической обработки. В этой статье подробно описан каждый этап.

Сырье: какая сталь идет на шарикоподшипники

Выбор материала для шарикоподшипника определяет все: от твердости и усталостной долговечности до коррозионной стойкости и максимальной рабочей температуры. Большинство стандартных радиальных шарикоподшипников изготавливаются из хромированная сталь AISI 52100 (эквивалент 100Cr6 в европейских стандартах), высокоуглеродистая подшипниковая сталь, легированная хромом, поверхностная твердость которой достигает 58–65 HRС после термообработки — достаточно тверд, чтобы противостоять контактной усталости в течение сотен миллионов циклов напряжений.

Стандартная хромированная сталь (AISI 52100/100Cr6)

Эта сталь содержит около 1,0% углерода и 1,5% хрома , что придает ему исключительную прокаливаемость и усталостную устойчивость. Он закален насквозь — это означает, что все поперечное сечение достигает одинаковой твердости, а не только поверхность. AISI 52100 является глобальным материалом по умолчанию для внутреннего кольца, наружного кольца и шариков в стандартных радиальных шарикоподшипниках.

Нержавеющая сталь для коррозионностойких подшипников

В радиальных шарикоподшипниках из нержавеющей стали используются мартенситные марки нержавеющей стали, чаще всего АИСИ 440С (высокоуглеродистый вариант) или AISI 440B. AISI 440C содержит примерно 1,0% углерода и 17% хрома. , который образует пассивный поверхностный слой оксида хрома, обеспечивающий превосходную устойчивость к влаге, слабым кислотам и соляному туману. После термообработки AISI 440C достигает 58–62 HRc — немного мягче, чем 52100, что дает примерно Номинальная нагрузка на 20–30 % ниже. по сравнению с эквивалентными подшипниками из хромированной стали.

Для пищевой, морской, фармацевтической и химической промышленности, где риск загрязнения делает этот компромисс оправданным, стандартными спецификациями являются радиальные шарикоподшипники из нержавеющей стали. Некоторые производители также предлагают нержавеющая сталь AISI 316 для экстремальных коррозионных сред, хотя этот аустенитный сорт не поддается закалке и для компенсации требует керамических шариков.

Материалы клетки и уплотнения

• Клетки: Штампованная низкоуглеродистая сталь (наиболее распространенная), прессованная латунь, обработанный полиамид (PA66) или PEEK для высокотемпературного применения.
• Щиты (суффикс ZZ): Листовая сталь — удерживает смазку и удаляет крупные загрязнения без контакта с внутренним кольцом.
• Уплотнения (суффикс 2RS): Нитриловый каучук (NBR) для стандартного применения; фторуглерод (FKM/Viton) для химической или высокотемпературной эксплуатации; ПТФЭ для бесконтактных вариантов с низким коэффициентом трения

Шаг 1 — Формирование внутреннего и внешнего колец

Производство колец начинается со стального прутка или бесшовной трубы, химический состав и внутренняя чистота которых проверены. Включения и микропустоты в стали являются основной причиной преждевременной усталости подшипников, поэтому аттестация материала не является обязательной.

Холодная или горячая ковка

Для подшипников большего размера (диаметр отверстия более 30 мм) используются стальные заготовки. горячая ковка при температуре 900–1100°С на черновые кольцевые заготовки. Ковка выравнивает структуру зерен стали по окружности кольца, что является важным преимуществом, поскольку она ориентирует наиболее сильное направление зерен, чтобы противостоять окружным напряжениям, которые испытывает кольцо при эксплуатации. Для радиальных шарикоподшипников меньшего размера: холодная штамповка Заготовок труб является обычным явлением, при этом образуется меньше отходов материала и требуется меньше последующей механической обработки.

Токарная обработка (механическая обработка)

После ковки заготовки колец обрабатываются на токарных станках с ЧПУ для получения их основных размеров — наружного диаметра, внутреннего отверстия, ширины и исходной формы канавки дорожки качения. На этом этапе подрезаются размеры. Припуск 0,1–0,5 мм оставить запас для последующего измельчения. Профиль глубокой канавки — полукруглый канал, контактирующий с шариками, — формируется здесь до предварительной геометрии, которая будет уточняться посредством многократного шлифования.

Затем точеные кольца промывают, проверяют размеры и готовят к термообработке. Любые поверхностные дефекты, обнаруженные на этом этапе — трещины, нахлесты или швы — являются основанием для браковки, поскольку термическая обработка зафиксирует любые существующие дефекты.

Шаг 2 — Термическая обработка: достижение твердости подшипника

Термическая обработка является наиболее важным с металлургической точки зрения этапом производства шарикоподшипников. Он превращает мягкие, поддающиеся механической обработке стальные кольца в твердые, устойчивые к усталости компоненты подшипников. Неправильная термическая обработка — неправильная температура, неправильная скорость закалки или недостаточный отпуск — приводит к тому, что подшипники выходят из строя в течение нескольких часов, а не лет.

Процесс сквозной закалки для AISI 52100

1. Аустенизация: Кольца нагреваются до 820–860°С в печи с контролируемой атмосферой (чтобы предотвратить обезуглероживание поверхности) и выдерживают при температуре до полной аустенизации — обычно 20–60 минут в зависимости от толщины сечения.
2. Закалка: Кольца быстро охлаждаются путем погружения в масло (чаще всего) или принудительной закалки газом. Быстрое охлаждение превращает аустенит в мартенсит — твердую, центрированную тетрагональную кристаллическую структуру, которая придает подшипниковой стали твердость. Скорость закалки должна быть достаточно высокой, чтобы предотвратить образование более мягких перлитных или бейнитных фаз.
3. Криогенная обработка (необязательно, но все чаще): Погружение в жидкий азот при -196°С в течение 4–24 часов преобразует остаточный аустенит — более мягкую метастабильную фазу — в мартенсит, улучшая стабильность размеров и усталостную долговечность до 20%.
4. Закалка: Кольца повторно нагреваются до 150–180°С и выдерживали в течение 1–4 часов для снятия закалочных напряжений при сохранении твердости. Окончательная твердость после отпуска: 60–64 HRС . Более высокие температуры отпуска еще больше снижают хрупкость, но приносят в жертву некоторую твердость.

Термическая обработка радиальных шарикоподшипников из нержавеющей стали (AISI 440C)

AISI 440C требует аустенизации при более высокой температуре. 1010–1065°С с последующей закалкой в масле или на воздухе, а затем отпуском при 150–175°С . Более высокая температура аустенизации необходима для растворения карбидов хрома, присутствующих в этом сорте. Окончательная твердость достигает 58–62 HRc . Крайне важно избегать отпуска при температуре выше 400°C — при этом карбиды хрома выделяются на границах зерен, что резко снижает коррозионную стойкость в процессе, называемом сенсибилизацией.

Шаг 3 — Шлифование колец до окончательных размеров

После термообработки кольца слишком сложно разрезать обычными инструментами — только шлифовка абразивными кругами позволяет добиться необходимой точности размеров и качества поверхности. Шлифование представляет собой многопроходный процесс, при котором каждая операция воздействует на определенную поверхность и постепенно ужесточает допуски.

Последовательность шлифования кольца радиального шарикоподшипника

1. Лицевая шлифовка: Обе боковые поверхности отшлифованы и параллельны с допуском ±0,005 мм или выше, что обеспечивает исходную точку отсчета для всех последующих операций.
2. Шлифование наружного диаметра (НД): Внешний диаметр наружного кольца и отверстие внутреннего кольца отшлифованы до заданного диаметра. Для стандартного подшипника с классом точности P0 (нормальный) допуск отверстия обычно составляет 0/-0,012 мм для отверстия диаметром 20 мм.
3. Шлифование канавок дорожки качения: Самая ответственная операция. Шлифовальные круги с фасонной правкой вырезают глубокую полукруглую канавку до заданного радиуса — обычно 51,5–53% диаметра шара. для радиальных шарикоподшипников. Радиус канавки строго контролируется, поскольку он напрямую определяет угол контакта шарика, распределение нагрузки и шум при работе.
4. Суперфинишная (хонингование) дорожек качения: Вибрирующие абразивные камни удаляют следы направленного шлифования, оставленные кругом, создавая ровную поверхность со значениями Ra 0,02–0,1 мкм . Такая почти зеркальная обработка необходима для минимизации контактного напряжения, уменьшения трения и достижения рисунка Бринелля, который удерживает смазочную пленку.

Подшипники класса точности (P6, P5, P4 по ISO 492) требуют все более жестких допусков на каждом этапе шлифования. Подшипник класса P4 имеет размерные допуски примерно в 4 раза плотнее чем стандартный подшипник P0, и используется в шпинделях станков, оборудовании для медицинской визуализации и прецизионных инструментах.

Шаг 4 — Изготовление шаров

Тела качения — сами шарики — производятся посредством совершенно отдельного процесса, который, возможно, является самым требовательным во всей цепочке поставок подшипников. Округлость шарика, качество поверхности и постоянство диаметра напрямую определяют шум подшипника, вибрацию и усталостную долговечность.

1. Холодный заголовок: Стальная проволока подается в машину холодной высадки, которая режет небольшую заготовку и холодным способом формирует ее между двумя матрицами в шероховатую сферу с характерным экваториальным «мягким» кольцом. Кольцо оплавления — это лишний материал, выдавленный между матрицами — его необходимо удалить на следующем этапе.
2. Удаление прошивки (депрошивка): Необработанные шарики падают в канавку между двумя чугунными пластинами, отрывая кольцо оплавления и придавая ему более сферическую форму. На этом этапе шарики еще примерно Припуск 0,1–0,3 мм с шероховатостью поверхности Ra 0,8–1,6 мкм.
3. Термическая обработка: Шарики подвергаются тому же процессу сквозной закалки, что и кольца: аустенитизации, закалке и отпуску для достижения 62–66 HRС . Шарики обычно закаливаются до немного большей прочности, чем кольца, поскольку они испытывают самые высокие контактные напряжения Герца в подшипнике.
4. Жесткое шлифование: Закаленные шарики шлифуются между вращающимися чугунными пластинами с помощью абразивного состава, уменьшая их до почти конечного размера и улучшая сферичность. Многократные проходы с использованием более мелкого абразива уменьшают излишки примерно до 5–25 мкм .
5. Притирка и суперфинишная обработка: Окончательная притирка между прецизионными пластинами дает шарики с ошибками сферичности (отклонением от идеальной сферы) 0,1–0,25 мкм для шариков класса 10–25, используемых в стандартных радиальных шарикоподшипниках. Шарики класса точности 3, используемые в прецизионных подшипниках, достигают сферичности в пределах 0,08 мкм и шероховатость поверхности ниже Ra 0,012 мкм.
6. Сортировка по диаметру: Готовые шарики сортируются по группам диаметров с допусками ±0,25 мкм за группу. Все шарики, используемые в одном подшипнике, должны быть одной и той же группы диаметров, чтобы обеспечить равное распределение нагрузки между всеми шариками в комплекте.

Шаг 5 — Изготовление клетки

Сепаратор (фиксатор) сохраняет одинаковое расстояние по окружности между шариками, предотвращает контакт шариков с шариками и направляет смазку к зонам контакта. Это само по себе прецизионный компонент, несмотря на то, что он менее требователен к механическим воздействиям, чем кольца или шарики.

• Штампованные стальные сепараторы: Листовая сталь вырубается, формуется и протыкается, образуя две полуобоймы, которые склепаны вместе вокруг шарового узла. Это наиболее распространенный тип сепаратора в стандартных радиальных шарикоподшипниках из-за его низкой стоимости и адекватных характеристик вплоть до умеренных скоростей.
• Механически обработанные латунные сепараторы: Выточена на станке с ЧПУ из латунной трубы с фрезерованными или проточенными карманами. Используется в условиях высоких скоростей, высоких температур или высокой вибрации, где стальные сепараторы могут устать. Латунь имеет отличную совместимость с нефтяными смазочными материалами и низкий риск истирания.
• Сепараторы из полиамида, отлитые под давлением: Сепараторы PA66, армированные стекловолокном, отлиты под давлением в виде одной детали. Они легче металлических сепараторов, в некоторой степени самосмазывающиеся и допускают более высокие допустимые скорости, чем стальные сепараторы во многих конструкциях. Подходит для рабочих температур примерно до 120°С непрерывно.

Шаг 6 — Сборка радиального шарикоподшипника

В сборке радиальных шарикоподшипников используется особая технология, учитывающая геометрию подшипника: за счет смещения внутреннего кольца внутри наружного кольца с одной стороны открывается серповидный зазор, достаточно большой, чтобы вставить полный комплект шариков. Это метод эксцентрикового смещения - позволяет загрузить больше шариков, чем поместилось бы, если бы они были вставлены через открытую сторону традиционно удерживаемого узла.

1. Очистка кольца: Перед сборкой внутренние и наружные кольца очищаются ультразвуком для удаления всех остатков шлифовки, металлических частиц и загрязнений. Одна металлическая частица, попавшая в подшипник во время сборки, вызывает преждевременное изъязвление дорожек качения.
2. Загрузка мяча: Внутреннее кольцо смещается в одну сторону от внешнего кольца и в серповидный зазор загружается максимально возможное количество шариков. Затем внутреннее кольцо центрируется, равномерно распределяя шарики по окружности.
3. Установка клетки: Клетка защелкивается или приклепывается вокруг шарикового комплекта, чтобы удерживать шарики на одинаковом расстоянии. В штампованных стальных сепараторах две полуобоймы спрессовываются вместе и заклепываются через заранее отформованные бобышки.
4. Измерение внутреннего зазора: В собранном подшипнике измеряется радиальный внутренний зазор (RIC) — общий радиальный зазор между внутренним и наружным кольцами. Стандартный зазор C3 (больше обычного, для посадок с натягом) соответствует указанные пределы согласно ISO 5753 .
5. Смазка: В пространство подшипника впрыскивается нужное количество и сорт смазки — обычно для заполнения. 25–35% свободного объема для закрытых подшипников. Переполнение увеличивает рабочую температуру и потери при перемешивании; недолив сокращает срок службы смазки.
6. Установка экрана или уплотнения: Металлические щитки (ZZ) запрессовываются в канавки наружного кольца, не контактируя с внутренним кольцом. Резиновые уплотнения (2RS) аналогично устанавливаются с контролируемым натягом в канавку уплотнения на поверхности внутреннего кольца.

Шаг 7 — Проверка качества и тестирование

Каждый готовый радиальный шарикоподшипник перед упаковкой проходит серию автоматических проверок. Строгость проверки варьируется в зависимости от класса точности, но даже стандартные подшипники P0 проходят 100% проверку, а не отбор проб, по критическим параметрам, указанным ниже.

Высокоточные подшипники (класса Р5 и Р4) дополнительно проходят испытания на осевое биение, измерение круглости колец и шариков с помощью измерителей круглости с точностью до 0,01 мкм , а в некоторых случаях 100% виброиспытания с автоматической сортировкой по уровню шума (В1, В2, В3).

Радиальные шарикоподшипники из хромированной стали и нержавеющей стали: различия в производстве

Хотя последовательность изготовления идентична, радиальные шарикоподшипники из нержавеющей стали требуют нескольких важных технологических модификаций по сравнению со стандартными узлами из хромированной стали.

Классы толерантности и что они означают на практике

Радиальные шарикоподшипники производятся в соответствии с международными классами допусков, определенными стандартами ISO 492 и ABMA. Класс определяет размерную точность и точность вращения готового подшипника, а также напрямую влияет на стоимость и сложность производства.

• P0 (Нормальный/ABMA ABEC-1): Стандартный коммерческий сорт. Охватывает подавляющее большинство применений, включая насосы, двигатели, конвейеры, коробки передач и бытовую технику. Никакого специального обозначения номеров деталей подшипников не требуется.
• P6 (ABEC-3): Более жесткие допуски на диаметр отверстия, внешний диаметр и биение. Используется в станках, прецизионных насосах и среднескоростных электродвигателях. Примерно в 2 раза плотнее чем P0.
• P5 (ЭКАБ-5): Высокая точность. Требуется для шпинделей станков, прецизионных измерительных приборов и высокоскоростных устройств со скоростью более 15 000 об/мин. Примерно в 4 раза плотнее чем P0.
• P4 (ЭКАБ-7): Сверхточность. Используется в шлифовальных шпинделях с ЧПУ, гироскопах и в аэрокосмической промышленности. Допуск на биение отверстия для подшипника диаметром 20 мм составляет всего 2,5 мкм — примерно 1/40 ширины человеческого волоса.
• P2 (ЭКАБ-9): Высший класс коммерческой точности. В основном используется в точном медицинском оборудовании для визуализации, производстве полупроводников и научных инструментах.

Радиальные шарикоподшипники из нержавеющей стали чаще всего изготавливаются с классами точности P0 и P6. Доступны более высокие классы точности, но они значительно дороже из-за дополнительных сложностей шлифования AISI 440C и обычно предназначены для специализированных чистых помещений или медицинских применений, где одновременно требуются как коррозионная стойкость, так и точность.