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工业的关节——揭秘小小轴承里面暗藏的乾坤世界

来源:未知 时间:2018.09.21 点击:

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扑克导言:在现代生活中,人人都离不开各类便捷的交通工具。虽然大家对火车、飞机等很熟悉,但对支撑其运行的重要零件——轴承可能就不那么了解了。事实上在国民经济中轴承被称为“工业的关节”。在国防事业上滚动轴承是必备的军备物资。从技术地位来说轴承钢是各种合金钢中要求技术指标最多而且最严的钢种。


指尖陀螺无疑是2017年开始流行的最火的小玩具了,它甚至被当做是治疗多动症、焦虑以及自闭症的良方。



指尖陀螺是一种一个轴承对称结构、可以在手指上空转的小玩具,它是由一个双向或多向的对称体作为主体,在主体中间嵌入一个轴承的设计组合,整体构成一个可平面转动的新型物品,这种物品的基本原理相似于传统陀螺,但是需要利用几个手指进行把握和拨动才能让其旋转。转动的惯性使得陀螺在指尖舞蹈,提供了一种奇妙的、前所未有的愉悦感,你无法描述那种感觉,仿佛它能旋转着带你升天。



那你在旋转指尖陀螺的时候,亦或者当你骑着自行车穿梭在城市的大街小巷的时候;坐着火车,纵情畅游名山大川的时候;乘坐着喷气式飞机,翱翔蓝天的时候,你是否想过,指尖陀螺、自行车也好,火车,飞机也罢,靠什么顺利前行?


这都得益于人类历史上最伟大的发明之一:轴承。


轴承,几乎存在于我们生活的每一个角落:从满地都是的共享单车、到掠过头顶的民航客机,从鱼翔浅底的核潜艇,到巡天遥看的空间站,再到电冰箱、洗衣机、电脑散热风扇、抽油烟机、手机里的振动马达……总之,轴承无处不在。


   一、小小轴承,暗藏乾坤


轴承是机器中的基础元件,广泛应用于各行各业的机械产品中,被誉为机器的“关节”。再高大上的机器,只要一个小小的轴承出了问题,就可能导致机毁人亡的惨剧。


以航空发动机主轴承为例:航空发动机的关键的指标之一就是高可靠性。要想保证可靠性,前提之一,就是要保证发动机内的主轴承具备长寿命,军机航空发动机要求在3000小时以上,民机航空发动机要求更高,要达到数万小时。


而航空发动机中轴承工作环境完全可以用“炼狱”来形容,它们不仅要以每分钟上万转的速度长时间高速运转,还要承受着各种形式的应力挤压、摩擦与超高温。真可谓是身经百战。


另外,对于一些精度不高的结构部件来说,即便出现轻度裂纹也可以保证安全使用(专业上称为损伤容限),而航空发动机主轴承这样关键传动部件,不存在损伤容限一说,其在使用过程中绝不允许出现裂纹等形式的损伤,因而对其的加工精度、以及材料强度要求是非常苛刻的。


正因如此,高端轴承被誉为“机械工程的高山”,而航空发动机更是被誉为“高山中的喜马拉雅”。高端轴承的制造水平,体现的是一个国家的综合工业实力。


正如征服喜马拉雅山的只能是极少数勇士一样,高端轴承的制造也融合了当今顶尖的工程技术:不仅涉及材料、油脂及润滑、制造、设计、轴承制造装备、检测与试验等一系列技术难题,还涉及接触力学、润滑理论、摩擦学、疲劳与破坏、热处理与材料组织等基础科学研究和交叉学科。如此集大成,其难度绝非弱国有实力染指。


   二、轴承最难加工的部件之一:钢珠


虽然轴承的种类千千万,但都遵循相同的机械原理和力学规律。按照力传导方式的不同,可以将轴承分为滑动轴承和滚动轴承两大类,前者依靠滑动传导力,后者依靠滚动传导力。


即使一个人的中学物理是体育老师教的,凭借生活直觉也可以知道,滚动摩擦远远小于滑动摩擦。如果需要省力,毫无疑问应该是首选滚动轴承,因而滚动轴承的使用场合远远多于滑动轴承,因而下文只将滚动轴承作为讨论对象。


滚动轴承一般由内圈、外圈、滚动体和保持架组成,而所谓的滚动体,又是个什么玩意呢?





可能你已经猜到了,轴承之所以能滚动,靠的就是图中的滚动体:一颗颗饱满剔透、银光闪闪、的粒滚圆的钢珠!这一颗颗钢珠,是轴承赖以滚动的基础,并包裹在保持架里,被众星捧月般严密保护着。



虽然也有这样的:



其中,轴承中的钢珠必须大小相同、表面极度光滑(能像镜子一样,清晰照出人影来),还需要在一定的压力下保持稳定工作,表面不能有明显磨损,可以说钢珠制造对材质、加工精度等要求非常之高。


首先,用于制造滚珠的钢材就“身手不凡”:它可不是普通的钢,而是含有金属铬(Chromium)的高铬钢。


加了铬以后的钢材,一改其容易生锈,容易断裂的“娇气”,变得坚强起来:非但不易变形,耐磨性高,还耐腐蚀,用来制作每天和高压高磨打交道的滚珠无疑是最佳选择,简直可以说是量身定做!



但是光有了好的材料还不够,从钢材变成滚珠,还需要经历一段长途的旅行,其艰难程度堪比唐僧师徒西天取经。下面我们就一起来看看,从钢材到滚珠,经历了怎样的九九八十一难!


   三、制胚



滚珠的原料,当然是线状钢材了。不同的滚珠要求的线材宽度不同,这些都有行业标准的规定,且标准全球通用,所以不用担心美国制造的滚珠放到中国的轴承上无法使用的问题。


滚珠生产的第一步是制胚:将线材剪成一定的长度,再在锻造机上被压缩成粗糙球状。



是不是已经有滚珠的样子了?可是这时的产品只是一个胚子,既大小不一,且表面粗糙,距离大小相同,如镜般光滑的标准还差得很远,活脱脱一个“丑小鸭”。因而进入下一步:粗磨。



   四、粗磨——去除毛刺



将滚珠在粗磨机上把压缩成形的粗胚夹在两个带有凹槽的磨盘之间,其中一个转动并施加压力,这两块板上都加工有凹槽,可引导滚珠沿着环形的路径滚动。其中一块板的某一部分被切断了,这就是滚珠进槽和出槽的口。


当机器在运行时,槽内布满了滚珠。当一粒滚珠从一条凹槽滚出来后,会落入板的开口处,滚珠在这里翻滚片刻,然后进入另一条凹槽。确保每一粒滚珠从许多不同的槽通过,这样即使槽的尺寸有所不同,出来的滚珠的大小都是一样的,并且除去了表面毛刺,打磨成了一个个滴里滚圆的球。


另外需要指出的是,压滚珠的过程压缩了金属,会产生许多热量,因此必须给球和板浇水来冷却它们,避免过热而发生事故。



但是这个时候出来的钢珠还是不够“球”,怎么办?千锤百炼,根据需要,粗磨可以有多道,直到磨圆为止,“专治各种不服”!



   五、热处理——让内心更强大



经过了这两步“非人”的折磨,生产出来的钢珠能叫滚珠了么?


抱歉,目前的产品还属于“老弱病残”状态,空有圆圆的外表,而无坚韧不拔的内心,如果把这样的滚珠装到航空发动机上,恐怕乘飞机的人就要“慌得一批”了。


只有经历了最为严酷的考验,才能锻造出一颗坚实的内心。轴承中的滚珠必须能够承受一定的重量,还必须耐磨。这就需要对钢珠做进一步加工,即热处理。


将钢珠放进油中,经过淬火、回火等工艺流程,可提高钢球的强度和耐磨性。经过热处理得到的滚珠,主要是由马氏体、残留奥氏体以及残留炭化物构成。


(下图展示了对钢珠进行热处理的过程。上文中所提及的材料学名词限于篇幅,就不展开解释了,总而言之,经过热处理的钢球,也会拥有一颗钢铁侠般的内心)



下面是经过热处理后的钢球,在经历了多重风霜的吹打后,显得韶华已逝,饱经沧桑。这怎么行?一定要让她本来美丽动人的容颜重见天日!



   六、精磨——返老还童


把经过热处理的滚珠用专用的精磨机进行精磨,以此来提高形状精度和光滑度,还其闭月羞花之貌,甚至比原来更加楚楚动人。



精磨与粗磨原理上大致相同,只是这次在冷却液中添加了一种研磨剂。滚珠再次从凹槽内通过后,表面被打磨光滑了,大小也被压缩成最终的尺寸。至于能做到多精细,就取决于各国的工艺制造水平了。目前,一流的“美容师”——精磨机依然被美日德等少数国家把持,中国在这方面还有相当大的改善空间。



同样,精磨抛光也可以进行多次。经过精磨抛光后得到的钢珠表面极为光滑,去除了表面的“皱纹”,不用敷面膜,也实现了“今年三十二,明年二十三”的逆生长。




   七、清洗和检查——白富美需要保养


正如没有美女不注重保养皮肤一样,精磨后的钢珠还需要用超声波洗去滚珠表面的磨屑等附着物,才能保持外观的清洁。



最后一道工序是用光学自动外观选别机,检查滚珠的表面,检出并去除表面有伤痕的滚珠。当然肉眼检查也是很重要的,虽然小编并不清楚肉眼到底是怎样做到的(也许这就是传说中的“匠人精神”吧)。



就这样,经历了九九八十一难后,“土肥圆”的线材就变成了“白富美”的滚珠。


但千万不要以为这是“花瓶”,事实上,她是美貌与心灵并重的女神:一个直径10毫米的滚珠误差通常都小于0.1微米,却能承受30吨以上的重量。



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