Как производят шарики для подшипников: точность в сотые доли миллиметра
Шарики для подшипников производят из стальной или керамической заготовки путём последовательного холодного формования, термообработки и многостадийного шлифования. Допуск на диаметр прецизионных шариков не превышает 0,001 мм, а отклонение от сферы у лучших классов точности составляет менее 0,00025 мм. Именно эта точность определяет ресурс подшипника и допустимую нагрузку на узел.
Материал и подготовка заготовки
Основной материал для подшипниковых шариков в промышленности: хромистая сталь ШХ15 (по российскому стандарту) с содержанием хрома 1,35–1,65% и углерода около 1%. Такой состав обеспечивает высокую твёрдость после закалки (61–66 HRC) и контактную выносливость. Для высокоскоростных и коррозионностойких применений используют нержавеющую сталь 95Х18, а ультралёгкие шарики для авиации и медицины делают из нитрида кремния (Si3N4) или диоксида циркония.
Сырьём служит калиброванная холоднотянутая проволока в бухтах. Диаметр проволоки подбирают так, чтобы объём отрезанного прутка после небольшого усадочного коэффициента (1,08–1,12) точно соответствовал объёму готового шара. Проволоку разматывают и правят на роликовых правилках, после чего подают в автоматический пресс.
Холодная штамповка и первичное формование
На холодновысадочном прессе пруток подаётся в матрицу, пуансон отрубает мерный отрезок и тут же осаживает его в шаровую форму. Заготовка при этом деформируется очень быстро (сотые доли секунды) и приобретает форму, близкую к сфере, но с поясом (облоем) по экватору и небольшими заусенцами в местах контакта с пуансоном. Этот пояс из-за характерного вида называют «кольцом Сатурна».
На высокоскоростных линиях один пресс выдаёт от 150 до 600 заготовок в минуту в зависимости от диаметра шара (от 2 до 25 мм). После штамповки заготовки ссыпаются в бункер и поступают на первичную обкатку. Хотя форма уже напоминает шар, допуск на диаметр на этом этапе составляет десятые доли миллиметра, поверхность грубая, а пояс возвышается на 0,3–1,2 мм над телом шара.
Обкатка между чугунными плитами и термообработка
Для удаления облоя и первичного формообразования заготовки засыпают между двумя чугунными плитами, одна из которых неподвижна, а другая вращается с небольшим давлением. Канавки в плитах имеют радиус чуть больше радиуса шара: при многократном прокатывании заготовка вращается одновременно вокруг нескольких осей, а облой постепенно срезается и заглаживается. За один проход продолжительностью 10–30 минут снимают основную часть облоя, доводя форму до допуска 0,05–0,1 мм.
После первичной обкатки шарики закаливают. Стальные заготовки из ШХ15 нагревают в конвейерной электрической или газовой печи до 840–860 °C, выдерживают 20–40 минут и резко охлаждают в масле при 80–100 °C. Затем следует отпуск при 150–180 °C в течение 2–4 часов: он снимает внутренние напряжения и придаёт нужную вязкость. После термообработки твёрдость составляет 62–64 HRC по Роквеллу.
Многостадийное шлифование и суперфиниш
Финишная обработка проходит в несколько стадий. На первой шлифовальной стадии шарики снова прокатывают между плитами, но уже с абразивным порошком зернистостью F220–F400 (карбид кремния или корунд) в водно-масляной эмульсии. Давление и скорость строго дозированы: слишком высокое давление вызывает нагрев и риск прижога поверхности. После 40–60 минут обработки допуск на диаметр снижается до 0,005–0,01 мм.
Вторая и третья шлифовальные стадии с нарастающей тонкостью абразива (F800, затем F1200) доводят погрешность формы до 1–2 мкм. На заключительном суперфинишировании используют мягкие чугунные плиты с пастой на основе оксида алюминия (Al2O3) зернистостью менее 1 мкм. Шероховатость поверхности Ra готового прецизионного шара класса G10 не превышает 0,02 мкм. Для сравнения: это в 50 раз глаже, чем зеркало обычного косметического качества.
Перед упаковкой каждую партию проверяют на автоматических измерительных машинах. Лазерные или пневматические датчики измеряют диаметр, сферичность и шероховатость со статистической выборкой. Шарики, вышедшие за пределы допуска, отбраковываются. Готовую продукцию консервируют противокоррозионным маслом и упаковывают в пластиковые пакеты или металлические барабаны с документом качества на партию.
