高性能軸承產(chǎn)品是高端數(shù)控精密機(jī)床、高鐵、航空發(fā)動(dòng)機(jī)等重大裝備的關(guān)鍵性基礎(chǔ)零部件。我國在《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》列出的16個(gè)重大專項(xiàng)中，飛機(jī)、機(jī)床等重大裝備的核心技術(shù)問題之一就是軸承，其對(duì)裝備制造業(yè)的發(fā)展起著舉足輕重的作用。球軸承作為滾動(dòng)軸承的一種，在軸承運(yùn)用中十分普遍，其中球（滾珠）又是球軸承的核心，高性能軸承零部件的精度、綜合力學(xué)性能及壽命等指標(biāo)的50~60%直接取決于球的質(zhì)量。

影響球體質(zhì)量的因素較多，球體的材料性能和表面質(zhì)量是影響球軸承性能及設(shè)備使用壽命的重要因素。例如以氮化硅為代表的新一代陶瓷材料優(yōu)勢特點(diǎn)突出，是特殊環(huán)境下工作的軸承滾珠（球）的首選材料。較之鋼球，氮化硅陶瓷球具有高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)離心力小，抗疲勞破壞能力強(qiáng)，且剛度高，熱膨脹系數(shù)低，具有耐腐蝕、無磁性、絕緣、自潤滑等特點(diǎn)，而且其設(shè)計(jì)靈活性更大，在重載、高速和潤滑不良的條件下，氮化硅陶瓷球的溫升遠(yuǎn)低于鋼球溫升。

高質(zhì)量氮化硅陶瓷球由于加工難度大，表面完整性和批量加工均勻性差，易產(chǎn)生加工表面缺陷等原因影響陶瓷球軸承的使用壽命和可靠性，使得其生產(chǎn)成本是普通鋼球的幾十倍甚至上百倍。研究發(fā)現(xiàn)，軸承中陶瓷球失效會(huì)因?yàn)榍蝮w的加工缺陷，如加工表面的劃擦痕、凹坑和微裂紋等缺陷，導(dǎo)致陶瓷球在使用過程中受外力作用發(fā)生斷裂，嚴(yán)重影響陶瓷球軸承的可靠性和壽命。因此，陶瓷球的拋光加工技術(shù)成效非常影響最終軸承產(chǎn)品的使用質(zhì)量。

球體研磨拋光加工技術(shù)的進(jìn)程舉例：

目前陶瓷球的機(jī)械研磨拋光方法大致有兩類：一類是杯狀研具加工方法，根據(jù)所用研具的數(shù)目不同可分為單軸、兩軸和四軸3種，其特點(diǎn)是可實(shí)現(xiàn)球體自轉(zhuǎn)角的不斷變化，加工精度雖高，能得到較高的加工精度，但是一次只能對(duì)一顆球進(jìn)行研磨，加工效率低，多用于生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)球和定位系統(tǒng)中的高精度球體。

另一類是磨盤加工方法，這是目前生產(chǎn)陶瓷球的主要方法，一次可以加工數(shù)以千計(jì)的球，效率高，但精度較低，磨盤加工方法可以分形單點(diǎn)驅(qū)動(dòng)的傳統(tǒng)V形槽研磨拋光方式和多點(diǎn)驅(qū)動(dòng)的自轉(zhuǎn)角主動(dòng)控制方式兩大類。傳統(tǒng)V型槽研磨拋光方式又演化成雙V形槽、類雙V形槽、偏心V形槽和錐形盤研磨拋光方式；自轉(zhuǎn)角主動(dòng)控制方式又演化成雙轉(zhuǎn)盤式、平面式、螺旋狀分離式V形槽和變曲率溝槽等研磨拋光方式。

而拋光方法上除了機(jī)械拋光外，近年來還出現(xiàn)了磁流體拋光（Magnetic Float Polishing, MFP）化學(xué)機(jī)械拋光（Chemical Mechanical Polishing, CMP）和超聲波輔助拋光（Ultrasonic Vibration Assisted Polishing, UVP）等超精密加工陶瓷球的新技術(shù)，采用這些新的“柔性”加工技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)陶瓷球表面材料的微細(xì)切削，使余量得以塑性斷裂的方式去除，從而獲得超光滑無損傷表面。

下面僅介紹部分高精密球體研磨方式：

①傳統(tǒng)V形槽研磨拋光：

此法的拋光原理如圖（a）所示，加工時(shí)，球坯表面形成的軌跡線是3個(gè)研磨切削點(diǎn)在球面上形成的3個(gè)同軸環(huán)帶，如圖（b）所示，加工過程中，球坯的自轉(zhuǎn)角θ幾乎是恒定值，因?yàn)榍蚺鞯墓D(zhuǎn)軸與自轉(zhuǎn)軸的夾角變化很小，3個(gè)同軸環(huán)帶以非常緩慢的速度展開，不利于球體均勻快速地研磨加工。通過讓球體循環(huán)進(jìn)出研磨盤溝槽和球坯打滑、膠東現(xiàn)象，隨機(jī)改變各球的自轉(zhuǎn)角θ，以致球面上各點(diǎn)的切削概率不相等，難以獲得球體精度的高一致性，批次合格率通常只有30%左右，限制了加工精度和加工效率。

傳統(tǒng)V形槽研磨拋光方式機(jī)構(gòu)原理圖

傳統(tǒng)V形槽精加工方法主要采用金剛石磨料作為拋光介質(zhì)，載荷大約為10N/球，拋光時(shí)間長，一批陶瓷球的加工周期需要12~15個(gè)星期，昂貴的金剛石磨料和漫長的加工周期使制造成本高居不下，另外，在較高載荷作用下，高硬度的金剛石磨料會(huì)在陶瓷球表面造成刮傷、凹坑和微裂紋等表面損傷，這些表面算上經(jīng)外部載荷的作用下，會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)展形成較大的脆性裂縫，從而導(dǎo)致軸承滾珠的突然失效。

②化學(xué)機(jī)械拋光：

此法目前已被應(yīng)用在部分工程陶瓷、功能陶瓷和金屬材料的超精密加工、拋光時(shí)，懸浮于液態(tài)介質(zhì)中的納米級(jí)軟質(zhì)磨粒，在與工件的接觸點(diǎn)上因摩擦而產(chǎn)生高溫高壓，并在極短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生產(chǎn)比工件材料軟、更易去除的新物質(zhì)。由工件與后續(xù)磨料及拋光盤之間的機(jī)械摩擦作用去除，最終達(dá)到拋光后的成品。

③集群磁流變拋光：

為實(shí)現(xiàn)高精度陶瓷球的高效率加工，廣東工業(yè)大學(xué)閆秋生團(tuán)隊(duì)提出了集群流變拋光陶瓷球的新工藝，將多個(gè)小磁性體有規(guī)則地排列在非磁性體質(zhì)的上下拋光盤的背部，當(dāng)向拋光盤里面注入磁流變拋光液時(shí)，會(huì)在磁極上方形成集群流變效應(yīng)拋光墊，用上下拋光盤表面所形成的集群磁流變效應(yīng)拋光墊包覆陶瓷球并對(duì)其進(jìn)行拋光。此法優(yōu)勢在于將剛性接觸變?yōu)槿嵝越佑|，大大減少了研磨沖擊及發(fā)熱產(chǎn)生的次生變形。同時(shí)經(jīng)過團(tuán)隊(duì)實(shí)驗(yàn)表明，這是一種有效針對(duì)陶瓷球表面的超精密拋光加工工藝，具有拋光效果好、效率高且不產(chǎn)生亞表面損傷等優(yōu)點(diǎn)，可以在保證表面質(zhì)量和形狀精度的同時(shí)大大提高陶瓷球的拋光效率。不過還需要經(jīng)過更進(jìn)一步的理論問題深入研究并注入現(xiàn)實(shí)應(yīng)用進(jìn)行測試才能最終檢驗(yàn)該技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用的可能性。

展望：

盡管近年來我國軸承行業(yè)整體呈現(xiàn)中高速增長，但我國的軸承產(chǎn)品附加值低，高性能高精度軸承產(chǎn)品長期受國外控制，尤其是在高速、重載和高溫等復(fù)雜苛刻條件下，我國高性能軸承技術(shù)和產(chǎn)品無法滿足裝備制造業(yè)快速發(fā)展要求，高性能軸承產(chǎn)品長期以來依賴進(jìn)口，嚴(yán)重制約國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展。高性能軸承的核心技術(shù)和高端裝備長期受制于國外發(fā)達(dá)國家，嚴(yán)重制約我國相關(guān)產(chǎn)業(yè)長遠(yuǎn)健康發(fā)展，必須通過基礎(chǔ)研究和自主研究加以突破。因此，開展高精度陶瓷球高效低損拋光加工理論基礎(chǔ)和應(yīng)用研究，對(duì)于提高我國高端裝備技術(shù)水平，提升自主創(chuàng)新能力、加快產(chǎn)業(yè)升級(jí)以及推動(dòng)國家重大戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)和尖端科技長遠(yuǎn)發(fā)展具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。