Vòng bi được sản xuất như thế nào? Hướng dẫn rãnh sâu

Vòng bi được chế tạo thông qua quy trình sản xuất nhiều giai đoạn chính xác, bắt đầu bằng thanh thép hoặc ống thép chất lượng cao và kết thúc bằng các bộ phận được nối đất với dung sai chặt chẽ đến mức tối đa. ±0,001 mm . Quá trình này bao gồm tạo hình, xử lý nhiệt, mài, gia công siêu hoàn thiện, lắp ráp và kiểm tra — mỗi giai đoạn đều quan trọng để đạt được khả năng chịu tải, độ chính xác khi quay và tuổi thọ sử dụng mà ổ trục phải mang lại.

Vòng bi cầu rãnh sâu — loại vòng bi được sản xuất rộng rãi nhất trên thế giới — tuân theo quy trình tương tự, với các yêu cầu về độ chính xác bổ sung đối với các rãnh mương sâu giúp chúng có khả năng xử lý đồng thời cả tải trọng hướng tâm và tải trọng trục. Vòng bi cầu rãnh sâu bằng thép không gỉ tuân theo một trình tự giống hệt nhau nhưng sử dụng các loại thép chống ăn mòn yêu cầu các thông số xử lý nhiệt được sửa đổi. Bài viết này bao gồm mọi giai đoạn một cách chi tiết.

Nguyên liệu thô: Thép gì được dùng làm vòng bi

Việc lựa chọn vật liệu cho ổ bi quyết định mọi thứ, từ độ cứng và tuổi thọ mỏi đến khả năng chống ăn mòn và nhiệt độ vận hành tối đa. Hầu hết các vòng bi cầu rãnh sâu tiêu chuẩn đều được làm từ Thép mạ crôm AISI 52100 (tương đương 100Cr6 theo tiêu chuẩn Châu Âu), thép chịu lực hợp kim crom có hàm lượng cacbon cao, đạt được độ cứng bề mặt 58–65 HRC sau khi xử lý nhiệt - đủ cứng để chống lại sự mệt mỏi khi tiếp xúc qua hàng trăm triệu chu kỳ ứng suất.

Thép Chrome tiêu chuẩn (AISI 52100 / 100Cr6)

Thép này chứa khoảng 1,0% carbon và 1,5% crom , mang lại cho nó độ cứng đặc biệt và khả năng chống mỏi. Nó được làm cứng hoàn toàn - nghĩa là toàn bộ mặt cắt đạt được độ cứng đồng đều, không chỉ bề mặt. AISI 52100 là vật liệu mặc định toàn cầu cho vòng trong, vòng ngoài và bi trong vòng bi rãnh sâu tiêu chuẩn.

Thép không gỉ cho vòng bi chống ăn mòn

Vòng bi cầu rãnh sâu bằng thép không gỉ sử dụng loại thép không gỉ martensitic, phổ biến nhất AISI 440C (biến thể carbon cao) hoặc AISI 440B. AISI 440C chứa khoảng 1,0% carbon và 17% crom , tạo thành lớp bề mặt oxit crom thụ động mang lại khả năng chống ẩm, axit nhẹ và phun muối tuyệt vời. Sau khi xử lý nhiệt, AISI 440C đạt 58–62 HRC - mềm hơn một chút so với 52100, dẫn đến khoảng Xếp hạng tải thấp hơn 20–30% so với vòng bi thép mạ crôm tương đương.

Đối với các ứng dụng chế biến thực phẩm, hàng hải, dược phẩm và hóa học trong đó rủi ro ô nhiễm khiến sự đánh đổi này trở nên đáng giá, vòng bi cầu rãnh sâu bằng thép không gỉ là thông số kỹ thuật tiêu chuẩn. Một số nhà sản xuất cũng cung cấp AISI 316 không gỉ đối với môi trường ăn mòn khắc nghiệt, mặc dù loại austenit này không thể cứng lại và cần có bi gốm để bù lại.

Vật liệu lồng và con dấu

• Lồng: Thép cacbon thấp được đóng dấu (phổ biến nhất), đồng thau ép, polyamit gia công (PA66) hoặc PEEK cho các ứng dụng nhiệt độ cao
• Khiên (hậu tố ZZ): Thép tấm - giữ chất bôi trơn bên trong và loại bỏ chất bẩn thô mà không tiếp xúc với vòng trong
• Con dấu (hậu tố 2RS): Cao su nitrile (NBR) cho các ứng dụng tiêu chuẩn; fluorocarbon (FKM/Viton) cho dịch vụ hóa chất hoặc nhiệt độ cao; PTFE cho các biến thể ma sát thấp không tiếp xúc

Bước 1 - Hình thành các vòng trong và ngoài

Quá trình sản xuất vòng bắt đầu bằng thanh thép hoặc ống liền mạch đã được xác minh về thành phần hóa học và độ sạch bên trong. Các tạp chất và các lỗ rỗng siêu nhỏ trong thép là nguyên nhân hàng đầu gây ra hiện tượng mỏi ổ trục sớm, do đó việc kiểm tra chất lượng vật liệu là không bắt buộc.

Rèn nguội hoặc nóng

Đối với vòng bi lớn hơn (đường kính lỗ khoan trên khoảng 30 mm), phôi thép được rèn nóng ở nhiệt độ 900–1.100°C thành các vòng phôi thô. Việc rèn sắp xếp cấu trúc thớ thép dọc theo chu vi của vòng - một lợi thế quan trọng vì nó định hướng hướng thớ mạnh nhất để chống lại vành đai gây áp lực lên trải nghiệm của vòng khi sử dụng. Đối với vòng bi rãnh sâu nhỏ hơn, hình thành lạnh nguyên liệu ống là phổ biến, tạo ra ít chất thải vật liệu hơn và yêu cầu gia công tiếp theo ít hơn.

Tiện (Gia công)

Sau khi rèn, phôi vòng được quay trên máy tiện CNC để tạo ra các kích thước cơ bản của chúng - đường kính ngoài, lỗ khoan trong, chiều rộng và hình dạng ban đầu của rãnh mương. Ở giai đoạn này, kích thước được cắt thành Quá khổ 0,1–0,5 mm để lại hàng cho lần xay tiếp theo. Cấu hình rãnh sâu - kênh hình bán nguyệt tiếp xúc với các quả bóng - được hình thành ở đây thành dạng hình học sơ bộ sẽ được tinh chỉnh thông qua nhiều thao tác mài.

Sau đó, các vòng quay được rửa sạch, kiểm tra kích thước và chuẩn bị xử lý nhiệt. Bất kỳ khuyết tật bề mặt nào được phát hiện ở giai đoạn này - vết nứt, vết nối hoặc đường nối - đều là nguyên nhân bị loại bỏ vì xử lý nhiệt sẽ khóa mọi sai sót hiện có.

Bước 2 - Xử lý nhiệt: Đạt được độ cứng của ổ trục

Xử lý nhiệt là bước quan trọng nhất về mặt luyện kim trong sản xuất ổ bi. Nó biến các vòng thép mềm, có thể gia công thành các bộ phận ổ trục cứng, chống mỏi. Xử lý nhiệt không đúng - nhiệt độ sai, tốc độ làm nguội sai hoặc ủ không đủ - tạo ra vòng bi không hoạt động được trong vòng vài giờ thay vì nhiều năm.

Quá trình làm cứng xuyên suốt cho AISI 52100

1. Austenit hóa: Nhẫn được nung nóng đến 820–860°C trong lò có khí quyển được kiểm soát (để ngăn chặn quá trình khử cacbon trên bề mặt) và được giữ ở nhiệt độ cho đến khi austenit hóa hoàn toàn - thường là 20–60 phút tùy thuộc vào độ dày của phần.
2. Làm nguội: Các vòng được làm nguội nhanh chóng bằng cách ngâm trong dầu (phổ biến nhất) hoặc bằng cách làm nguội bằng khí cưỡng bức. Quá trình làm mát nhanh chóng biến austenite thành martensite - cấu trúc tinh thể tứ giác cứng, tập trung vào vật thể tạo nên độ cứng cho thép chịu lực. Tốc độ tôi phải đủ nhanh để ngăn chặn sự hình thành các pha peclit hoặc bainit mềm hơn.
3. Điều trị bằng phương pháp đông lạnh (tùy chọn nhưng ngày càng phổ biến): Ngâm trong nitơ lỏng ở -196°C trong 4–24 giờ sẽ chuyển đổi austenite còn sót lại - một pha siêu bền mềm hơn - thành martensite, cải thiện độ ổn định kích thước và tuổi thọ mỏi lên tới 20%.
4. Ủ: Nhẫn được hâm nóng đến 150–180°C và giữ trong 1–4 giờ để giảm bớt ứng suất làm nguội trong khi vẫn giữ được độ cứng. Độ cứng cuối cùng sau khi ủ: 60–64 HRC . Nhiệt độ ủ cao hơn làm giảm độ giòn hơn nhưng lại hy sinh một số độ cứng.

Xử lý nhiệt cho vòng bi cầu rãnh sâu bằng thép không gỉ (AISI 440C)

AISI 440C yêu cầu austenit hóa ở nhiệt độ cao hơn 1.010–1.065°C tiếp theo là làm nguội bằng dầu hoặc không khí, sau đó ủ ở 150–175°C . Nhiệt độ austenit hóa cao hơn là cần thiết để hòa tan cacbua crom có ​​trong loại này. Độ cứng cuối cùng đạt tới 58–62 HRC . Điều quan trọng là phải tránh ủ trên 400°C - nó kết tủa cacbua crom ở ranh giới hạt, làm giảm đáng kể khả năng chống ăn mòn trong một quá trình gọi là nhạy cảm.

Bước 3 - Mài những chiếc nhẫn theo kích thước cuối cùng

Sau khi xử lý nhiệt, các vòng quá khó để cắt bằng các dụng cụ thông thường - chỉ mài bằng bánh xe mài mòn mới có thể đạt được độ chính xác về kích thước và độ bóng bề mặt cần thiết. Mài là một quá trình gồm nhiều bước, với mỗi thao tác nhắm vào một bề mặt cụ thể và tăng dần dung sai.

Trình tự mài cho vòng bi rãnh sâu

1. Mài mặt: Cả hai mặt bên đều được mài phẳng và song song với dung sai ± 0,005 mm hoặc cao hơn, thiết lập các mốc chuẩn tham chiếu cho tất cả các hoạt động tiếp theo.
2. Mài đường kính ngoài (OD): Đường kính ngoài của vòng ngoài và lỗ khoan của vòng trong được mài theo đường kính quy định. Đối với ổ trục có cấp dung sai P0 (Bình thường), dung sai lỗ khoan thường là 0 / -0,012 mm cho lỗ khoan 20 mm.
3. Mài rãnh đường đua: Hoạt động quan trọng nhất. Bánh mài được gia công định hình cắt biên dạng rãnh hình bán nguyệt sâu theo bán kính xác định - thông thường 51,5–53% đường kính bóng cho vòng bi rãnh sâu. Bán kính rãnh được kiểm soát chặt chẽ vì nó quyết định trực tiếp đến góc tiếp xúc bi, phân bổ tải trọng và tiếng ồn khi chạy.
4. Quá trình hoàn thiện (mài giũa) các đường đua: Đá mài dao động loại bỏ các vết mài định hướng do bánh xe để lại, tạo ra bề mặt hoàn thiện bằng phẳng với giá trị Ra là 0,02–0,1 µm . Lớp hoàn thiện gần như gương này rất cần thiết để giảm thiểu ứng suất tiếp xúc, giảm ma sát và đạt được kiểu Brinell giúp giữ lại màng bôi trơn.

Các loại vòng bi chính xác (P6, P5, P4 theo ISO 492) yêu cầu dung sai ngày càng chặt chẽ hơn ở mỗi giai đoạn mài. Ổ trục loại P4 có dung sai kích thước xấp xỉ chặt hơn 4× hơn ổ trục P0 tiêu chuẩn và được sử dụng trong trục máy công cụ, thiết bị hình ảnh y tế và dụng cụ chính xác.

Bước 4 - Sản xuất các quả bóng

Các bộ phận lăn — bản thân các quả bóng — được sản xuất thông qua một quy trình hoàn toàn riêng biệt được cho là đòi hỏi khắt khe nhất trong toàn bộ chuỗi cung ứng vòng bi. Độ tròn của bi, độ hoàn thiện bề mặt và độ đồng nhất của đường kính quyết định trực tiếp đến tiếng ồn, độ rung và tuổi thọ mỏi của ổ trục.

1. Tiêu đề lạnh: Dây thép được đưa vào một máy cắt nguội để cắt một con sên nhỏ và tạo hình nguội giữa hai khuôn thành một quả cầu thô có vòng "chớp sáng" xích đạo đặc trưng. Vòng flash là vật liệu thừa bị ép ra giữa các khuôn - nó phải được loại bỏ trong giai đoạn tiếp theo.
2. Loại bỏ đèn flash (làm mờ): Những quả bóng thô được lăn vào rãnh giữa hai tấm gang, làm đứt vòng chớp và tạo ra hình cầu hơn. Ở giai đoạn này, các quả bóng vẫn còn xấp xỉ Quá khổ 0,1–0,3 mm có độ nhám bề mặt Ra 0,8–1,6 µm.
3. Xử lý nhiệt: Các quả bóng trải qua quá trình làm cứng tương tự như các vòng - austenit hóa, làm nguội và ủ để đạt được 62–66 HRC . Các quả bóng thường được làm cứng đến giá trị cao hơn một chút so với vòng vì chúng chịu ứng suất tiếp xúc Hertzian cao nhất trong ổ trục.
4. Mài cứng: Các quả bóng cứng được mài giữa các tấm gang quay bằng cách sử dụng hợp chất mài mòn, làm giảm chúng đến kích thước gần như cuối cùng và cải thiện độ cầu. Nhiều đường chuyền với chất mài mòn dần dần mịn hơn sẽ làm giảm lượng dư thừa xuống xấp xỉ 5–25 µm .
5. Lapping và siêu hoàn thiện: Sự chồng chéo cuối cùng giữa các tấm chính xác sẽ tạo ra các quả bóng có sai số về độ cầu (độ lệch so với một quả cầu hoàn hảo) là 0,1–0,25 µm dành cho bóng cấp 10–25 được sử dụng trong vòng bi rãnh sâu tiêu chuẩn. Bóng chính xác cấp 3 — được sử dụng trong vòng bi có độ chính xác cao — đạt được độ cầu bên trong 0,08 µm và độ nhám bề mặt dưới Ra 0,012 µm.
6. Phân loại đường kính: Các quả bóng thành phẩm được sắp xếp thành các nhóm đường kính với dung sai ±0,25 µm mỗi nhóm. Tất cả các viên bi được sử dụng trong một ổ trục đơn phải đến từ cùng một nhóm đường kính để đảm bảo sự chia sẻ tải trọng bằng nhau giữa tất cả các viên bi trong bộ phận bổ sung.

Bước 5 - Sản xuất lồng

Vòng cách (bộ giữ) duy trì khoảng cách chu vi bằng nhau giữa các quả bóng, ngăn chặn sự tiếp xúc giữa các quả bóng và dẫn chất bôi trơn đến các vùng tiếp xúc. Bản thân nó là một bộ phận có độ chính xác cao, mặc dù ít đòi hỏi về mặt cơ học hơn so với các vòng hoặc quả bóng.

• Lồng thép dập: Thép tấm được phôi, tạo hình và xuyên thủng để tạo ra hai nửa lồng được tán đinh với nhau xung quanh phần bóng. Đây là loại lồng phổ biến nhất trong vòng bi rãnh sâu tiêu chuẩn do chi phí thấp và hiệu suất phù hợp ở tốc độ vừa phải.
• Lồng đồng được gia công: Được quay CNC từ ống đồng thau có túi được phay hoặc chuốt. Được sử dụng trong các ứng dụng tốc độ cao, nhiệt độ cao hoặc độ rung cao, nơi lồng thép sẽ bị mỏi. Đồng thau có khả năng tương thích tuyệt vời với dầu bôi trơn và ít nguy cơ bị ăn mòn.
• Vòng cách bằng polyamit ép phun: Vòng cách PA66 được gia cố bằng sợi thủy tinh được đúc phun thành một khối duy nhất. Chúng nhẹ hơn lồng kim loại, tự bôi trơn ở một mức độ nào đó và cho phép tốc độ cho phép cao hơn lồng thép trong nhiều thiết kế. Thích hợp cho nhiệt độ hoạt động lên đến khoảng 120°C liên tục.

Bước 6 - Lắp ráp vòng bi rãnh sâu

Việc lắp ráp ổ bi rãnh sâu sử dụng một kỹ thuật cụ thể để khai thác hình dạng của ổ trục: bằng cách dịch chuyển vòng trong vào trong vòng ngoài, một khe hở hình lưỡi liềm sẽ mở ra ở một bên đủ lớn để lắp toàn bộ phần bi vào. Đây là phương pháp dịch chuyển lệch tâm - nó cho phép nạp nhiều quả bóng hơn mức có thể lắp được nếu đưa vào qua mặt hở của cụm được giữ thông thường.

1. Làm sạch vòng: Vòng trong và vòng ngoài được làm sạch bằng siêu âm để loại bỏ tất cả cặn mài, hạt kim loại và chất gây ô nhiễm trước khi lắp ráp. Một hạt kim loại bị mắc kẹt trong ổ trục trong quá trình lắp ráp sẽ gây ra vết rỗ sớm trên đường lăn.
2. Tải bóng: Vòng trong được dịch chuyển sang một bên của vòng ngoài và số lượng bi tối đa có thể được nạp vào khe hình lưỡi liềm. Vòng trong sau đó được căn giữa, phân bố đều các quả bóng xung quanh chu vi.
3. Lắp đặt lồng: Cái lồng được gắn hoặc tán xung quanh quả bóng để giữ các quả bóng ở khoảng cách bằng nhau. Đối với các lồng thép dập khuôn, hai nửa lồng được ép lại với nhau và được tán đinh qua các trùm định hình sẵn.
4. Đo độ hở bên trong: Ổ trục đã lắp ráp được đo độ hở xuyên tâm trong (RIC) - tổng tác dụng xuyên tâm giữa các vòng trong và ngoài. Khe hở tiêu chuẩn C3 (lớn hơn bình thường, đối với các ứng dụng phù hợp với nhiễu) được xác minh là nằm trong giới hạn quy định theo ISO 5753 .
5. Bôi trơn: Số lượng và loại mỡ chính xác được bơm vào không gian ổ trục - thường là làm đầy 25–35% khối lượng miễn phí đối với vòng bi kín. Đổ quá đầy làm tăng nhiệt độ vận hành và tổn thất khi khuấy; đổ đầy làm giảm tuổi thọ dầu mỡ.
6. Lắp đặt tấm chắn hoặc con dấu: Các tấm chắn kim loại (ZZ) được ép vào các rãnh ở vòng ngoài mà không tiếp xúc với vòng trong. Các gioăng cao su (2RS) được đặt tương tự với khớp chặn có kiểm soát chống lại rãnh bịt kín trên bề mặt vòng trong.

Bước 7 - Kiểm tra và kiểm tra chất lượng

Mỗi ổ bi rãnh sâu hoàn thiện đều trải qua một đợt kiểm tra tự động trước khi đóng gói. Mức độ nghiêm ngặt của việc kiểm tra thay đổi theo cấp độ chính xác, nhưng ngay cả vòng bi P0 tiêu chuẩn cũng được kiểm tra 100% — không lấy mẫu — đối với các thông số quan trọng bên dưới.

Vòng bi có độ chính xác cao (loại P5 và P4) còn phải trải qua thử nghiệm độ đảo dọc trục, đo độ tròn của vòng và bi bằng máy đo độ tròn chính xác đến 0,01 µm và trong một số trường hợp, kiểm tra độ rung 100% bằng cách tự động phân loại theo cấp độ tiếng ồn (V1, V2, V3).

Vòng bi thép Chrome và vòng bi rãnh sâu bằng thép không gỉ: Sự khác biệt về sản xuất

Mặc dù trình tự sản xuất giống hệt nhau, vòng bi cầu rãnh sâu bằng thép không gỉ yêu cầu một số sửa đổi quy trình quan trọng so với các loại vòng bi thép mạ crôm tiêu chuẩn.

Các cấp dung sai và ý nghĩa của chúng trong thực tế

Vòng bi rãnh sâu được sản xuất theo cấp dung sai tiêu chuẩn quốc tế được xác định theo tiêu chuẩn ISO 492 và ABMA. Lớp này xác định độ chính xác về kích thước và độ chính xác vận hành của ổ trục đã hoàn thiện — đồng thời trực tiếp quyết định chi phí và độ phức tạp trong sản xuất.

• P0 (Bình thường/ABMA ABEC-1): Loại thương mại tiêu chuẩn. Bao gồm phần lớn các ứng dụng bao gồm máy bơm, động cơ, băng tải, hộp số và thiết bị gia dụng. Không cần chỉ định đặc biệt về số bộ phận vòng bi.
• P6 (ABEC-3): Dung sai lỗ khoan, OD và độ đảo chặt hơn. Được sử dụng trong máy công cụ, máy bơm chính xác và động cơ điện tốc độ trung bình. Khoảng chặt hơn 2× hơn P0.
• P5 (ABEC-5): Độ chính xác cao. Cần thiết cho trục máy công cụ, dụng cụ đo lường chính xác và các ứng dụng tốc độ cao trên 15.000 vòng/phút. Khoảng chặt hơn 4× hơn P0.
• P4 (ABEC-7): Siêu chính xác. Được sử dụng trong các trục mài CNC, con quay hồi chuyển và các ứng dụng hàng không vũ trụ. Dung sai đảo lỗ cho ổ trục 20mm là chỉ 2,5 µm - khoảng 1/40 chiều rộng của một sợi tóc người.
• P2 (ABEC-9): Lớp chính xác thương mại cao nhất. Chủ yếu được sử dụng trong thiết bị hình ảnh y tế chính xác, sản xuất chất bán dẫn và dụng cụ khoa học.

Vòng bi cầu rãnh sâu bằng thép không gỉ được sản xuất phổ biến nhất với cấp dung sai P0 và P6. Hiện có các loại có độ chính xác cao hơn nhưng đắt hơn đáng kể do AISI 440C khó mài thêm và thường được dành riêng cho phòng sạch chuyên dụng hoặc các ứng dụng y tế, nơi yêu cầu đồng thời cả khả năng chống ăn mòn và độ chính xác.