高性能軸承產品是高端數控精密機床、高鐵、航空發(fā)動機等重大裝備的關鍵性基礎零部件。我國在《國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要》列出的16個重大專項中，飛機、機床等重大裝備的核心技術問題之一就是軸承，其對裝備制造業(yè)的發(fā)展起著舉足輕重的作用。球軸承作為滾動軸承的一種，在軸承運用中十分普遍，其中球（滾珠）又是球軸承的核心，高性能軸承零部件的精度、綜合力學性能及壽命等指標的50~60%直接取決于球的質量。

影響球體質量的因素較多，球體的材料性能和表面質量是影響球軸承性能及設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轉時離心力小，抗疲勞破壞能力強，且剛度高，熱膨脹系數低，具有耐腐蝕、無磁性、絕緣、自潤滑等特點，而且其設計靈活性更大，在重載、高速和潤滑不良的條件下，氮化硅陶瓷球的溫升遠低于鋼球溫升。

高質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，使得其生產成本是普通鋼球的幾十倍甚至上百倍。研究發(fā)現，軸承中陶瓷球失效會因為球體的加工缺陷，如加工表面的劃擦痕、凹坑和微裂紋等缺陷，導致陶瓷球在使用過程中受外力作用發(fā)生斷裂，嚴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成效非常影響最終軸承產品的使用質量。

球體研磨拋光加工技術的進程舉例：

目前陶瓷球的機械研磨拋光方法大致有兩類：一類是杯狀研具加工方法，根據所用研具的數目不同可分為單軸、兩軸和四軸3種，其特點是可實現球體自轉角的不斷變化，加工精度雖高，能得到較高的加工精度，但是一次只能對一顆球進行研磨，加工效率低，多用于生產標準球和定位系統(tǒng)中的高精度球體。

另一類是磨盤加工方法，這是目前生產陶瓷球的主要方法，一次可以加工數以千計的球，效率高，但精度較低，磨盤加工方法可以分形單點驅動的傳統(tǒng)V形槽研磨拋光方式和多點驅動的自轉角主動控制方式兩大類。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；自轉角主動控制方式又演化成雙轉盤式、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械拋光外，近年來還出現了磁流體拋光（Magnetic Float Polishing, MFP）化學機械拋光（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，采用這些新的“柔性”加工技術可以實現對陶瓷球表面材料的微細切削，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，球坯表面形成的軌跡線是3個研磨切削點在球面上形成的3個同軸環(huán)帶，如圖（b）所示，加工過程中，球坯的自轉角θ幾乎是恒定值，因為球坯的公轉軸與自轉軸的夾角變化很小，3個同軸環(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)進出研磨盤溝槽和球坯打滑、膠東現象，隨機改變各球的自轉角θ，以致球面上各點的切削概率不相等，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構原理圖

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，載荷大約為10N/球，拋光時間長，一批陶瓷球的加工周期需要12~15個星期，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，這些表面算上經外部載荷的作用下，會進一步擴展形成較大的脆性裂縫，從而導致軸承滾珠的突然失效。

②化學機械拋光：

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

③集群磁流變拋光：

為實現高精度陶瓷球的高效率加工，廣東工業(yè)大學閆秋生團隊提出了集群流變拋光陶瓷球的新工藝，將多個小磁性體有規(guī)則地排列在非磁性體質的上下拋光盤的背部，當向拋光盤里面注入磁流變拋光液時，會在磁極上方形成集群流變效應拋光墊，用上下拋光盤表面所形成的集群磁流變效應拋光墊包覆陶瓷球并對其進行拋光。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)熱產生的次生變形。同時經過團隊實驗表明，這是一種有效針對陶瓷球表面的超精密拋光加工工藝，具有拋光效果好、效率高且不產生亞表面損傷等優(yōu)點，可以在保證表面質量和形狀精度的同時大大提高陶瓷球的拋光效率。不過還需要經過更進一步的理論問題深入研究并注入現實應用進行測試才能最終檢驗該技術大規(guī)模應用的可能性。

展望：

盡管近年來我國軸承行業(yè)整體呈現中高速增長，但我國的軸承產品附加值低，高性能高精度軸承產品長期受國外控制，尤其是在高速、重載和高溫等復雜苛刻條件下，我國高性能軸承技術和產品無法滿足裝備制造業(yè)快速發(fā)展要求，高性能軸承產品長期以來依賴進口，嚴重制約國民經濟發(fā)展。高性能軸承的核心技術和高端裝備長期受制于國外發(fā)達國家，嚴重制約我國相關產業(yè)長遠健康發(fā)展，必須通過基礎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和應用研究，對于提高我國高端裝備技術水平，提升自主創(chuàng)新能力、加快產業(yè)升級以及推動國家重大戰(zhàn)略產業(yè)和尖端科技長遠發(fā)展具有重要的工程應用價值。