軸承生產技術

旋轉機械(Rotating Machinery)是常見的重要機械之一，被廣泛地應用於各式各樣的工業當中，隨著科技的進步，為獲得高效率，除了運轉速度不斷提昇外，設備的振動等級要求也日益嚴苛，其中軸承扮演著極為重要的角色，又以滾動軸承最為普遍使用，而基於高速及複合負載的考量，精密級斜角滾動軸承應用最為廣泛。滾動軸承在高速應用上常見問題為潤滑失效，滾動球與滾動面(Raceway)產生接觸磨耗後，滾動軸承會開始產生異音，實際上仍可以運轉一段時間，但基於許多因素考量下，終端使用者即判定滾動軸承發生異常，進而更換。
精密級滾動軸承除了具備良好的迴轉精度及滾動面形貌外，降低次表面破壞層(Subsurface damage)更是關鍵，本文針對研磨加工技術對於滾動軸承精度與次表面破壞層之影響，滿足滾動軸承高速運轉之需求。

業界最常使用的加工設備莫過於工具機，相對於傳統切削，高速切削除了具有高金屬移除率、低研削力、熱應變形小、低切削進給之特性外，同時具有比較高的動態穩定之趨勢。高速切削隨著工件材料、切屑型態、加工型態(車、銑、鑽及磨)以及切削刀具的不同而各有差異，一般常見是以切削線速度(Vc)對不同材料進行區分。鋁合金等輕金屬要達到2000m/min以上，纖維強化塑膠要達到3000m/min以上定義為高速切削範疇。
在工業應用上，更快速意味以更短的時間達成目標，高速滾動軸承主要優點就是在於提升效率。然而依據國際大廠統計，高達66%軸承提早發生故障(36%潤滑不足問題、16%安裝不當問題、14%異物混入等汙染問題)，因此只有34%軸承達到有效的使用壽命。若能同時提高軸承有效使用的比例以及工作轉速，在近來倡導ESG永續發展下，是為提升環境保護的積極表現。

1. 彈液動壓潤滑模式
滾動軸承在彈液動壓潤滑模式(Elastrohydrodynamic lubrication, EHL)狀態下可持續穩定運轉(如圖1所示)，潤滑油膜分別將滾動球/內環與滾動球/外環隔開避免接觸導致磨耗(Wear)產生，油膜厚度介在次微米到數微米之間，依據轉速、負荷、潤滑油黏度及工作溫度等條件而變化。

2.失效階段定義
依據過往回饋案件經驗，當滾動軸承發生潤滑失效時，滾動球與滾動面面發生接觸磨耗並伴隨異音或振動，實際使用上還能夠維持一段時間運轉，有經驗的操作人員會通知維修單位估計何時應該更換滾動軸承，然而部分滾動軸承因為價格高或是更換不易等因素，因此對於內部狀態必須清楚掌握，較嚴謹的方式為以頻譜分析判別滾動軸承是處於何種狀態下，圖2所示為從潤滑失效導致初期磨耗到發生接觸疲勞(Contact Fatigue)共歷經四個階段。當滾動軸承發生接觸疲勞(階段四)，則確定已無法使用，必須進行更換。階段一至階段三則依據情況而定，例如工具機主軸用精密角接觸軸承於階段二就會進行更換。

前一小節提到滾動軸承失效共有四個階段，本小節說明導致滾動軸承發生接觸疲勞主要有三個原因，包括：(1)鋼材缺陷(Material imperfections)、(2)異物粒子混入潤滑油(Particles in lubricant) 與(3)滾動球-滾動面凸點接觸(Asperity contact)等。

1. 鋼材缺陷
滾動軸承用軸承鋼對於清淨度要求非常高，一般常用之高清靜度軸承鋼，其非金屬介在物(Non-metallic inclusion)參雜在鋼中的比例低於10ppm以下，參雜的比例越低(即清靜度越高)則疲勞壽命越好。如圖3所示，應力集中發生在鋼材缺陷的區域，並加速裂縫(Crack)的成長，當裂縫成長到表面時形成磨耗粒子，脫離表面形成凹陷區域稱為表面破壞(Surface damage)或是剝離(圖2階段四)，當剝離形成後會導致滾動軸承處於非常不良潤滑狀態，伴隨現象為振動與異音顯著，導致功能喪失。由於裂縫成長是從鋼材內部開始，可稱為內部起點型接觸疲勞(如圖4所示)。

2. 異物粒子混入
滾動軸承運轉過程中，潤滑油之最小油膜厚度(Minimum film thickness)從次微米到數微米不等，當有異物粒子侵入軸承內部時，會依據粒子的材質、硬度與尺寸等對軸承潤滑狀態產生不同程度的影響(如圖5所示)。例如塑膠粒子相對於砂輪/砂條磨粒影響較小，因為塑膠粒子硬度明顯小於軸承(HRC58~65之間)，殘留軸承內部後被輾壓變形破裂，影響不若硬質顆粒顯著。但若是陶瓷硬質顆粒殘留在軸承滾動面上，則在後續運轉上可能導致磨粒磨耗(Abrasive wear)的發生(如圖6所示)。
軸承製造過程中會進行清洗程序充分除殘留粒子，然而軸承在運送中包裝破裂、使用者組裝環境、精密軸承必須由使用者添加滑脂以及使用環境等，都有可能導致異物粒子混入，在使用條件允許情況下，選用附密封板之軸承為佳。

3. 滾動球與滾動面凸點接觸
滾動軸承在良好EHL運轉下處於完全潤滑(Full lubrication)狀態，潤滑油膜有效避免滾動球-滾動面之間互相接觸。當滾動球-滾動面之間的尖點起伏大於油膜厚度時，就有發生接觸可能(如圖7所示)。在接觸初期過程中產生塑性變形，塑變逐步累積後導致裂紋、接著裂紋成長，最終產生磨耗粒子(Wear particles)。由於裂縫成長是從鋼材外部開始，可稱為外部起點型接觸疲勞(如圖8所示)。
在軸承製造過程中，透過控制研磨加工(Grinding)與超光(Superfinshing)製程參數嚴格管制滾動面之表面粗糙度(Surface roughness, Ra)與波紋度(Waviness, Wt)可避免凸點接觸情況發生，例如滾動面之表面粗糙度控制在0.03μm以下以及波紋度控制在1.0μm以下可有效避免凸點接觸發生。

本小節提到導致滾動軸承發生接觸疲勞有三種類別，鋼材缺陷所導致屬於內部起點型，異物粒子與凸點接觸所導致屬於外部起點型。若要可透過使用更高清淨度鋼材、提升滾動軸承內部清潔度等級、增加密封板隔絕外部粒子、提升軸承迴轉精度以及降低滾動面面缺陷等方式提升疲勞壽命。 提升軸承精度以及降低滾動面面缺陷可經由研磨加工製程改善外，但可能產生另一個問題為滾動面面次表面缺陷(Subsurface damage)。本節說明如何經由研磨加工建立良好表面/次表面狀態以及提升迴轉精度，達成穩定高速運轉之目標。

軸承的精度包括尺寸精度與迴轉精度兩大類，是由ISO或JIS B1514標準(滾動軸承精度)所規定。迴轉精度規定旋轉時的跳動值，包括內/外圈徑向跳動和軸向跳動、內圈側向跳動及外徑垂直度等公差範圍，軸承精度等級從JIS 0級、6級、5級、4級與2級依次增高，其中4級與2級稱為精密級。除了迴轉精度之外，根據筆者以往大量實驗測試歸納發現，滾動面之波紋度與異常凸點會影響滾動球與滾動面發生凸點接觸(Asperity Contact)，導致潤滑失效發生(階段一)。因此在精密軸承製造上，波紋度規格必須控制在1.0μm以內，異常凸點則必須以目視的方式確認。

軸承基本有四個部件，包括外環、內環、滾動體與保持器，內外環製程主要包括車削、熱處理及研磨加工等類別。內外環進行熱處理之後，尺寸精度發生變化外，表面呈現灰黑色，覆蓋一層非均質的硬淬層，業界常稱為黑皮。在研磨加工過程中，首先會先去除黑皮，並達到最終需求尺寸與精度。如圖9與圖10所示，軸承研磨加工包括寬度研磨、內外徑研磨、滾動面研磨與超光等，涵蓋磨粒加工型式為(1)雙端面研磨(Doublesided grinding)、(2)無心研磨(Centerless grinding)與(3)超光(Superfinishing)等三個類別，研磨加工決定軸承的精度與性能，因此被視為核心關鍵技術。筆者針對(1)無心研磨搭配中間修整降低次表面破壞、(2)精密雙端面研磨提升軸承精度、(3)使用超級磨粒強化超光研削力等關鍵特性進行說明。

1. 無心研磨搭配中間修整降低次表面破壞
(1) 無心研磨機制與類型
無心研磨(Centerless grinding)是由砂輪、控制輪(導輪)和支撐架所構成的一種研磨加工型式(如圖11所示)，其中砂輪擔任研磨的工作，控制輪控制工件的旋轉，支撐架則是支撐工件，但並未夾持工件。無心研磨經由砂輪不斷移除工件凸出高點，達成尺寸與真圓度需求。選擇砂輪粒度相當重要，粗粒度的砂輪適用於粗磨加工，對研磨量較大或是去除黑皮的第一道加工都會採用這種方法，但工件的真圓度與表面粗糙度較差。而細粒度的砂輪適用於精磨加工，其加工速度稍慢，但真圓度與表面粗糙度較佳。也可以經由不同的砂輪修整參數與進給條件，在同一組砂輪上完成粗磨與精磨製程。
在無心研磨應用在滾動軸承製造上，主要可分為外徑無心研磨(External centerless grinding)與內徑無心研磨(Internal centerless grinding)兩種類型，無心研磨加工是決定軸承迴轉精度之關鍵外，內徑無心研磨加工更是決定滾動軸承疲勞壽命之關鍵。

(2) 砂輪整形與削銳
砂輪是由磨粒、氣孔與結合劑所組成，在研磨加工過程中砂輪會持續發生變化，當砂輪形貌發生顯著改變或研削力不足時，砂輪就必須停止加工並進行修整作業，修整包括整形(Truing)與削銳(Dressing)會同時進行(如圖12所示)。經由粗磨與精磨等數個回合達成尺寸精度需求，若要在同一回研磨加工達成粗磨與精磨，就必須使用砂輪中間修整模式(需搭配NC數控研磨機)。如圖13所示為外環滾動面無心研磨加工示意圖，在前面文中提到在滾動軸承研磨加工過程中，首先會先去除內外環的黑皮面，此時砂輪形貌已發生改變，研削力也同時下降。舉例而言，採用中間修整的方式，先設定2/3的加工深度為粗磨，接著砂輪退出進行中間修整後，再投入進行精磨。砂輪退出中間修整與再投入研磨牽涉床台定位精度等問題，必須有相關機能的設備才能進行，Studer研磨機能設定二次中間修整，一回合研磨加工能分成粗磨、細磨與精磨等三種階段，同時滿足效率與精度需求。
中間修整或多回合粗、精磨等方式在於降低次表面破壞層，除了必須設定足夠的研磨深度外，並以中間修整或多回合研磨方式達成良好表面(精度)與次表面(裂縫等破壞層)狀態(如圖14所示)。次表面發生裂縫與會加速滾動軸承發生接觸疲勞破壞，與鋼材缺陷相同皆屬於內部起始型的模式。

2. 精密雙端面研磨提升軸承精度
雙端面研磨是一種磨粒加工技術應用(如圖15所示)，廣泛應用在金屬與陶瓷材料之平面加工上，主要是利用載具(或稱帶動盤)帶著工件在上下盤面之間以行星運動方式做公轉與自轉運動，上下盤面材質為砂輪或是鑄鐵，會依據工件材質、加工深度及端面粗糙度等決定，滿足平行度、平面度及粗糙度之需求(如圖16所示)，不論是在滾動軸承製造上或在主軸組立上，端面是重要的基準面，因此對於內環與外環之平面度與平行度皆有規範。
泛用之雙端面研磨機可達成工件平行度在2~5μm之間不等，但精密斜角滾動軸承之平行度需求為1μm，在進行內外環滾動面研磨之前，必須另外使用精密級雙端面研磨機搭配CBN砂輪盤面進行精度提升，加工後內外環單體端面之平行度可控制在1.0μm以內，平面度可控制在0.5μm以內。軸承端面精度不論是在滾動面研磨上，或是工具機主軸之軸徑向迴轉精度上皆非常重要(如圖17所示)。

3. 使用超級磨粒強化超光研削力
超光與無心研磨都是磨粒加工製程，但超光是採用定壓式並非進給式(如圖18所示)，工件經由導輪帶動旋轉，砂條固定於夾具(Holder)上並施加一固定負荷於工件表面，研削深度約在2~4μm左右，目的為去除前一道加工殘留之非晶層(Amorphous layer)、除去異常凸起、改善波紋度與降低表面粗糙度。由於超光的研削深度有限，因此對於前一道加工(例如無心研磨)所殘留之次表面破壞層，去除效果有限。在筆者實務經驗上，使用超級磨粒之砂條(例如CBN磨粒)對於去除異常凸起效果良好，避免滾動球與滾動面於高速運轉過程中發生接觸導致潤滑失效狀況發生。

高速滾動軸承必須考慮潤滑狀態是否良好、連續運轉溫升是否穩定以及疲勞壽命是否發生異常，必須兼顧性能、穩定性及安全性，因此必須以長時間表現對滾動軸承進行評價。本文說明滾動軸承從初期潤滑失效到疲勞破壞共歷經四個階段，依序為：(1)潤滑失效、(2)磨耗、(3)裂縫以及(4)接觸疲勞破壞。另外導致滾動軸承發生接觸疲勞主要有三個原因，包括：(1)鋼材缺陷、(2)異物粒子混入潤滑油與(3)滾動球-滾動面凸點接觸等。
研磨加工技術提升滾動軸承迴轉精度以及降低表面/次表面缺陷，也就是於滾動面面上建立平順且堅實的滾動面(如圖19所示)，是提高軸承極限轉速重要關鍵，方法包括：(1)無心研磨搭配中間修整降低次表面破壞、(2)精密雙端面研磨提升軸承精度、(3)使用超級磨粒強化超光研削力。提升滾動軸承高速化還包括滾動球尺寸、滾動球材質、保持器型式及潤滑方式等因素，未來有機會再撰文分享。

1. “Vibration Analysis Definitions: Rolling element bearings”, https://pdfcoffee.com/vibration-analysis-analysis-definitions-rollingelement-bearings-pdf-free.html, pp. 3-6.Gwidon W. Stachowiak, Andrew W. Batchelor,“Engineering Tribology”, Butterworth-Heinemann, pp.624-633, 2014.3.
2. Gwidon W. Stachowiak, Andrew W. Batchelor,“Engineering Tribology”, Butterworth-Heinemann, pp.534, 2014.
3. 羅勝益教授，磨削工具之應用(課程簡報)，華梵大學機電研究所,第39頁。
4. Winterthur Technology Group, “Centerless Grinding” Technical Report(provided by Carbo Tzujan Industrial Co.,Ltd.), pp. 3.
5. A.L.M.T. Corp, “Truing & dressing”, Technical Information, https://www.alliedmaterial.co.jp/en/products/diamond/knowledge/truing_dressing.html.
6. JTEKT, “ID Grinders”, https://www.koyomachinery.com/machine-tools/specialgrinders/id-grinders.html.