高速數（shù）控機床主軸（zhóu）軸承（chéng）精（jīng）度及其保持性分析

在高端裝備製造業中，數控機床是不可或缺的工作設備。隨著（zhe）時代的發展，數控機床的特點也發（fā）生了變化，逐漸（jiàn）向高速（sù）化、智能（néng）化、高精度方向發展。近年來（lái），中國軸承產業不斷發展進步，產業經濟規模已居（jū）世界軸承總量第三（sān）位。但（dàn）與世界軸承工業強國相比，我國生產的（de）軸承質量仍有一定差距（jù），主要表現在高技術、高精度、高附加值產品（pǐn）比重較低，相關產品的穩（wěn）定性有待進一步提高。

一般來說，精密機床用（yòng）的係列高端軸承是這種設備中最精密的產品。然而，國內機床軸承生產企業普遍處於R&D能力弱、製造（zào）水平低、原材料配套條（tiáo）件（jiàn）差的局麵，導致國內（nèi）高端軸承的精（jīng）度、耐久性、性能穩定性、壽命和可靠性與國際先（xiān）進水平存在較大差距。因此，高端（duān）機（jī）床軸承在全球範圍內大多被美、日、歐等公司壟斷，而國內機床精密主軸軸承（chéng）生產企業仍處（chù）於不係統的R&D、製造和應用。高端軸承的設計和應用沒有完整的產業鏈，對高端軸承應用需求的響（xiǎng）應能力不足，導致我國高速高精度數控機床（chuáng）軸承的自主性沒有突破。在（zài）這種情況下，分析高速數控機床主軸軸承的精度和保持力具有重要的現實意義。

1.高速數控機床主軸軸承概述。

作（zuò）為軸承機床運轉的“芯片”，它是機床（chuáng）製造中重要而關鍵的基礎零（líng）件之一，直（zhí）接決定著（zhe）機床產（chǎn）品的性能、質（zhì）量和可靠性（xìng）。精度和切削（xuē）能力是衡量機床質量的兩個重要標（biāo）準。它們取決於機床的總體設計，但在很大程度上也取決於機床工件的軸承係統（tǒng）。軸承的結構（gòu）和精度在很大程度上決（jué）定了機床的性能。高檔數控機床主（zhǔ）軸軸承需要P4及以上精度的高精（jīng）度滾（gǔn）動軸（zhóu）承。隨著現（xiàn）代機床向高精度（dù）、高效（xiào）率、高智（zhì）能化方向發（fā）展，對機床主軸軸承不斷提出新的更高的要求，如更高的回轉精度、更高（gāo）的靜剛度（dù）和動剛度、更高的極限轉速、更低的溫升和摩擦力矩、更高的精（jīng）度保持率等（děng）。與此同（tóng）時，對安裝使用（yòng）、調整維護、潤滑密（mì）封更加方便的要求（qiú）也不斷提出（chū）。集成化、單元化和智能化已成為數控機床主軸軸承的技術（shù）發展目標。

精密（mì）軸承廣泛（fàn）應用於（yú）高精度機床主軸、機器人、新能源電（diàn）機和空氣壓縮機。隨著技術（shù）的不斷進步（bù），對精密軸承的要求（qiú）越來越高（gāo）。隨著數（shù）控（kòng）技術（shù）的快（kuài）速（sù）發展，複合化、高速化、智能化、精密化和（hé）環（huán）保化已成為機床行業技術發展的主要趨勢。精密軸承作為機床的（de）基礎部件，其性能將直接影響機床的轉速、回轉精（jīng）度、剛度、抗振切削性能、噪聲、溫升和熱變形。因（yīn）此，未來我國高檔數控（kòng）機床的主軸軸承和機器人軸承將呈現高精（jīng）度、高剛度、高（gāo）承載能力、高可靠性、低摩擦力矩、長壽命、新材（cái）料、新結構的特點。

主要研究方向。

電主軸是三大高科技數控機床(高速（sù）電主軸、數控係統和進給驅動)之一。隨著越來越（yuè）多的機械設備向高速（sù）、高（gāo）精度、高效率和高智能方向發展，電主軸已經成為高性能數控機床最合（hé）適的核心功能部件之一。在某些（xiē）領域用電（diàn）主軸代替傳統的機械主軸是機床行業的（de）發展趨勢。電主軸按（àn）使用的（de）軸承類型可分（fèn）為滾動軸承、空氣軸承、液體滑動軸承和磁懸浮（fú）軸承（chéng），其中滾動軸承、空氣軸承和液體滑動軸承是目前電主軸（zhóu）應用最廣泛（fàn）的軸承類型（xíng）。滾（gǔn）動（dòng）電主軸具有低摩擦阻（zǔ）力、低功耗、高（gāo）精度、高剛性、成本相對較低、易於係列化和標準化、承載能力強、可（kě）應用於大（dà）載荷等優點。浮動軸承電主軸采用“氣膜”支撐，與滾動軸（zhóu）承電主軸和液（yè）體滑動軸承電主（zhǔ）軸相比，具有結構緊湊、體積小、摩擦損（sǔn）失小、噪音低、熱穩定性好（hǎo）、汙染小、使用壽（shòu）命長、回轉精度高、極限轉速高等特點。液體軸承電主軸由液（yè）體“油膜”支撐，具有明顯的“誤差均（jun1）衡效應”和阻尼減振作用，具有回（huí）轉精度高、剛度大、磨損小、使用壽命長等特點。

2.國內外高速數控機床主軸軸承發（fā）展對（duì）比分（fèn）析。

受加工設備、製（zhì）造工藝和相關技術的限製（zhì），我國機床軸承行業整體水平與國外先進水平差（chà）距較大。目（mù）前國內能批量生產並配套精密機床軸承的企（qǐ）業隻（zhī）有幾家。國外精（jīng）密機床軸承雖然性能優良、可靠性高，但存在價格高、交貨時間長（zhǎng）等問題，國外供應商可能會采（cǎi）取限製供應等措施，嚴（yán）重阻礙我國重大裝備製（zhì）造（zào）業的發展，影響（xiǎng）我國經濟運行和國家（jiā）安全。

同時，受（shòu）國內高端數控機床行業整體發展的影響，高（gāo）端數控機床主（zhǔ）軸軸承市場主要被國外軸承廠商占據。國內隻有少數軸承企業開發了部分產（chǎn）品，但在核（hé）心（xīn）高端數控機床上應用和實踐仍有一（yī）定難度。高端機床功能部件的（de）缺乏已經成為我國高端數控機床發展的（de）最大製（zhì）約因素。“中國製造2025”期間，機床行業的主要目標之一是推進高端數（shù）控機床功能部（bù）件的產（chǎn）業化進程。因此，發（fā）展我國高端數控機床重要功（gōng）能（néng）部件(高可靠性、高速、超精密軸承（chéng）)，可以有效提高（gāo）我（wǒ）國高端數控機床重要功能部件的自主化率，滿（mǎn）足我國機（jī）械、航空航天等產業發展的需（xū）要，有助於實現“中國製造2025”的產業目標和振興我國裝備製造業的戰略目標。

經過多年發展，我國機床軸承產業已形成相當規模，但國產高端（duān）機床軸承產品的壽命和精（jīng）度與國際先進水平仍有一定差距。這主要體現在（zài）三個方麵。第一（yī）個方麵是高轉（zhuǎn）速。歐美（měi）機床主（zhǔ）軸用角接觸球軸（zhóu）承以油氣潤滑為主，最（zuì）高（gāo）dmn為4×106mm·r·min-1，油潤滑平均dmn為2.0×106 ~ 2.5×106mm·r·min-1，脂潤滑最高dmn為2.0×106mm·r·min-1。圓柱滾子軸承。以角接觸球軸承為例。目前我國油氣潤滑軸承的dmn值為1.2×106 ~ 1.8×106mm·r·min-1，脂（zhī）潤（rùn）滑軸承的DMN值（zhí）為1.0×106mm·r·min-1。承（chéng）載速度還（hái）是（shì）有一定差距的。第二個方麵是精度水平。一般機床主軸軸承公差等級在P5以上。數控機床、加工中心等高速高精度機（jī）床的主軸（zhóu）軸承，應選（xuǎn）用P4及以上精度。SKF公司機床（chuáng）主軸用角接觸球軸承的“標準公差等級”為P4A或P7，即回轉精度為P2，尺寸精度為P4，圓柱滾子軸承的“標準（zhǔn）公差等級”為s P，即回轉精度為P4，尺寸精度為P5。

FAG公司機（jī）床主軸用角接觸球軸承（chéng）的“標（biāo）準公（gōng）差等級（jí）”為H4S，部分指標高於P4。高精度車床用NSK主軸軸（zhóu）承（chéng）的“標（biāo）準（zhǔn）公差等級”和P4一樣高。目前（qián），中國（guó）可以生產P4級軸承，但無法實現工業化。第三個方麵是長精度壽命。機床軸承的使（shǐ）用壽命通常不是用疲勞壽命來評價，而是用精度壽命或磨損壽命來評價。這是因為主軸軸（zhóu）承滾子與滾道的接觸應力一般低於其（qí）疲（pí）勞極限（xiàn）(如一般規定為1500 MPa，球軸承參考（kǎo）值為2200 MPa)。而且（qiě）潤滑、密封等運（yùn）行條件相對較好，即一（yī）般認為軸承處於“理想狀態（tài）”，而國產軸承的長精密壽（shòu）命較（jiào）低。

此外，在產品創新、R&D和高端數控機（jī）床用高可靠（kào）性（xìng）高速超精密軸承的檢測方麵，我國軸承也存在差距。例（lì）如，缺乏基礎理論和共性技術研究，企業產品研（yán）發和測試水平較低，創新體係（xì）建設（shè）和運行、R&D資金投入（rù）和人才開發（fā）仍處於較低水平。在實際製造技術（shù）方麵，我國製造技術發展緩慢，很（hěn）多（duō）關鍵技術未能取得突（tū）破。例如，在關鍵熱處（chù）理（lǐ）工藝中，國外碳化物平均尺寸在1微（wēi）米以下，晶粒度在9.5以上，而國內碳化物平均尺寸在4微米以下，晶粒度（dù）一般在（zài）9.5以下。

3.影響高速角接觸球軸承（chéng）精度的因素（sù）

高速角接觸球軸承的精度（dù）主要受三個因素影響:57個因素（sù）的設計和研究。第一個方（fāng）麵是由軸承部件的外部形狀引起的誤差（chà）。在軸承部件的製造過程中，一般會（huì）存在形狀誤差，如內外圈的圓度誤差、滾動（dòng）體的球麵誤差等，這些（xiē）都會影響軸承的振動、運（yùn）行可靠性和（hé）磨損（sǔn）。在載荷的作（zuò）用下，角（jiǎo）接觸球（qiú）軸承的回轉精度會因套圈滾道的圓度誤差和鋼球的球麵誤差而產生波動，這是一種常見的形狀誤差。在這種情況下（xià），套圈的受力（lì）分布不均勻，一些零件（jiàn）的磨損會加（jiā）快，軸承的精度會降低。第二個方麵是表麵特征。零件的表麵特征包括（kuò）許多方麵（miàn），如波紋度、粗糙度、表麵（miàn）形狀等。，這主要取決於設（shè）備（bèi）的製造工藝。

對於角接觸球軸承，套圈滾道和鋼球表麵的波紋度和粗糙度會影響軸承的精度。軸承表麵的波（bō）紋主要是由軸承製造（zào）過程中砂輪的局（jú）部振動引起的（de）零件（jiàn）表麵的周期性波動引起的。波紋的（de）波長將大於赫茲接觸寬度（dù），因此當軸承高速旋轉時，軸承旋轉的精度將受到影響。此外，表（biǎo）麵粗糙度也是（shì）評價軸承質量的一（yī）個指標。粗糙（cāo）度的實際波長通常需要小於赫茲接觸寬度，具（jù）體粗糙度值以要求為準。過大或過小都會影響軸承精度。第三個方麵是工作（zuò）條件。滾動（dòng）軸承（chéng）的外部工作條件會影響軸承的精度，如裝配方式、載荷類型、潤滑等。在實際應用過程中，應根據實際情（qíng）況合理調試工況，使軸承達（dá）到足夠的（de）精度。

為了保證高（gāo）速數控機床主軸的剛度，需要使用較大的角（jiǎo）接觸球軸承。在這種情況下，在滾（gǔn）動元件和內外圈的滾道之間不會有大的接觸應力。然（rán）而，軸承的失效往往是由於軸承滾道、滾動體和保持架之間磨損嚴重，導致軸承精度降（jiàng）低，因此其工作性（xìng）能不符合要求。首（shǒu）先是角接觸球軸承的接觸角。一旦軸（zhóu）承內外圈接觸角差變大，保持架磨損會更嚴重，直至軸（zhóu）承損壞。因此，需要減小軸承內（nèi）外圈（quān）的接（jiē）觸角差。

其（qí）次，旋滾比會造成鋼球與滾道接觸麵的滑動磨損。隻有轉滾（gǔn）比越小，滑動磨損才會越低。再次，軸承剛度需（xū）要根（gēn）據不同類（lèi）型機床的要求進行選（xuǎn）擇，以降低振（zhèn）動為標準，保持軸（zhóu）承的臨界轉（zhuǎn）速遠離主軸係統的工（gōng）作轉速。最後是接觸麵的接觸（chù）應力。滾動麵上的接觸應力越（yuè）大，磨損就會越嚴重，所以要盡量減小接（jiē）觸麵（miàn）上的接觸應力。

用（yòng）於高速數控機床（chuáng）主軸（zhóu）軸承的高端塑（sù）料保持架是保持軸承性能的關鍵。相關企業（yè）應製定超精密軸承（chéng）用塑料保（bǎo）持架精密注射成型工藝標準，開展超精密（mì）軸承用塑料（liào）保持架技術研（yán）究。傳統的其他材料的保持架不能滿足軸承性能的要求，而塑料的保持架可以滿（mǎn）足要求（qiú）。其實（shí）際技術指標（biāo）為:注塑精度提（tí）高到0.01 mm，重複精度偏差提高到0.2 g，高溫(240℃)下長期使（shǐ）用仍保持較高的機械強度，耐大部分化學試劑腐（fǔ）蝕，具有一（yī）定的尺（chǐ）寸穩（wěn）定性，吸（xī）水率低於0.1%，塑料（liào）低線膨（péng）脹係數（shù）符合要求，耐疲勞（láo）。

4.結論。

精（jīng）密機床用係列高端軸承是軸承中最尖（jiān）端的產品。由於國內機床軸承生產企業普遍處於R&D能（néng）力弱、製造技術水平（píng）低（dī）、原材料配套條件差的局麵，國產高端軸承的（de）精度耐久性、性能（néng）穩定性，特別是壽命可靠性遠遠落後於國際先進水平，導致高端機床軸承在全球範圍內被少數美、日、歐（ōu）公司壟斷。然而，國（guó）內機床精密主軸軸承生產企業處於研發（fā）、製造和應用不係統的階段（duàn），高端軸（zhóu）承的設計和應（yīng）用沒有完整的產業鏈，滿足高端軸承應（yīng）用需求的能力（lì）不足（zú），導致我國高速高精度數控（kòng）機床軸承的自主性沒有突破。因此，對高速數控機床（chuáng）主軸軸承精度及其保持力的分析有助於機床（chuáng）軸（zhóu）承行業的發展，對推動軸承技術進步具有積極（jí）意義。