高速數控機床主軸軸承精度及其保持性分析

在高端裝（zhuāng）備製造業中，數（shù）控機床是不可或缺的工作設備。隨著時代（dài）的發展，數控機床的特點也發生了變化，逐漸向高速化、智能（néng）化（huà）、高精度方向發展。近年來，中國軸（zhóu）承產業不斷（duàn）發展進（jìn）步，產業經濟規（guī）模已居（jū）世界軸承（chéng）總（zǒng）量第三位。但與世界（jiè）軸承工業強國相比，我國（guó）生產的軸承質量（liàng）仍有一定差距，主要表現在（zài）高技術、高精（jīng）度、高附加值產（chǎn）品比重較低，相關產品的穩定性（xìng）有待進一步提高。

一般（bān）來說，精密機床用的係列高端軸承（chéng）是這種設備中最精密的產（chǎn）品。然而，國內機床（chuáng）軸承生（shēng）產企業普遍處於R&D能力弱（ruò）、製造水平低（dī）、原材料配套條件差的局麵，導致國內高端軸承的精（jīng）度、耐久性、性能穩定性（xìng）、壽命和可靠性與國際先進水平存在較大差距（jù）。因此，高端機床軸（zhóu）承（chéng）在全球範圍內（nèi）大多被美、日、歐等公司壟斷，而國內機床精密主軸軸承生產企業仍處於不係統的R&D、製造和應用。高端軸（zhóu）承（chéng）的設計（jì）和應用沒有完整的（de）產業鏈，對高端軸承應用需求的響應能力不足，導致我國高速高精度數控機（jī）床軸承的自（zì）主（zhǔ）性沒（méi）有（yǒu）突破。在這種情況下，分（fèn）析高速數控機（jī）床主軸軸承（chéng）的（de）精度和保持力具（jù）有重要的現實意義。

1.高（gāo）速數控機床主軸軸承概（gài）述。

作（zuò）為軸承機床（chuáng）運轉的“芯片”，它是機床製（zhì）造中重要（yào）而關鍵的基礎（chǔ）零件之一，直接決定著機床產品的性能、質量和可靠性。精度和切削能力是衡量機床質量的兩個重（chóng）要標準。它們取決於機床的總體設計，但在很大程度上（shàng）也取決於機（jī）床工件的軸承係統。軸承的結構和（hé）精度（dù）在很大程度上決定了機床的性能。高（gāo）檔數控機床主軸軸承需要P4及以上精度的高（gāo）精度滾動軸承。隨著現代機床向（xiàng）高精度、高效率、高智能化方向發展，對機床主軸（zhóu）軸（zhóu）承不斷提出新的更高的要求，如更高的回轉精度、更高的靜剛度和動（dòng）剛度、更高的極限轉速、更低的溫升和摩（mó）擦力矩、更高的（de）精度保持率等（děng）。與此同時，對安裝使用、調（diào）整維護、潤滑密封更加（jiā）方便的要求也不斷提出。集成化、單元化（huà）和智能化已（yǐ）成為（wéi）數控機床主軸軸承（chéng）的技術發展目標。

精密（mì）軸承廣（guǎng）泛應用於高精度機床主軸、機器人、新能源電（diàn）機和空氣壓縮機。隨著（zhe）技術的不斷進（jìn）步，對精密軸承的要求越來越高。隨著（zhe）數控技術的快速發展，複合化、高速化、智能化、精密化和環保化已成為機床行業技術發展（zhǎn）的主要趨勢。精密軸（zhóu）承（chéng）作為機床的基礎（chǔ）部件，其性能將直接影響機床的轉（zhuǎn）速、回轉精度、剛度、抗（kàng）振切削性能（néng）、噪聲、溫升（shēng）和熱（rè）變形。因此，未來我國高檔數控機床的主軸軸承（chéng）和機器人軸承將呈現高精度、高剛度、高承載能力、高可靠（kào）性、低（dī）摩擦力矩、長壽命、新材料、新結構的特點。

主要研究（jiū）方向。

電主軸是三大高（gāo）科技數控機（jī）床(高速電主軸、數控係統和進給驅動)之一。隨著越來越多的機械設備向高速、高精度、高效率和（hé）高智能方向發（fā）展，電主軸已經成為高性能數控機床最合適的核心功能部件之（zhī）一。在某些領域用電主軸代替傳統的機械主（zhǔ）軸是機床行業的發（fā）展趨勢（shì）。電主軸按使用的軸承類型可分為滾動軸承、空氣軸承、液（yè）體滑動軸（zhóu）承和磁懸浮軸承，其中滾（gǔn）動軸承、空氣軸承和液體滑動軸承是目前電主軸應（yīng）用最廣泛的軸承類型。滾動電主軸具有低摩擦（cā）阻力（lì）、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、可應用於大載荷等優點。浮動軸承（chéng）電主軸采用“氣膜”支撐，與滾動軸承電（diàn）主軸和液體滑動軸承電主軸相比，具有結構緊湊、體（tǐ）積小、摩擦損失小、噪音低、熱穩定性好、汙染（rǎn）小（xiǎo）、使用壽命長、回轉精度高（gāo）、極限轉速高等特點。液（yè）體軸（zhóu）承電主（zhǔ）軸由液體“油膜”支撐，具有明顯的“誤差均衡效應”和阻尼減振作用，具有回轉精度高、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展（zhǎn）對比分析。

受加工設備（bèi）、製造工藝和相關技術的限製（zhì），我國機床軸承（chéng）行業整體水平與國外先進水平（píng）差距較大。目前國內能批量生產並配套精密機（jī）床軸承的企業隻有幾家。國外精密機床軸承雖然性能優良、可靠性高，但存在（zài）價格高、交貨時間長等（děng）問題（tí），國外供應（yīng）商（shāng）可能會采取限製（zhì）供應等措施，嚴重阻礙我國重大裝備製造業的發展，影響我國經（jīng）濟運行和國家安全。

同時，受國內高端數控機床行業整體發展的影響，高端（duān）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（fèn）產品，但在核心高端數控機床上應用和實踐仍（réng）有一定難度。高端機床功能部件的（de）缺乏已經（jīng）成為我國高端數控（kòng）機床（chuáng）發展的最大製約因素（sù）。“中國製造2025”期間，機床行業的（de）主要目標之一是推進高端（duān）數控機床功能部件的產業化進程。因此，發展我國高端數控機床重（chóng）要功能部件(高可靠性（xìng）、高速、超（chāo）精密軸承)，可以有效提高我國高端數控機床重要功能部件的自主化率，滿足我國機械、航空航天等產業發展的需要，有助於實現“中國（guó）製造2025”的產業目標和振興我國（guó）裝備製造業（yè）的戰略目標。

經過多年發展，我國機床軸承（chéng）產業已形成（chéng）相當規模，但國產高端機床軸承產品的壽命和精度與國際先進水平仍有一定差距。這主要體現（xiàn）在三（sān）個方麵。第一個方麵是高轉速。歐美機床主軸用（yòng）角接觸球軸承以油氣潤（rùn）滑為主，最高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（qián）我國油（yóu）氣潤滑軸承的dmn值為1.2×106 ~ 1.8×106mm·r·min-1，脂潤滑軸承的DMN值為1.0×106mm·r·min-1。承載速度還（hái）是有一定差距的。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床（chuáng）的主軸（zhóu）軸承，應選用P4及以上（shàng）精度。SKF公（gōng）司機床主軸用角（jiǎo）接觸球軸承的“標準公（gōng）差等級”為P4A或P7，即回轉精度為P2，尺寸精度（dù）為P4，圓柱滾子軸承的“標準公差等級（jí）”為s P，即（jí）回轉精（jīng）度為P4，尺（chǐ）寸精度為P5。

FAG公司機床（chuáng）主軸用角接觸球（qiú）軸承的“標準公差等級”為（wéi）H4S，部（bù）分（fèn）指標（biāo）高於P4。高精度車床用NSK主軸軸承（chéng）的“標準公差等級”和P4一樣高。目前，中國可以生產P4級軸承，但無法實現工業（yè）化。第三個方麵是長精度壽命。機床軸承的使用（yòng）壽命通常不（bú）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（zhǔ）軸軸承滾子與滾道的接觸應力一般低於其疲勞（láo）極限（xiàn）(如一般規定為1500 MPa，球軸（zhóu）承參考值為2200 MPa)。而且潤滑、密封等運行條件相對較好，即一般認為軸承處於“理想（xiǎng）狀態”，而國（guó）產（chǎn）軸承的長精（jīng）密壽命（mìng）較低。

此外，在產品創新、R&D和高端數控機床用高可靠性（xìng）高速超精密（mì）軸承的（de）檢測方麵，我國軸承也存在差距。例如，缺乏基（jī）礎理論和共（gòng）性技術研究，企業產品（pǐn）研發和（hé）測試水平較低，創（chuàng）新體係建設和運行（háng）、R&D資金投入和人才開發仍處於較低水平。在（zài）實際製造技術方麵，我國製造技術發展（zhǎn）緩（huǎn）慢，很多關鍵技術未能取得突破。例如，在關鍵熱處理工藝中，國（guó）外碳化物平均尺寸在1微米以下，晶粒度（dù）在9.5以上，而國內碳化物平（píng）均尺（chǐ）寸在（zài）4微米以下，晶粒（lì）度一般在9.5以下。

3.影響高速（sù）角接觸球軸承精度的因素

高速（sù）角接觸（chù）球軸承的精度主要受三個因素影響:57個（gè）因素的設計和研究。第（dì）一個方麵是由軸承部件的外部形狀（zhuàng）引起的誤（wù）差。在軸承部件的製造過程中，一般會存在（zài）形狀（zhuàng）誤差，如內外圈的圓度誤差、滾動體的球麵誤差等，這些都會影響軸承的振動、運行可靠性和磨損。在載荷的作用下，角接觸球軸承的回轉精度會因套圈（quān）滾道的圓度誤（wù）差（chà）和鋼球的球麵誤差而產生波動（dòng），這是一種常見的形狀誤差。在這種情況下，套圈（quān）的受力分（fèn）布不均勻，一些零件的磨損會加快，軸承的精（jīng）度會降低。第二個方麵是表麵特征。零件的表麵特征包括許多方麵，如波（bō）紋度、粗糙度（dù）、表麵形狀（zhuàng）等。，這主（zhǔ）要取決於（yú）設備的製造工藝。

對（duì）於角接觸球軸承（chéng），套圈滾道和鋼球表（biǎo）麵的（de）波紋度和粗糙度會影響軸承的精度。軸承表（biǎo）麵的波（bō）紋主要是由（yóu）軸承製造過程中砂輪的局部（bù）振動引（yǐn）起的零件表（biǎo）麵的周期性波動引起的。波紋的波長將大於赫茲接觸寬度，因此當軸承高速旋轉時，軸承（chéng）旋（xuán）轉的精度將（jiāng）受到影響。此外，表麵粗糙度也是評價軸承質量的一個指標。粗糙度的實際波長通常需要小於赫（hè）茲接觸（chù）寬度，具體粗糙度值以要求為準。過大或過小都會（huì）影（yǐng）響軸承精度（dù）。第三個方麵是工（gōng）作條件。滾動軸承的外部工作條（tiáo）件（jiàn）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，應根據實際情況合理調試工（gōng）況，使軸承達到足（zú）夠的精度。

為了保證高速數控機床主軸的剛度，需要（yào）使用較大（dà）的角接觸球軸承。在這種情況下（xià），在滾動元件和內外圈的（de）滾道之間不會有大的接觸應力。然而，軸承（chéng）的失效往往是由於軸承滾（gǔn）道、滾動體和保持架之（zhī）間磨損嚴重，導致軸承精度降低，因此其工作性能不符（fú）合要求。首先是角（jiǎo）接觸球軸承的接觸角。一旦軸承內外圈接（jiē）觸角差變大，保持架磨損（sǔn）會更（gèng）嚴重，直至軸承損壞。因此，需（xū）要減小軸承（chéng）內外圈的（de）接觸角差。

其次，旋滾比會造成鋼球與滾道接觸麵的滑動磨損。隻有轉滾比越小，滑動磨（mó）損才會越低。再次，軸承剛度需要（yào）根據不同類型機床的要求（qiú）進行（háng）選擇，以降低振動為標（biāo）準，保持軸承的（de）臨界轉速遠離主軸係統的工作轉速。最後是接觸麵的接觸應力。滾動麵上的接（jiē）觸應力越大，磨損就會越嚴重，所以要盡量減（jiǎn）小接觸麵上的接觸應力。

用於高速數控機床主軸軸承的高端塑料保持架是保持軸（zhóu）承性能的關鍵。相關企業應製定超精（jīng）密軸承用塑料保持架精密注射（shè）成型工藝標（biāo）準，開展超精密軸承用塑料保持架技術研究（jiū）。傳統的其他材料的保持（chí）架不能滿（mǎn）足軸承性能的要求，而（ér）塑料的保持架可以滿足要求。其實（shí）際技術指標為:注塑精（jīng）度提高到0.01 mm，重複精度偏差提高到0.2 g，高溫(240℃)下長期使用仍保持較高的機械強度，耐（nài）大部分（fèn）化學試劑腐蝕，具有一定的尺寸穩定性，吸（xī）水率低於0.1%，塑料低線膨脹係（xì）數符合要求，耐疲勞。

4.結論。

精密機床用係列高端軸承是（shì）軸（zhóu）承中最尖（jiān）端（duān）的產品。由於國內機床（chuáng）軸承生產企業（yè）普遍處於R&D能力弱、製造技術水（shuǐ）平（píng）低、原材料配（pèi）套條件差（chà）的局麵，國產高端軸承的精（jīng）度耐久性、性能穩定（dìng）性，特別（bié）是壽命可靠性遠遠落後於（yú）國際先進水平，導致高端機床軸承在全球範圍內被少數（shù）美、日、歐公司壟斷。然而，國（guó）內機床精密主軸軸（zhóu）承生產企業處於研發、製（zhì）造和應用不係統的階段，高端軸承的設計（jì）和（hé）應用沒有完整的產業（yè）鏈，滿足高端軸承應用（yòng）需求的能力（lì）不足，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（cǐ），對高速數控機（jī）床主（zhǔ）軸軸承精度及其保持力的分析有助於機床軸承行業的發展，對推（tuī）動軸承技術進步具有積極意義。