高速數控機床主軸軸承精度及其保持性分析
2022-7-7 來源： 上海人本精密機械有限公司湖州分公司 作者：楊文飛
摘要：在機床的主軸部件之中，機床主軸軸承是確保機床運行的重要部件。機床主軸的軸承在運行過程中會受到多方面作用的影響，不僅有軸向以及徑向的載荷，而且需要注意在高速運轉狀態下的旋轉精度與溫度的變化等問題。在實際的高速數控機床運用過程中，應該盡量提升軸承的剛度，以延長軸承的精度壽命。同時，在提高機床主軸工作轉速時，還要使其保持更高的旋轉精度。因此，對于高速數控機床主軸軸承精度及其保持性分析，有著非常重要的現實意義。
關鍵詞：高速數控機床；主軸軸承；精度；保持性
在高端裝備制造行業之中，數控機床是必不可少的工作設備。隨著時代的發展，數控機床的特點也有了變化，逐漸變得更加高速化、智能化、高精度化。近年來，我國軸承產業不斷發展進步，產業經濟規模已居世界軸承總量的第三位，但是與世界軸承工業強國相比，我國生產的軸承質量還存在一定差距，主要表現為高技術、高精度、高附加值的產品比例較低，相關產品的穩定性需要進一步的提高與改進。
一般情況下，精密機床使用的系列高端軸承是該設備中最精密的尖端產品，但由于國內機床軸承生產企業普遍處于研發能力弱、制造水平低、原材料等配套條件差的情況，導致國產高端軸承的精度、耐久性、性能穩定性、壽命和可靠性與國際先進水平有較大差距，因此高端機床軸承在全球范圍內大多被美日歐等企業壟斷，而國內機床精密主軸軸承生產企業還處于非系統化研發、制造和應用的階段。對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應對能力不足，導致我國高速高精度數控機床軸承的自主化未取得突破性進展。 在這種情況下，分析高速數控機床主軸軸承的精度及其保持性，有著非常重要的實際意義。
1、關于高速數控機床主軸軸承的相關內容概述
軸承作為機床運行的“芯片”，是機床制造中重要的、關鍵的基礎零部件之一，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要標準。它們取決于機床的整體設計，但在很大程度上也取決于機床工件的軸承系統。軸承的結構和精度在很大程度上決定了機床的性能。高檔數控機床主軸軸承需要精度為 P4及以上高精度等級的滾動軸承。隨著現代機床向高精度、高效率、高智能化的方向發展，對機床主軸軸承也不斷提出了新的更高要求，如更高的回轉精度、更高的靜態剛性和動態剛性、更高的極限轉速，更低的溫升和摩擦力矩以及更高的精度保持性等。同時，更方便安裝使用、調整維修、潤滑密封等訴求也在不斷提出，集成化、單元化、智能化已成為數控機床主軸軸承的技術發展目標。
精密軸承廣泛應用于高精密機床主軸、機器人、新能源電機和空壓機等高精密度要求的場合。隨著技術的不斷進步，對精密軸承的要求也越來越高。隨著數控技術的快速發展，復合、高速、智能、精密和環保已成為當今機床工業技術發展的主要趨勢。精密軸承作為機床的基礎配套部件，其性能會直接影響到機床的轉速、回轉精度、剛性、抗振動切削性能、噪聲、溫升及熱變形。因此，未來中國高檔數控機床主軸軸承和機器人軸承將以高精度、高剛性、高承載、高可靠性、低摩擦力矩、長壽命、新材料以及新結構等為
主要研究方向。
電主軸是數控機床三大高新技術之一（高速電主軸、數控系統、進給傳動）。隨著越來越多的機械裝備向著高速、高精、高效、高智能化方向發展，電主軸已成為最適宜高性能數控機床的核心功能部件之一，在部分領域用電主軸取代傳統機械主軸是機床工業發展的趨勢。電主軸按采用的軸承類型可分為滾動軸承、氣浮軸承、液體滑動軸承和磁懸浮軸承等，其中滾動軸承、氣浮軸承、液體滑動軸承是目前電主軸應用最廣泛的軸承類型。滾動軸承電主軸摩擦阻力小、功耗小、精度高、剛度高，且成本相對較低，便于系列化和標準化，承載能力強，可適用較大載荷。氣浮軸承電主軸以“氣膜”作為支撐，具有結構緊湊、體積較小、摩擦損耗較小、噪聲低、熱穩定性好、污染小、壽命長以及回轉精度和極限轉速高于滾動軸承電主軸和液體滑動軸承電主軸的特點。液體滑動軸承電主軸以液態“油膜”為支撐，具有顯著的“誤差均化效應”和阻尼減振性，特點為回轉精度高、剛度高、磨損小、壽命長。
2、國內外高速數控機床主軸軸承發展對比分析
受加工設備、制造工藝以及相關技術的限制，我國機床軸承行業整體水平與外國先進水平存在比較大的差異。目前，國內能夠批量生產、配套生產精密機床軸承的生產廠家只有少數企業。雖然國外精密機床軸承產品性能優良、可靠性高，但存在價格昂貴、交貨期長的問題，且國外供應商可能會采取限制供應等措施，嚴重阻礙了我國重大裝備制造業的發展，并影響我國經濟的運行和國家的安全。
同時，受國內高端數控機床行業發展整體的影響，目前高檔數控機床主軸軸承的市場亦主要被國外軸承生產企業所占有，國內只有少數軸承企業研制開發了部分產品，但是依然難以在核心高檔數控機床中應用與實踐。高端機床功能部件的缺失已成為中國高檔數控機床發展的最大掣肘。“中國制造 2025”期間，機床行業的主要目標之一就是推進高端數控機床功能部件的產業化進程。因此，發展精密高端數控機床的重要功能部件（高可靠性高速超精密軸承），能有效提升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、航空航天等工業發展的需要，有助于實現“中國制造 2025”產業目標以及我國振興裝備制造業的戰略目標。
經過多年的發展，我國機床軸承產業已經形成了相當大的規模，但國內高端機床軸承產品的壽命、精度與國際先進水平仍存在一定的差距。這主要體現在3個方面。第一個方面是高轉速。 歐美機床主軸用角接觸球軸承主要采用油氣潤滑，dmn 值 最 高 可 達 4×106 mm·r·min-1， 油潤滑 dmn值 平 均 可 達 2.0×106～ 2.5×106 mm·r·min-1， 脂潤滑 dmn 值最高可達 2.0×106 mm·r·min-1， 圓柱滾子軸承采用油氣潤滑采用油氣潤滑 dmn 值可達2.0×106～ 2.5×106 mm·r·min-1。以角接觸球軸承為例， 我國目前采用油氣潤滑的軸承 dmn 值 為1.2×106～ 1.8×106 mm·r·min-1， 脂潤滑時 dmn 值為 1.0×106 mm·r·min-1，在軸承轉速上尚有一定差距。第二個方面是精度等級。機床主軸軸承的公差等級一般均為 P5 以上，用于數控機床、加工中心等高速、高精密機床的主軸軸承，則需選用 P4 及以上精度。SKF 公司的機床主軸用角接觸球軸承“標準公差等級”是 P4A 或 P7，即旋轉精度為 P2，尺寸精度為 P4，圓柱滾子軸承的“標準公差等級”是 SP，即旋轉精度為 P4，尺寸精度為 P5。
FAG 公司的機床主軸用角接觸球軸承“標準公差等級”是 H4S，部分指標高于 P4。NSK 用于高精度車床的主軸軸承“標準公差等級”高達 P4。我國目前雖然可以生產 P4 級軸承，但是無法實現產業化。第三個方面是長精度壽命。機床主軸軸承的使用壽命通常不是按疲勞壽命評定，而是按精度壽命或磨損壽命來評定。這是由于主軸軸承滾動體與滾道的接觸應力一般都低于其疲勞極限（如一般規定為 1500 MPa，球軸承可參考值為 2200 MPa），而且潤滑、密封等運轉條件都比較良好，
即一般認為是處于“理想狀態”的軸承，而國產軸承的長精度壽命偏低。
另外，在高端數控機床高可靠性高速超精密軸承的產品創新研發以及測試方面，我國的軸承也存在差距，如缺乏基礎理論共性技術研究，企業產品研發、檢測試驗水平低，在創新體系的建設和運行、研發資金的投入、人才開發等方面仍處于低水平。在實際制造工藝方面，我國的制造工藝技術發展緩慢，許多關鍵工藝的技術難題攻關未能取得突破。例如：關鍵熱處理工藝中，國外的碳化物平均尺寸在 1 μm 以下，晶粒度在 9.5 級以上，國內的碳化物平均尺寸在 4 μm以下，晶粒度一般在 9.5 級以下。
3、高速角接觸球軸承精度的影響因素
高速角接觸球軸承精度主要會受到 3 個方面的因設 計 與 研 究57素影響。第一個方面是軸承部件的外部形狀導致的誤差。在軸承部件的加工制造過程之中，一般都會出現形狀誤差，如內外圈滾道的圓度誤差、滾動體的球形誤差等，都會對軸承的振動、運行可靠性與磨損造成影響。在荷載的作用下，角接觸球軸承的旋轉精度會由于套圈滾道圓度誤差以及鋼球的球形誤差出現波動，這屬于較為常見的形狀誤差。在這種情況下套圈的受力分布不均勻，一些部位的磨損會加快，軸承的精度因此下降。第二個方面是表面特征。零部件的表面特征包含許多方面，如波紋度、粗糙度、表面形狀等，這主要取決于設備加工制造的過程。
對于角接觸球軸承來說，其套圈滾道與鋼球表面的波紋度、粗糙度均會影響到軸承的精度。軸承表面的波紋度主要是在軸承加工制造過程中，由砂輪部分振動而在部件表面形成的有周期性的起伏，波紋度的波長會大于赫茲接觸寬度，因此在軸承進行高速旋轉的時候就會影響到軸承旋轉的精度。另外，表面粗糙度也是評價軸承質量的指標，粗糙度的實際波長通常需要小于赫茲接觸寬度，具體的粗糙度值以符合要求為準，太大太小都會影響到軸承精度。第三個方面是工況條件。滾動軸承所處的外部工況條件會影響到軸承的精度，如裝配的模式、受載的類型、潤滑等。在實際應用過程中，工況條件應該根據實際情況進行合理調試，以使軸承可以達到足夠的精度。
若要保障高速數控機床主軸的剛度，就需要使用較大尺寸的角接觸球軸承。在這種情況下，滾動體和內外圈滾道之間不會有很大的接觸應力。然而，軸承的失效常常是因為軸承滾道、滾動體與保持架之間磨損嚴重，致使軸承精度減小，所以其工作性能不符合要求。首先是角接觸球軸承接觸角的問題，一旦軸承內外圈接觸角差值變大，就會使保持架磨損更加劇烈，直到軸承損壞，因此要減小軸承內外圈接觸角的差值。
其次是旋滾比，會致使鋼球和滾道接觸面產生滑動磨損。只有旋滾比越小，滑動磨損才會越低。再次是軸承剛度，需要參照不同型號的機床要求來選擇軸承剛度，以減少振動為標準，使軸承的臨界轉速遠離主軸系統的工作轉速。最后是接觸面的接觸應力。滾動面上的接觸應力越大，就會出現磨損越嚴重的狀況，因此需要在最大程度上降低接觸面的接觸應力。
高速數控機床主軸軸承配套使用的高端塑料保持架是保持軸承性能的關鍵，相關企業要制定企業超精密軸承配套用塑料保持架精密注塑成型工藝的標準，并進行超精密軸承配套用塑料保持架技術研究。使用傳統其他材質的保持架無法達到保持軸承性能的要求，而塑料材質的保持架則可以滿足需要，其實際的技術指標有：注塑精度提升至 0.01 mm、重復精度偏差提升至 0.2 g、高溫下（240 ℃）長期使用仍保持較高的機械強度、耐受大部分化學制劑的腐蝕、尺寸具備一定的穩定性、吸水率在 0.1% 以下、塑料中低線脹系數符合要求以及疲勞性在百萬次折彎性能中降低到 30% 之內。
4、結語
精密機床使用的系列高端軸承是軸承最精密的尖端產品，由于國內機床軸承生產企業普遍處于研發能力弱、制造技術水平低、原材料等配套條件差的情況，造成國產高端軸承的精度耐久性、性能穩定性、尤其是壽命和可靠性與國際先進水平有較大差距，導致高端機床軸承在全球范圍內基本被少數美日歐企業壟斷。而國內機床精密主軸軸承生產企業處于非系統化研發、制造和應用的階段，對高端軸承的設計和應用沒有完整的產業鏈，且應對高端軸承應用需求的能力不足，導致我國高速、高精度數控機床軸承的自主化未取得突破性進展。因此，對于高速數控機床主軸軸承精度及其保持性進行分析，有助于機床軸承行業的發展，對于促進軸承技術進步有著積極的意義。
投稿箱：
如果您有機床行業、企業相關新聞稿件發表，或進行資訊合作，歡迎聯系本網編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
如果您有機床行業、企業相關新聞稿件發表，或進行資訊合作，歡迎聯系本網編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
更多相關信息
