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高速（sù）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（zhě）：楊文飛

摘要：在機床的主軸部件之（zhī）中，機床主軸軸承是確保機（jī）床運行的重要部件。機床主軸的軸（zhóu）承在運行過程（chéng）中會受到多方麵作用的影響，不僅有軸向以及（jí）徑向的載荷，而且需要注意在高速（sù）運轉狀態下的旋轉精度與（yǔ）溫度的變化等問題（tí）。在實際的（de）高速數控機床運用過程（chéng）中，應該盡量提升軸承的剛度，以（yǐ）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（chí）更高的旋轉精度。因此，對於高速數控（kòng）機床主（zhǔ）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

在高端裝備製造行業之中，數控機（jī）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（yǒu）了變化，逐漸變得更加高速化、智能化、高（gāo）精度化。近年來，我（wǒ）國軸承產業不斷發展進步，產業經濟規（guī）模已居（jū）世界軸承總量（liàng）的第（dì）三（sān）位，但（dàn）是與世界軸（zhóu）承工業強國相比，我國生產的軸（zhóu）承質量還存在（zài）一定（dìng）差距，主要（yào）表現（xiàn）為高技術、高精度、高（gāo）附加值的產品比例（lì）較（jiào）低，相關產品的穩定性需要進一步的（de）提高與改進。

一般（bān）情（qíng）況下，精密（mì）機床使用的係（xì）列（liè）高端軸承是該設（shè）備中最精密的尖端（duān）產品，但由於國內機床軸承生產企業普遍處於研發能力（lì）弱、製造水平低、原材料等配套條（tiáo）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（mìng）和（hé）可靠性與國際先進水平有較大差距，因此（cǐ）高（gāo）端機床軸承在全球範圍內大多（duō）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於非係統化研發、製造和應用的階段。對（duì）高端軸承的設計和應用沒有完整的產業鏈，對（duì）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（jī）床軸承的自（zì）主化未取得突破性進展。在這種情況下，分析（xī）高速數控機床（chuáng）主（zhǔ）軸軸承的精度及其保持性，有著非常重要的（de）實（shí）際意義。

1、關於高速數控機床主軸軸承（chéng）的相關內容（róng）概述

軸承作（zuò）為機床（chuáng）運行的“芯（xīn）片”，是機床製造中重要的、關鍵的基礎零部件之一，直接決定著（zhe）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。它們取決於機床的整體（tǐ）設（shè）計，但在很（hěn）大程度上也取決於機床工件的軸承係（xì）統。軸承的結構（gòu）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（zhóu）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（chuáng）向高（gāo）精度、高效率、高智能化的方向發展，對機床主軸軸承也不（bú）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（xiàn）轉（zhuǎn）速，更低的溫升和摩擦力矩（jǔ）以及更高的精（jīng）度保持性等。同時，更方便安裝使用、調整維（wéi）修、潤滑密封等訴求也在不斷提出，集成化、單（dān）元化、智能化已成為（wéi）數控機床主軸軸承的（de）技術發展目標（biāo）。

精（jīng）密軸承廣泛應用於高精密機床主軸、機器人、新能源電機和空壓機等高精密（mì）度（dù）要求的場合。隨著技術的不斷（duàn）進步（bù），對精（jīng）密軸（zhóu）承的要求也越來越（yuè）高。隨著數控技術的快速發展，複合、高速、智能、精密（mì）和環保已成為當今機（jī）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（qí）性能會直接影響到機（jī）床的轉速、回（huí）轉精度、剛性、抗振動切削性能、噪聲、溫升及熱變形。因此，未來（lái）中國高檔數控機床主（zhǔ）軸軸承和機器人軸承將以高精（jīng）度、高剛性、高承載、高（gāo）可靠性、低摩擦（cā）力矩、長壽命、新材料以及新（xīn）結（jié）構等為

主要研究方向。

電主軸是數控機（jī）床三（sān）大高新技術之一（高速電（diàn）主軸、數控係統、進（jìn）給傳動）。隨（suí）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（zuì）適（shì）宜（yí）高性能數控機床的核心功能部件之一（yī），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（zhóu）按采用的軸（zhóu）承類型可分為滾動軸承、氣浮軸承、液體滑（huá）動軸承和磁懸浮軸承等（děng），其中滾動軸承（chéng）、氣浮軸承、液體滑動軸承是目前（qián）電主軸（zhóu）應用最廣（guǎng）泛的軸承類型。滾動軸承電主（zhǔ）軸摩擦阻力小、功耗小（xiǎo）、精（jīng）度高、剛度高，且成本相對較低，便於係列化和標準化，承載能力強，可適用較大載荷（hé）。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（xiǎo）、噪聲低、熱穩定性（xìng）好、汙染小、壽命長以及回轉精度和極限（xiàn）轉速高於滾動軸承電（diàn）主軸和液體滑動軸承電主軸的特點。液體滑動軸承電（diàn）主軸以液態“油膜”為支撐，具有顯著的“誤差均化效（xiào）應”和阻尼減振性，特點為回轉精度高、剛度高、磨損小、壽（shòu）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、製造工藝以（yǐ）及相關技術的（de）限製，我國機床軸承行業整體水平與外國先進水平存（cún）在比較大的（de）差異。目前，國內能夠批量生產、配套生產精（jīng）密機床軸承的生產廠家隻有少數企業。雖然國外精密機床軸承產品性能優良（liáng）、可靠性高（gāo），但存在價格昂貴、交（jiāo）貨期長的問題，且國外供應商可能會采取限製供應等措施，嚴重阻礙了我（wǒ）國重大裝備製造（zào）業的發展，並影響我國經濟（jì）的運行和國家（jiā）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（jī）床主軸軸承的市（shì）場亦主要被國外軸承生產企（qǐ）業所占有，國內隻（zhī）有少數軸承企業研（yán）製開發了部分產品，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（quē）失已成為中國高檔數控機床發展的最大掣肘。“中國製造 2025”期間，機床行業的（de）主要目標之一（yī）就是推進高（gāo）端數控機床功能部件的產業化進程（chéng）。因此，發展精密高端數控機床的重（chóng）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（chóng）要功能部件的自主化率，滿足我國機械、航空航天等工業（yè）發展的需要，有助（zhù）於實現“中國製造 2025”產業目標以及我國振興裝備製造業的戰略目標。

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（guī）模，但國內高端機床軸承產品（pǐn）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個方麵。第一個方麵是高轉速。歐（ōu）美機床主軸用角接觸球軸承主要采用油（yóu）氣潤滑，dmn 值最高可達（dá） 4×106 mm·r·min-1，油潤滑（huá） dmn值（zhí）平均可達（dá） 2.0×106～ 2.5×106 mm·r·min-1，脂潤滑 dmn 值（zhí）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（chù）球軸承為例，我國目前采（cǎi）用油氣潤滑的軸承 dmn 值為1.2×106～ 1.8×106 mm·r·min-1，脂潤滑（huá）時（shí） dmn 值為 1.0×106 mm·r·min-1，在軸承轉速上尚有一定差距。第二個方麵是（shì）精（jīng）度等級。機床主軸軸承（chéng）的（de）公差等級一般均為 P5 以上，用於數（shù）控機床、加工中心等高速、高精密機床的主軸（zhóu）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（wéi） 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（chà）等（děng）級”是 H4S，部分指標高於 P4。NSK 用於高精度車床的主軸軸承“標（biāo）準公（gōng）差等（děng）級”高達 P4。我（wǒ）國目前雖然可以生產 P4 級軸承（chéng），但是無法（fǎ）實現產業化。第三個方麵是長精度壽命。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（mìng）或磨損壽命來評定。這是由於主軸軸承滾動體與滾道的接觸應（yīng）力一般都低於其疲勞極限（如一般（bān）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（jiào）良（liáng）好，

即一般認為是處於“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（jīng）密軸承的產品創新研發以及測試方（fāng）麵（miàn），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，在創新體係的建設和運行、研發資金（jīn）的投入、人才開發等方麵仍處於低水平。在實（shí）際製造工藝方麵，我國（guó）的製造工藝技術發展緩慢，許多關鍵工藝（yì）的技術（shù）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（jí）以上，國內的碳化物平（píng）均尺寸在（zài） 4 μm以下，晶粒度一般在 9.5 級以下（xià）。

3、高速角接（jiē）觸球軸（zhóu）承精度的影響因素

高速角接觸（chù）球軸承精度主要（yào）會受到 3 個方麵（miàn）的因設（shè）計與（yǔ）研究57素影響。第一個方麵是軸承部件的外部（bù）形狀導致的誤差。在軸承部件的加工製造過程之中，一（yī）般都（dōu）會出現形狀誤差，如內（nèi）外圈滾道的圓度誤差、滾動體的球形誤差（chà）等，都會對（duì）軸承的振動、運行可靠性與（yǔ）磨損造成影響。在荷載的作（zuò）用下，角接（jiē）觸球軸承的旋（xuán）轉精度會（huì）由於套（tào）圈（quān）滾道圓度誤差以及鋼球的（de）球形誤差出現波動，這屬於較為常（cháng）見的形狀誤差。在這種情況下套圈（quān）的（de）受力分布（bù）不（bú）均勻，一些（xiē）部位的磨（mó）損會加快，軸承的精度因（yīn）此下降。第（dì）二個方麵是表麵特征。零（líng）部件（jiàn）的表麵特征（zhēng）包（bāo）含許（xǔ）多方麵，如波紋度、粗糙度、表麵形狀等，這主要（yào）取決於設（shè）備加工製造的過程。

對於角接觸球軸承來說，其（qí）套圈滾道與鋼球表麵的波紋（wén）度、粗糙度均會（huì）影響到軸承的精度。軸承表麵的波紋度主要是在軸（zhóu）承加工製造過程中，由砂（shā）輪（lún）部分（fèn）振動而在部件表麵（miàn）形成的有周期性的起伏，波紋度的波長會（huì）大於赫茲接觸寬度，因此在軸承進行高速旋轉的時候就會影響到（dào）軸承旋（xuán）轉的精度。另外，表麵粗糙度也是（shì）評價軸承質量的指標，粗糙度的（de）實（shí）際波長通常需要小於赫茲接觸寬度，具體的粗（cū）糙度值以符合要求為準，太大太小都會影響到軸承精度。第三個方麵是工況條（tiáo）件。滾動軸承所處的外部工況條（tiáo）件會影響到軸承的精度，如裝配的模式、受載的類型、潤滑等（děng）。在實際應用過程中，工況條件應該根（gēn）據實際情況進行合理調試，以使軸承可以達到足（zú）夠的精度。

若要（yào）保障高速數控機床主軸的剛度，就需要使用較大尺（chǐ）寸的角接觸球軸承。在這（zhè）種情（qíng）況下（xià），滾動體和內外（wài）圈滾（gǔn）道之間不（bú）會有很大的（de）接觸應力。然而，軸承（chéng）的失效常常是因為軸承滾道、滾動體與保持架之間磨損嚴（yán）重（chóng），致（zhì）使軸承精度減小，所以其工作性能（néng）不符合要求。首先是角接觸球軸（zhóu）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（zhóu）承損壞，因此要減小軸承內外（wài）圈接觸（chù）角（jiǎo）的（de）差（chà）值。

其次是旋滾比，會（huì）致使鋼球和滾道接觸麵產生滑動磨損（sǔn）。隻有旋滾（gǔn）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（lín）界轉速遠離主軸係統的工作轉速。最（zuì）後是接（jiē）觸麵（miàn）的接觸應力。滾動麵上的接觸應力越大，就會出現磨（mó）損越嚴重的狀況，因此需要在（zài）最大程度上（shàng）降低接觸麵的（de）接（jiē）觸應力。

高速數控機床主軸軸承配套使用的高端塑（sù）料保持架是保持軸承性能的關鍵，相關企業要製定企業超精密軸（zhóu）承配套用塑料保持架（jià）精密注（zhù）塑成型工藝的標準，並進行超精密軸承配套用（yòng）塑料保持架技術研（yán）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（ér）塑料材（cái）質（zhì）的保（bǎo）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、重複（fù）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、耐受大部分化學製劑的腐蝕（shí）、尺寸具備一定的穩定性、吸水率在 0.1% 以下（xià）、塑料中低（dī）線脹（zhàng）係數（shù）符合要求以及疲勞性在（zài）百萬（wàn）次折彎性（xìng）能中（zhōng）降低到 30% 之內。

4、結語

精密機床使用的係列（liè）高（gāo）端軸承（chéng）是軸（zhóu）承最精密的尖端（duān）產品，由於國內機床軸承生（shēng）產企業普遍處於研發能力弱、製造技術水平低（dī）、原材料等配套條件差的情況，造成國產高端軸承的精度（dù）耐久性、性能穩定性、尤其是壽命和可靠性與國際先進水平（píng）有較大差距，導致高（gāo）端機床軸承在（zài）全球（qiú）範圍內基本被少數（shù）美日歐企業壟（lǒng）斷。而國內機床精密主軸軸（zhóu）承（chéng）生產企業（yè）處於（yú）非（fēi）係統化研發、製造和應（yīng）用的階段，對高端軸承的設計和應用沒有完（wán）整的產業鏈，且應對高端軸承應用需求的能力不足，導致（zhì）我國高速、高精（jīng）度數控機床軸承的自主化未取（qǔ）得突破性進展（zhǎn）。因此，對於高速數控機床主軸軸承精度及其保持性進行分析，有助於機（jī）床軸承行業的發展，對於促進軸承技術進步有著積極的（de）意義。

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