在高端裝備制造業(yè)中，數(shù)控機(jī)床是不可或缺的工作設(shè)備。隨著時(shí)代的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)也發(fā)生了變化，逐漸向高速化、智能化、高精度方向發(fā)展。近年來(lái)，中國(guó)軸承產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展進(jìn)步，產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)規(guī)模已居世界軸承總量第三位。但與世界軸承工業(yè)強(qiáng)國(guó)相比，我國(guó)生產(chǎn)的軸承質(zhì)量仍有一定差距，主要表現(xiàn)在高技術(shù)、高精度、高附加值產(chǎn)品比重較低，相關(guān)產(chǎn)品的穩(wěn)定性有待進(jìn)一步提高。

一般來(lái)說(shuō)，精密機(jī)床用的系列高端軸承是這種設(shè)備中最精密的產(chǎn)品。然而，國(guó)內(nèi)機(jī)床軸承生產(chǎn)企業(yè)普遍處于R&D能力弱、制造水平低、原材料配套條件差的局面，導(dǎo)致國(guó)內(nèi)高端軸承的精度、耐久性、性能穩(wěn)定性、壽命和可靠性與國(guó)際先進(jìn)水平存在較大差距。因此，高端機(jī)床軸承在全球范圍內(nèi)大多被美、日、歐等公司壟斷，而國(guó)內(nèi)機(jī)床精密主軸軸承生產(chǎn)企業(yè)仍處于不系統(tǒng)的R&D、制造和應(yīng)用。高端軸承的設(shè)計(jì)和應(yīng)用沒(méi)有完整的產(chǎn)業(yè)鏈，對(duì)高端軸承應(yīng)用需求的響應(yīng)能力不足，導(dǎo)致我國(guó)高速高精度數(shù)控機(jī)床軸承的自主性沒(méi)有突破。在這種情況下，分析高速數(shù)控機(jī)床主軸軸承的精度和保持力具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1.高速數(shù)控機(jī)床主軸軸承概述。

作為軸承機(jī)床運(yùn)轉(zhuǎn)的“芯片”，它是機(jī)床制造中重要而關(guān)鍵的基礎(chǔ)零件之一，直接決定著機(jī)床產(chǎn)品的性能、質(zhì)量和可靠性。精度和切削能力是衡量機(jī)床質(zhì)量的兩個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)。它們?nèi)Q于機(jī)床的總體設(shè)計(jì)，但在很大程度上也取決于機(jī)床工件的軸承系統(tǒng)。軸承的結(jié)構(gòu)和精度在很大程度上決定了機(jī)床的性能。高檔數(shù)控機(jī)床主軸軸承需要P4及以上精度的高精度滾動(dòng)軸承。隨著現(xiàn)代機(jī)床向高精度、高效率、高智能化方向發(fā)展，對(duì)機(jī)床主軸軸承不斷提出新的更高的要求，如更高的回轉(zhuǎn)精度、更高的靜剛度和動(dòng)剛度、更高的極限轉(zhuǎn)速、更低的溫升和摩擦力矩、更高的精度保持率等。與此同時(shí)，對(duì)安裝使用、調(diào)整維護(hù)、潤(rùn)滑密封更加方便的要求也不斷提出。集成化、單元化和智能化已成為數(shù)控機(jī)床主軸軸承的技術(shù)發(fā)展目標(biāo)。

精密軸承廣泛應(yīng)用于高精度機(jī)床主軸、機(jī)器人、新能源電機(jī)和空氣壓縮機(jī)。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，對(duì)精密軸承的要求越來(lái)越高。隨著數(shù)控技術(shù)的快速發(fā)展，復(fù)合化、高速化、智能化、精密化和環(huán)?；殉蔀闄C(jī)床行業(yè)技術(shù)發(fā)展的主要趨勢(shì)。精密軸承作為機(jī)床的基礎(chǔ)部件，其性能將直接影響機(jī)床的轉(zhuǎn)速、回轉(zhuǎn)精度、剛度、抗振切削性能、噪聲、溫升和熱變形。因此，未來(lái)我國(guó)高檔數(shù)控機(jī)床的主軸軸承和機(jī)器人軸承將呈現(xiàn)高精度、高剛度、高承載能力、高可靠性、低摩擦力矩、長(zhǎng)壽命、新材料、新結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。

主要研究方向。

電主軸是三大高科技數(shù)控機(jī)床(高速電主軸、數(shù)控系統(tǒng)和進(jìn)給驅(qū)動(dòng))之一。隨著越來(lái)越多的機(jī)械設(shè)備向高速、高精度、高效率和高智能方向發(fā)展，電主軸已經(jīng)成為高性能數(shù)控機(jī)床最合適的核心功能部件之一。在某些領(lǐng)域用電主軸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械主軸是機(jī)床行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。電主軸按使用的軸承類(lèi)型可分為滾動(dòng)軸承、空氣軸承、液體滑動(dòng)軸承和磁懸浮軸承，其中滾動(dòng)軸承、空氣軸承和液體滑動(dòng)軸承是目前電主軸應(yīng)用最廣泛的軸承類(lèi)型。滾動(dòng)電主軸具有低摩擦阻力、低功耗、高精度、高剛性、成本相對(duì)較低、易于系列化和標(biāo)準(zhǔn)化、承載能力強(qiáng)、可應(yīng)用于大載荷等優(yōu)點(diǎn)。浮動(dòng)軸承電主軸采用“氣膜”支撐，與滾動(dòng)軸承電主軸和液體滑動(dòng)軸承電主軸相比，具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、摩擦損失小、噪音低、熱穩(wěn)定性好、污染小、使用壽命長(zhǎng)、回轉(zhuǎn)精度高、極限轉(zhuǎn)速高等特點(diǎn)。液體軸承電主軸由液體“油膜”支撐，具有明顯的“誤差均衡效應(yīng)”和阻尼減振作用，具有回轉(zhuǎn)精度高、剛度大、磨損小、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。

2.國(guó)內(nèi)外高速數(shù)控機(jī)床主軸軸承發(fā)展對(duì)比分析。

受加工設(shè)備、制造工藝和相關(guān)技術(shù)的限制，我國(guó)機(jī)床軸承行業(yè)整體水平與國(guó)外先進(jìn)水平差距較大。目前國(guó)內(nèi)能批量生產(chǎn)并配套精密機(jī)床軸承的企業(yè)只有幾家。國(guó)外精密機(jī)床軸承雖然性能優(yōu)良、可靠性高，但存在價(jià)格高、交貨時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題，國(guó)外供應(yīng)商可能會(huì)采取限制供應(yīng)等措施，嚴(yán)重阻礙我國(guó)重大裝備制造業(yè)的發(fā)展，影響我國(guó)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和國(guó)家安全。

同時(shí)，受?chē)?guó)內(nèi)高端數(shù)控機(jī)床行業(yè)整體發(fā)展的影響，高端數(shù)控機(jī)床主軸軸承市場(chǎng)主要被國(guó)外軸承廠(chǎng)商占據(jù)。國(guó)內(nèi)只有少數(shù)軸承企業(yè)開(kāi)發(fā)了部分產(chǎn)品，但在核心高端數(shù)控機(jī)床上應(yīng)用和實(shí)踐仍有一定難度。高端機(jī)床功能部件的缺乏已經(jīng)成為我國(guó)高端數(shù)控機(jī)床發(fā)展的最大制約因素?！爸袊?guó)制造2025”期間，機(jī)床行業(yè)的主要目標(biāo)之一是推進(jìn)高端數(shù)控機(jī)床功能部件的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。因此，發(fā)展我國(guó)高端數(shù)控機(jī)床重要功能部件(高可靠性、高速、超精密軸承)，可以有效提高我國(guó)高端數(shù)控機(jī)床重要功能部件的自主化率，滿(mǎn)足我國(guó)機(jī)械、航空航天等產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需要，有助于實(shí)現(xiàn)“中國(guó)制造2025”的產(chǎn)業(yè)目標(biāo)和振興我國(guó)裝備制造業(yè)的戰(zhàn)略目標(biāo)。

經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，我國(guó)機(jī)床軸承產(chǎn)業(yè)已形成相當(dāng)規(guī)模，但國(guó)產(chǎn)高端機(jī)床軸承產(chǎn)品的壽命和精度與國(guó)際先進(jìn)水平仍有一定差距。這主要體現(xiàn)在三個(gè)方面。第一個(gè)方面是高轉(zhuǎn)速。歐美機(jī)床主軸用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(rùn)滑平均dmn為2.0×106 ~ 2.5×106mm·r·min-1，脂潤(rùn)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(guó)油氣潤(rùn)滑軸承的dmn值為1.2×106 ~ 1.8×106mm·r·min-1，脂潤(rùn)滑軸承的DMN值為1.0×106mm·r·min-1。承載速度還是有一定差距的。第二個(gè)方面是精度水平。一般機(jī)床主軸軸承公差等級(jí)在P5以上。數(shù)控機(jī)床、加工中心等高速高精度機(jī)床的主軸軸承，應(yīng)選用P4及以上精度。SKF公司機(jī)床主軸用角接觸球軸承的“標(biāo)準(zhǔn)公差等級(jí)”為P4A或P7，即回轉(zhuǎn)精度為P2，尺寸精度為P4，圓柱滾子軸承的“標(biāo)準(zhǔn)公差等級(jí)”為s P，即回轉(zhuǎn)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的“標(biāo)準(zhǔn)公差等級(jí)”為H4S，部分指標(biāo)高于P4。高精度車(chē)床用NSK主軸軸承的“標(biāo)準(zhǔn)公差等級(jí)”和P4一樣高。目前，中國(guó)可以生產(chǎn)P4級(jí)軸承，但無(wú)法實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。第三個(gè)方面是長(zhǎng)精度壽命。機(jī)床軸承的使用壽命通常不是用疲勞壽命來(lái)評(píng)價(jià)，而是用精度壽命或磨損壽命來(lái)評(píng)價(jià)。這是因?yàn)橹鬏S軸承滾子與滾道的接觸應(yīng)力一般低于其疲勞極限(如一般規(guī)定為1500 MPa，球軸承參考值為2200 MPa)。而且潤(rùn)滑、密封等運(yùn)行條件相對(duì)較好，即一般認(rèn)為軸承處于“理想狀態(tài)”，而國(guó)產(chǎn)軸承的長(zhǎng)精密壽命較低。

此外，在產(chǎn)品創(chuàng)新、R&D和高端數(shù)控機(jī)床用高可靠性高速超精密軸承的檢測(cè)方面，我國(guó)軸承也存在差距。例如，缺乏基礎(chǔ)理論和共性技術(shù)研究，企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)和測(cè)試水平較低，創(chuàng)新體系建設(shè)和運(yùn)行、R&D資金投入和人才開(kāi)發(fā)仍處于較低水平。在實(shí)際制造技術(shù)方面，我國(guó)制造技術(shù)發(fā)展緩慢，很多關(guān)鍵技術(shù)未能取得突破。例如，在關(guān)鍵熱處理工藝中，國(guó)外碳化物平均尺寸在1微米以下，晶粒度在9.5以上，而國(guó)內(nèi)碳化物平均尺寸在4微米以下，晶粒度一般在9.5以下。

3.影響高速角接觸球軸承精度的因素

高速角接觸球軸承的精度主要受三個(gè)因素影響:57個(gè)因素的設(shè)計(jì)和研究。第一個(gè)方面是由軸承部件的外部形狀引起的誤差。在軸承部件的制造過(guò)程中，一般會(huì)存在形狀誤差，如內(nèi)外圈的圓度誤差、滾動(dòng)體的球面誤差等，這些都會(huì)影響軸承的振動(dòng)、運(yùn)行可靠性和磨損。在載荷的作用下，角接觸球軸承的回轉(zhuǎn)精度會(huì)因套圈滾道的圓度誤差和鋼球的球面誤差而產(chǎn)生波動(dòng)，這是一種常見(jiàn)的形狀誤差。在這種情況下，套圈的受力分布不均勻，一些零件的磨損會(huì)加快，軸承的精度會(huì)降低。第二個(gè)方面是表面特征。零件的表面特征包括許多方面，如波紋度、粗糙度、表面形狀等。，這主要取決于設(shè)備的制造工藝。

對(duì)于角接觸球軸承，套圈滾道和鋼球表面的波紋度和粗糙度會(huì)影響軸承的精度。軸承表面的波紋主要是由軸承制造過(guò)程中砂輪的局部振動(dòng)引起的零件表面的周期性波動(dòng)引起的。波紋的波長(zhǎng)將大于赫茲接觸寬度，因此當(dāng)軸承高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，軸承旋轉(zhuǎn)的精度將受到影響。此外，表面粗糙度也是評(píng)價(jià)軸承質(zhì)量的一個(gè)指標(biāo)。粗糙度的實(shí)際波長(zhǎng)通常需要小于赫茲接觸寬度，具體粗糙度值以要求為準(zhǔn)。過(guò)大或過(guò)小都會(huì)影響軸承精度。第三個(gè)方面是工作條件。滾動(dòng)軸承的外部工作條件會(huì)影響軸承的精度，如裝配方式、載荷類(lèi)型、潤(rùn)滑等。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況合理調(diào)試工況，使軸承達(dá)到足夠的精度。

為了保證高速數(shù)控機(jī)床主軸的剛度，需要使用較大的角接觸球軸承。在這種情況下，在滾動(dòng)元件和內(nèi)外圈的滾道之間不會(huì)有大的接觸應(yīng)力。然而，軸承的失效往往是由于軸承滾道、滾動(dòng)體和保持架之間磨損嚴(yán)重，導(dǎo)致軸承精度降低，因此其工作性能不符合要求。首先是角接觸球軸承的接觸角。一旦軸承內(nèi)外圈接觸角差變大，保持架磨損會(huì)更嚴(yán)重，直至軸承損壞。因此，需要減小軸承內(nèi)外圈的接觸角差。

其次，旋滾比會(huì)造成鋼球與滾道接觸面的滑動(dòng)磨損。只有轉(zhuǎn)滾比越小，滑動(dòng)磨損才會(huì)越低。再次，軸承剛度需要根據(jù)不同類(lèi)型機(jī)床的要求進(jìn)行選擇，以降低振動(dòng)為標(biāo)準(zhǔn)，保持軸承的臨界轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)離主軸系統(tǒng)的工作轉(zhuǎn)速。最后是接觸面的接觸應(yīng)力。滾動(dòng)面上的接觸應(yīng)力越大，磨損就會(huì)越嚴(yán)重，所以要盡量減小接觸面上的接觸應(yīng)力。

用于高速數(shù)控機(jī)床主軸軸承的高端塑料保持架是保持軸承性能的關(guān)鍵。相關(guān)企業(yè)應(yīng)制定超精密軸承用塑料保持架精密注射成型工藝標(biāo)準(zhǔn)，開(kāi)展超精密軸承用塑料保持架技術(shù)研究。傳統(tǒng)的其他材料的保持架不能滿(mǎn)足軸承性能的要求，而塑料的保持架可以滿(mǎn)足要求。其實(shí)際技術(shù)指標(biāo)為:注塑精度提高到0.01 mm，重復(fù)精度偏差提高到0.2 g，高溫(240℃)下長(zhǎng)期使用仍保持較高的機(jī)械強(qiáng)度，耐大部分化學(xué)試劑腐蝕，具有一定的尺寸穩(wěn)定性，吸水率低于0.1%，塑料低線(xiàn)膨脹系數(shù)符合要求，耐疲勞。

4.結(jié)論。

精密機(jī)床用系列高端軸承是軸承中最尖端的產(chǎn)品。由于國(guó)內(nèi)機(jī)床軸承生產(chǎn)企業(yè)普遍處于R&D能力弱、制造技術(shù)水平低、原材料配套條件差的局面，國(guó)產(chǎn)高端軸承的精度耐久性、性能穩(wěn)定性，特別是壽命可靠性遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國(guó)際先進(jìn)水平，導(dǎo)致高端機(jī)床軸承在全球范圍內(nèi)被少數(shù)美、日、歐公司壟斷。然而，國(guó)內(nèi)機(jī)床精密主軸軸承生產(chǎn)企業(yè)處于研發(fā)、制造和應(yīng)用不系統(tǒng)的階段，高端軸承的設(shè)計(jì)和應(yīng)用沒(méi)有完整的產(chǎn)業(yè)鏈，滿(mǎn)足高端軸承應(yīng)用需求的能力不足，導(dǎo)致我國(guó)高速高精度數(shù)控機(jī)床軸承的自主性沒(méi)有突破。因此，對(duì)高速數(shù)控機(jī)床主軸軸承精度及其保持力的分析有助于機(jī)床軸承行業(yè)的發(fā)展，對(duì)推動(dòng)軸承技術(shù)進(jìn)步具有積極意義。