高速數(shù)控機(jī)床主軸軸承精度及其保持性分析

1、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、制造工藝以及相關(guān)技術(shù)的限制，我國(guó)機(jī)床軸承行業(yè)整體水平與外國(guó)先進(jìn)水平存在比較大的差異。雖然國(guó)外精密機(jī)床軸承產(chǎn)品性能優(yōu)良、可靠性高，但存在價(jià)格昂貴、交貨期長(zhǎng)的問(wèn)題，且國(guó)外供應(yīng)商可能會(huì)采取限制供應(yīng)等措施，嚴(yán)重阻礙了我國(guó)重大裝備制造業(yè)的發(fā)展，并影響我國(guó)經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行和國(guó)家的安全。同時(shí)，受國(guó)內(nèi)高端數(shù)控機(jī)床行業(yè)發(fā)展整體的影響，目前高檔數(shù)控機(jī)床主軸軸承的市場(chǎng)亦主要被國(guó)外軸承生產(chǎn)企業(yè)所占有，國(guó)內(nèi)只有為數(shù)不多的軸承企業(yè)研制開(kāi)發(fā)了部分產(chǎn)品，但是依然難以在核心高檔數(shù)控機(jī)床中應(yīng)用與實(shí)踐。

高端機(jī)床功能部件的缺失已成為中國(guó)高檔數(shù)控機(jī)床發(fā)展的Z大掣肘。“中國(guó)制造2025”期間，機(jī)床行業(yè)的主要目標(biāo)之一就是推進(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)展精密高端數(shù)控機(jī)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(guó)高端數(shù)控機(jī)床重要功能部件的自主化率，滿足我國(guó)機(jī)械、航空航天等工業(yè)發(fā)展的需要，有助于實(shí)現(xiàn)“中國(guó)制造2025”產(chǎn)業(yè)目標(biāo)以及我國(guó)振興裝備制造業(yè)的戰(zhàn)略目標(biāo)。

經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，我國(guó)機(jī)床軸承產(chǎn)業(yè)已經(jīng)形成了相當(dāng)大的規(guī)模，但國(guó)內(nèi)高端機(jī)床軸承產(chǎn)品的壽命、精度與先進(jìn)水平仍存在一定的差距。這主要體現(xiàn)在3個(gè)方面。

個(gè)方面是高轉(zhuǎn)速。歐美機(jī)床主軸用角接觸球軸承主要采用油氣潤(rùn)滑，dmn值Z高可達(dá)4X10⁶ mm·r·min^-1， 油潤(rùn)滑dmn值平均可達(dá)2.0X10⁶~2.5X10⁶ mm·r·min^-1，脂潤(rùn)滑dmn值Z高可達(dá)2.0X10⁶ mm·r·min^-1，圓柱滾子軸承采用油氣潤(rùn)滑采用油氣潤(rùn)滑dmn值可達(dá)2.0X10⁶~2.5X10⁶ mm·r·min^-1。以角接觸球軸承為例，我國(guó)目前采用油氣潤(rùn)滑的軸承dmn值為1.2X10⁶~1.8X10⁶ mm·r·min^-1， 脂潤(rùn)滑時(shí)dmn值為1.0X10⁶ mm·r·min^-1，在軸承轉(zhuǎn)速上尚有一定差距。

第二個(gè)方面是精度等級(jí)。機(jī)床主軸軸承的公差等級(jí)一般均為P5以上，用于數(shù)控機(jī)床、加工中心等高速、高精密機(jī)床的主軸軸承，則需選用P4及以上精度。SKF公司的機(jī)床主軸用角接觸球軸承“標(biāo)準(zhǔn)公差等級(jí)”是P4A或P7，即旋轉(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)”是SP，即旋轉(zhuǎn)精度為P4，尺寸精度為P5。FAG公司的機(jī)床主軸用角接觸球軸承“標(biāo)準(zhǔn)公差等級(jí)”是P4S，部分指標(biāo)高于P4。NSK用于高精度車床的主軸軸承“標(biāo)準(zhǔn)公差等級(jí)”高達(dá)P47。

第三個(gè)方面是長(zhǎng)精度壽命。機(jī)床主軸軸承的使用壽命通常不是按疲勞壽命評(píng)定，而是按精度壽命或磨損壽命來(lái)評(píng)定。這是由于主軸軸承滾動(dòng)體與滾道的接觸應(yīng)力一般都低于其疲勞極限(如一般規(guī)定為1 500 MPa，球軸承可參考值為2 200 MPa)，而且潤(rùn)滑、密封等運(yùn)轉(zhuǎn)條件都比較良好，即一般認(rèn)為是處于“理想狀態(tài)”的軸承，而國(guó)產(chǎn)軸承的長(zhǎng)精度壽命偏低。另外，在高端數(shù)控機(jī)床高可靠性高速超精密軸承的產(chǎn)品創(chuàng)新研發(fā)以及測(cè)試方面，我國(guó)的軸承也存在差距，如缺乏基礎(chǔ)理論共性技術(shù)研究，企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)、檢測(cè)試驗(yàn)水平低，在創(chuàng)新體系的建設(shè)和運(yùn)行、研發(fā)資金的投入、人才開(kāi)發(fā)等方面仍處于低水平。在實(shí)際制造工藝方面，我國(guó)的制造工藝技術(shù)發(fā)展緩慢，許多關(guān)鍵工藝的技術(shù)難題攻關(guān)未能取得實(shí)質(zhì)性的突破。

2、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受到3個(gè)方面的因素影響。個(gè)方面是軸承部件的外部幾何形狀導(dǎo)致的誤差。在軸承部件的加工制造過(guò)程之中，一般都會(huì)出現(xiàn)幾何形狀誤差，如內(nèi)外圈滾道的圓度誤差、滾動(dòng)體的球形誤差等，都會(huì)對(duì)軸承的振動(dòng)、運(yùn)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(zhuǎn)精度會(huì)由于套圈滾道圓度誤差以及鋼球的球形誤差出現(xiàn)波動(dòng)，這屬于較為常見(jiàn)的幾何形狀誤差。在這種情況下套圈的受力分布不均勻，一些部位的磨損會(huì)加快，軸承的精度因此下降。第二個(gè)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、表面粗糙度、表面幾何形狀等，這主要取決于設(shè)備加工制造的過(guò)程。對(duì)于角接觸球軸承來(lái)說(shuō)，其套圈滾道與鋼球表面的波紋度、表面粗糙度均會(huì)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(guò)程中，由砂輪部分振動(dòng)而在部件表面形成的有周期性的起伏，波紋度的波長(zhǎng)會(huì)大于赫茲接觸寬度，因此在軸承進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)的時(shí)候就會(huì)影響到軸承旋轉(zhuǎn)的精度。另外，表面粗糙度也是評(píng)價(jià)軸承質(zhì)量的指標(biāo)，粗糙度的實(shí)際波長(zhǎng)通常需要小于赫茲接觸寬度，具體的粗糙度值以符合要求為準(zhǔn)，太大太小都會(huì)影響到軸承精度。第三個(gè)方面是工況條件。滾動(dòng)軸承所處的外部工況條件會(huì)影響到軸承的精度，如裝配的模式、受載的類型、潤(rùn)滑等。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，工況條件應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行合理調(diào)試，以使軸承可以達(dá)到足夠的精度。

若要保障高速數(shù)控機(jī)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(dòng)體和內(nèi)外圈滾道之間不會(huì)有很大的接觸應(yīng)力。然而，軸承的失效常常是因?yàn)檩S承滾道、滾動(dòng)體與保持架之間磨損嚴(yán)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(wèn)題，一旦軸承內(nèi)外圈接觸角差值變大，就會(huì)使保持架磨損更加劇烈，直到軸承損壞，因此要減小軸承內(nèi)外圈接觸角的差值。其次是旋滾比，會(huì)致使鋼球和滾道接觸面產(chǎn)生滑動(dòng)磨損。只有旋滾比越小，滑動(dòng)磨損才會(huì)越低。再次是軸承剛度，需要參照不同型號(hào)的機(jī)床要求來(lái)選擇軸承剛度，以減少振動(dòng)為標(biāo)準(zhǔn)，使軸承的臨界轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)離主軸系統(tǒng)的工作轉(zhuǎn)速。Z后是接觸面的接觸應(yīng)力。滾動(dòng)面上的接觸應(yīng)力越大，就會(huì)出現(xiàn)磨損越嚴(yán)重的狀況，因此需要在Z大程度上降低接觸面的接觸應(yīng)力。

高速數(shù)控機(jī)床主軸軸承通常配套使用工程塑料保持架，塑料保持架精密注塑成型工藝、試驗(yàn)、應(yīng)用技術(shù)研究等非常重要。

（來(lái)源：HZYmatic ）