高速数控机床主轴轴承精度及其保持性分析
2022-7-7 来源： 上海人本精密机械有限公司湖州分公司 作者：杨文飞
摘要：在机床的主轴部件之中，机床主轴轴承是确保机床运行的重要部件。机床主轴的轴承在运行过程中会受到多方面作用的影响，不仅有轴向以及径向的载荷，而且需要注意在高速运转状态下的旋转精度与温度的变化等问题。在实际的高速数控机床运用过程中，应该尽量提升轴承的刚度，以延长轴承的精度寿命。同时，在提高机床主轴工作转速时，还要使其保持更高的旋转精度。因此，对于高速数控机床主轴轴承精度及其保持性分析，有着非常重要的现实意义。
关键词：高速数控机床；主轴轴承；精度；保持性
在高端装备制造行业之中，数控机床是必不可少的工作设备。随着时代的发展，数控机床的特点也有了变化，逐渐变得更加高速化、智能化、高精度化。近年来，我国轴承产业不断发展进步，产业经济规模已居世界轴承总量的第三位，但是与世界轴承工业强国相比，我国生产的轴承质量还存在一定差距，主要表现为高技术、高精度、高附加值的产品比例较低，相关产品的稳定性需要进一步的提高与改进。
一般情况下，精密机床使用的系列高端轴承是该设备中最精密的尖端产品，但由于国内机床轴承生产企业普遍处于研发能力弱、制造水平低、原材料等配套条件差的情况，导致国产高端轴承的精度、耐久性、性能稳定性、寿命和可靠性与国际先进水平有较大差距，因此高端机床轴承在全球范围内大多被美日欧等企业垄断，而国内机床精密主轴轴承生产企业还处于非系统化研发、制造和应用的阶段。对高端轴承的设计和应用没有完整的产业链，对高端轴承应用需求的应对能力不足，导致我国高速高精度数控机床轴承的自主化未取得突破性进展。 在这种情况下，分析高速数控机床主轴轴承的精度及其保持性，有着非常重要的实际意义。
1、关于高速数控机床主轴轴承的相关内容概述
轴承作为机床运行的“芯片”，是机床制造中重要的、关键的基础零部件之一，直接决定着机床产品的性能、质量和可靠性。精度和切削能力是衡量机床质量的两个重要标准。它们取决于机床的整体设计，但在很大程度上也取决于机床工件的轴承系统。轴承的结构和精度在很大程度上决定了机床的性能。高档数控机床主轴轴承需要精度为 P4及以上高精度等级的滚动轴承。随着现代机床向高精度、高效率、高智能化的方向发展，对机床主轴轴承也不断提出了新的更高要求，如更高的回转精度、更高的静态刚性和动态刚性、更高的极限转速，更低的温升和摩擦力矩以及更高的精度保持性等。同时，更方便安装使用、调整维修、润滑密封等诉求也在不断提出，集成化、单元化、智能化已成为数控机床主轴轴承的技术发展目标。
精密轴承广泛应用于高精密机床主轴、机器人、新能源电机和空压机等高精密度要求的场合。随着技术的不断进步，对精密轴承的要求也越来越高。随着数控技术的快速发展，复合、高速、智能、精密和环保已成为当今机床工业技术发展的主要趋势。精密轴承作为机床的基础配套部件，其性能会直接影响到机床的转速、回转精度、刚性、抗振动切削性能、噪声、温升及热变形。因此，未来中国高档数控机床主轴轴承和机器人轴承将以高精度、高刚性、高承载、高可靠性、低摩擦力矩、长寿命、新材料以及新结构等为
主要研究方向。
电主轴是数控机床三大高新技术之一（高速电主轴、数控系统、进给传动）。随着越来越多的机械装备向着高速、高精、高效、高智能化方向发展，电主轴已成为最适宜高性能数控机床的核心功能部件之一，在部分领域用电主轴取代传统机械主轴是机床工业发展的趋势。电主轴按采用的轴承类型可分为滚动轴承、气浮轴承、液体滑动轴承和磁悬浮轴承等，其中滚动轴承、气浮轴承、液体滑动轴承是目前电主轴应用最广泛的轴承类型。滚动轴承电主轴摩擦阻力小、功耗小、精度高、刚度高，且成本相对较低，便于系列化和标准化，承载能力强，可适用较大载荷。气浮轴承电主轴以“气膜”作为支撑，具有结构紧凑、体积较小、摩擦损耗较小、噪声低、热稳定性好、污染小、寿命长以及回转精度和极限转速高于滚动轴承电主轴和液体滑动轴承电主轴的特点。液体滑动轴承电主轴以液态“油膜”为支撑，具有显著的“误差均化效应”和阻尼减振性，特点为回转精度高、刚度高、磨损小、寿命长。
2、国内外高速数控机床主轴轴承发展对比分析
受加工设备、制造工艺以及相关技术的限制，我国机床轴承行业整体水平与外国先进水平存在比较大的差异。目前，国内能够批量生产、配套生产精密机床轴承的生产厂家只有少数企业。虽然国外精密机床轴承产品性能优良、可靠性高，但存在价格昂贵、交货期长的问题，且国外供应商可能会采取限制供应等措施，严重阻碍了我国重大装备制造业的发展，并影响我国经济的运行和国家的安全。
同时，受国内高端数控机床行业发展整体的影响，目前高档数控机床主轴轴承的市场亦主要被国外轴承生产企业所占有，国内只有少数轴承企业研制开发了部分产品，但是依然难以在核心高档数控机床中应用与实践。高端机床功能部件的缺失已成为中国高档数控机床发展的最大掣肘。“中国制造 2025”期间，机床行业的主要目标之一就是推进高端数控机床功能部件的产业化进程。因此，发展精密高端数控机床的重要功能部件（高可靠性高速超精密轴承），能有效提升我国高端数控机床重要功能部件的自主化率，满足我国机械、航空航天等工业发展的需要，有助于实现“中国制造 2025”产业目标以及我国振兴装备制造业的战略目标。
经过多年的发展，我国机床轴承产业已经形成了相当大的规模，但国内高端机床轴承产品的寿命、精度与国际先进水平仍存在一定的差距。这主要体现在3个方面。第一个方面是高转速。 欧美机床主轴用角接触球轴承主要采用油气润滑，dmn 值 最 高 可 达 4×106 mm·r·min-1， 油润滑 dmn值 平 均 可 达 2.0×106～ 2.5×106 mm·r·min-1， 脂润滑 dmn 值最高可达 2.0×106 mm·r·min-1， 圆柱滚子轴承采用油气润滑采用油气润滑 dmn 值可达2.0×106～ 2.5×106 mm·r·min-1。以角接触球轴承为例， 我国目前采用油气润滑的轴承 dmn 值 为1.2×106～ 1.8×106 mm·r·min-1， 脂润滑时 dmn 值为 1.0×106 mm·r·min-1，在轴承转速上尚有一定差距。第二个方面是精度等级。机床主轴轴承的公差等级一般均为 P5 以上，用于数控机床、加工中心等高速、高精密机床的主轴轴承，则需选用 P4 及以上精度。SKF 公司的机床主轴用角接触球轴承“标准公差等级”是 P4A 或 P7，即旋转精度为 P2，尺寸精度为 P4，圆柱滚子轴承的“标准公差等级”是 SP，即旋转精度为 P4，尺寸精度为 P5。
FAG 公司的机床主轴用角接触球轴承“标准公差等级”是 H4S，部分指标高于 P4。NSK 用于高精度车床的主轴轴承“标准公差等级”高达 P4。我国目前虽然可以生产 P4 级轴承，但是无法实现产业化。第三个方面是长精度寿命。机床主轴轴承的使用寿命通常不是按疲劳寿命评定，而是按精度寿命或磨损寿命来评定。这是由于主轴轴承滚动体与滚道的接触应力一般都低于其疲劳极限（如一般规定为 1500 MPa，球轴承可参考值为 2200 MPa），而且润滑、密封等运转条件都比较良好，
即一般认为是处于“理想状态”的轴承，而国产轴承的长精度寿命偏低。
另外，在高端数控机床高可靠性高速超精密轴承的产品创新研发以及测试方面，我国的轴承也存在差距，如缺乏基础理论共性技术研究，企业产品研发、检测试验水平低，在创新体系的建设和运行、研发资金的投入、人才开发等方面仍处于低水平。在实际制造工艺方面，我国的制造工艺技术发展缓慢，许多关键工艺的技术难题攻关未能取得突破。例如：关键热处理工艺中，国外的碳化物平均尺寸在 1 μm 以下，晶粒度在 9.5 级以上，国内的碳化物平均尺寸在 4 μm以下，晶粒度一般在 9.5 级以下。
3、高速角接触球轴承精度的影响因素
高速角接触球轴承精度主要会受到 3 个方面的因设 计 与 研 究57素影响。第一个方面是轴承部件的外部形状导致的误差。在轴承部件的加工制造过程之中，一般都会出现形状误差，如内外圈滚道的圆度误差、滚动体的球形误差等，都会对轴承的振动、运行可靠性与磨损造成影响。在荷载的作用下，角接触球轴承的旋转精度会由于套圈滚道圆度误差以及钢球的球形误差出现波动，这属于较为常见的形状误差。在这种情况下套圈的受力分布不均匀，一些部位的磨损会加快，轴承的精度因此下降。第二个方面是表面特征。零部件的表面特征包含许多方面，如波纹度、粗糙度、表面形状等，这主要取决于设备加工制造的过程。
对于角接触球轴承来说，其套圈滚道与钢球表面的波纹度、粗糙度均会影响到轴承的精度。轴承表面的波纹度主要是在轴承加工制造过程中，由砂轮部分振动而在部件表面形成的有周期性的起伏，波纹度的波长会大于赫兹接触宽度，因此在轴承进行高速旋转的时候就会影响到轴承旋转的精度。另外，表面粗糙度也是评价轴承质量的指标，粗糙度的实际波长通常需要小于赫兹接触宽度，具体的粗糙度值以符合要求为准，太大太小都会影响到轴承精度。第三个方面是工况条件。滚动轴承所处的外部工况条件会影响到轴承的精度，如装配的模式、受载的类型、润滑等。在实际应用过程中，工况条件应该根据实际情况进行合理调试，以使轴承可以达到足够的精度。
若要保障高速数控机床主轴的刚度，就需要使用较大尺寸的角接触球轴承。在这种情况下，滚动体和内外圈滚道之间不会有很大的接触应力。然而，轴承的失效常常是因为轴承滚道、滚动体与保持架之间磨损严重，致使轴承精度减小，所以其工作性能不符合要求。首先是角接触球轴承接触角的问题，一旦轴承内外圈接触角差值变大，就会使保持架磨损更加剧烈，直到轴承损坏，因此要减小轴承内外圈接触角的差值。
其次是旋滚比，会致使钢球和滚道接触面产生滑动磨损。只有旋滚比越小，滑动磨损才会越低。再次是轴承刚度，需要参照不同型号的机床要求来选择轴承刚度，以减少振动为标准，使轴承的临界转速远离主轴系统的工作转速。最后是接触面的接触应力。滚动面上的接触应力越大，就会出现磨损越严重的状况，因此需要在最大程度上降低接触面的接触应力。
高速数控机床主轴轴承配套使用的高端塑料保持架是保持轴承性能的关键，相关企业要制定企业超精密轴承配套用塑料保持架精密注塑成型工艺的标准，并进行超精密轴承配套用塑料保持架技术研究。使用传统其他材质的保持架无法达到保持轴承性能的要求，而塑料材质的保持架则可以满足需要，其实际的技术指标有：注塑精度提升至 0.01 mm、重复精度偏差提升至 0.2 g、高温下（240 ℃）长期使用仍保持较高的机械强度、耐受大部分化学制剂的腐蚀、尺寸具备一定的稳定性、吸水率在 0.1% 以下、塑料中低线胀系数符合要求以及疲劳性在百万次折弯性能中降低到 30% 之内。
4、结语
精密机床使用的系列高端轴承是轴承最精密的尖端产品，由于国内机床轴承生产企业普遍处于研发能力弱、制造技术水平低、原材料等配套条件差的情况，造成国产高端轴承的精度耐久性、性能稳定性、尤其是寿命和可靠性与国际先进水平有较大差距，导致高端机床轴承在全球范围内基本被少数美日欧企业垄断。而国内机床精密主轴轴承生产企业处于非系统化研发、制造和应用的阶段，对高端轴承的设计和应用没有完整的产业链，且应对高端轴承应用需求的能力不足，导致我国高速、高精度数控机床轴承的自主化未取得突破性进展。因此，对于高速数控机床主轴轴承精度及其保持性进行分析，有助于机床轴承行业的发展，对于促进轴承技术进步有着积极的意义。
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