論我國重大技術(shù)裝備軸承的自主安全可控（3）——數(shù)控機(jī)床軸承

3 數(shù)控機(jī)床軸承

3.1 數(shù)控機(jī)床軸承系統(tǒng)

數(shù)控機(jī)床軸承包括高速主軸–軸承系統(tǒng)(含電主軸軸承、動(dòng)靜壓軸承)、直線導(dǎo)軌軸承、滾珠絲杠等功能部件(圖5-圖7)。

1-護(hù)套；2-前壓緊環(huán)；3-前軸承；4-軸承座；5-后軸承；6-后鎖緊螺母；7-后端蓋；8-驅(qū)動(dòng)帶輪；9-帶輪鎖緊螺母；10-編碼器帶輪；11-后緊定螺母；12-后壓蓋；13-后壓緊環(huán)；14-后調(diào)整環(huán)；15-前緊定螺母；16-角接觸軸承組；17-前調(diào)整環(huán)；18-主軸。

圖5 典型的機(jī)床主軸–軸承系統(tǒng)

Fig.5 Typical machine tool spindle-bearing system

圖6 高速電主軸–軸承系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)圖

Fig.6 Typical structure diagram of high speed motorized spindle-bearing system

圖7 滾珠絲杠與直線導(dǎo)軌軸承

Fig.7 Ball screws and linear guide bearings

3.2 軸承類型及其圖示

成對(duì)組配或多聯(lián)組配角接觸球軸承如圖8所示，在應(yīng)用安裝時(shí)必須施加一定的預(yù)載荷。選擇適當(dāng)?shù)念A(yù)載荷可以提高主軸系統(tǒng)剛性，降低溫升，改善系統(tǒng)加工精度。軸承預(yù)載荷通常分為輕(A)、中(B)、重(C)3檔，用戶可根據(jù)主軸系統(tǒng)的實(shí)際工況進(jìn)行選擇。單、雙列圓柱滾子軸承的結(jié)構(gòu)如圖9所示。雙向推力角接觸球軸承如圖10所示，通常要求SP等級(jí)公差，有需要時(shí)也可要求UP等級(jí)公差。

圖8 機(jī)床主軸用角接觸球軸承的成組配對(duì)

Fig.8 Matched angular contact ball bearing sets for machine tool spindles

圖9 單、雙列圓柱滾子軸承

Fig.9 Single and double row cylindrical roller bearings

圖10 雙向推力角接觸球軸承

Fig.10 Bidirectional thrust angular contact ball bearing

3.3 關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)

1)精度等級(jí)P2或P4；

2)精度壽命達(dá)30 000 h；

3)溫升小于20 ℃；

4)高速性能穩(wěn)定提高，d_mn值2020年達(dá)到3.0× 10⁶mm·r/min，2025年達(dá)到4.0×10⁶mm·r/min;

5)平均無故障時(shí)間(MTBF)由500 h提高到2 000 h；

6)氮化硅陶瓷球軸承采用熱等靜壓處理，達(dá)到抗彎強(qiáng)度不小于900 MPa，韋布爾模數(shù)不小于12，氣孔率不大于0.02%，壓碎載荷不小于50%，精度等級(jí)高于G5的要求。

3.4 市場分析

我國軸承行業(yè)生產(chǎn)機(jī)床軸承的企業(yè)有近百家，規(guī)模以上企業(yè)20余家。目前國產(chǎn)機(jī)床軸承以供應(yīng)維修市場為主，主要應(yīng)用于低端機(jī)床。高檔數(shù)控機(jī)床使用的精密軸承大部分依賴進(jìn)口，該市場被國外的NTN，NSK，SKF等公司壟斷。

按照國家統(tǒng)計(jì)局和中國機(jī)床工具協(xié)會(huì)的統(tǒng)計(jì)，2019年全國共生產(chǎn)金屬切削機(jī)床420x10⁴臺(tái)，機(jī)床軸承類型較多，在此僅以技術(shù)含量高，適用面廣，具有一定代表性的主軸軸承和絲杠軸承為例分析市場容量：每臺(tái)機(jī)床需配套主軸軸承4~6套，絲杠軸承4~8套，則每年新增機(jī)床共需配套主軸軸承252×10⁴套，絲杠軸承336×10⁴套；按機(jī)床折舊期為8年，主軸軸承使用壽命為0.5年，絲杠軸承使用壽命為2年計(jì)算，需要主軸軸承3 528×10⁴套，絲杠軸承1 176×10⁴套；綜合考慮新增機(jī)床市場和維修市場的需求，每年國內(nèi)機(jī)床軸承的市場規(guī)模為4 500x10⁴套左右，銷售額約60~100億元。

3.5 自主化

目前，由于國產(chǎn)軸承的精度保持性和平均無故障時(shí)間與國外產(chǎn)品有較大差距，軸承成本在機(jī)床造價(jià)中占比很小，機(jī)床企業(yè)缺乏國產(chǎn)化的壓力和動(dòng)力，不少機(jī)床終極用戶對(duì)國產(chǎn)軸承品牌不認(rèn)可，要求機(jī)床制造時(shí)配置國外品牌軸承等原因，使高檔數(shù)控機(jī)床的全部軸承以及中檔數(shù)控機(jī)床的大部分軸承仍依賴進(jìn)口。

因此，我們需要整合軸承行業(yè)幾十年來在數(shù)控機(jī)床軸承上的碎片化研發(fā)成果，在此基礎(chǔ)上將產(chǎn)學(xué)研用結(jié)合，加大研發(fā)和工程化的力度，力爭在較短時(shí)間內(nèi)使軸承精度、性能、壽命和可靠性，特別是精度保持性和平均無故障時(shí)間達(dá)到國際先進(jìn)水平。

（參考文獻(xiàn)略）

來源：《軸承》2022年1期（節(jié)選）

軸研所公眾號(hào) 軸承雜志社公眾號(hào)

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