在高端裝備制造業(yè)中，數(shù)控機床是不可或缺的工作設(shè)備。隨著時代的發(fā)展，數(shù)控機床的特點也發(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，中國軸承產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展進步，產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟規(guī)模已居世界軸承總量第三位。但與世界軸承工業(yè)強國相比，我國生產(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)定性有待進一步提高。

一般來說，精密機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，國內(nèi)機床軸承生產(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、壽命和可靠性與國際先進水平存在較大差距。因此，高端機床軸承在全球范圍內(nèi)大多被美、日、歐等公司壟斷，而國內(nèi)機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)計和應(yīng)用沒有完整的產(chǎn)業(yè)鏈，對高端軸承應(yīng)用需求的響應(yīng)能力不足，導(dǎo)致我國高速高精度數(shù)控機床軸承的自主性沒有突破。在這種情況下，分析高速數(shù)控機床主軸軸承的精度和保持力具有重要的現(xiàn)實意義。

1.高速數(shù)控機床主軸軸承概述。

作為軸承機床運轉(zhuǎn)的“芯片”，它是機床制造中重要而關(guān)鍵的基礎(chǔ)零件之一，直接決定著機床產(chǎn)品的性能、質(zhì)量和可靠性。精度和切削能力是衡量機床質(zhì)量的兩個重要標準。它們?nèi)Q于機床的總體設(shè)計，但在很大程度上也取決于機床工件的軸承系統(tǒng)。軸承的結(jié)構(gòu)和精度在很大程度上決定了機床的性能。高檔數(shù)控機床主軸軸承需要P4及以上精度的高精度滾動軸承。隨著現(xiàn)代機床向高精度、高效率、高智能化方向發(fā)展，對機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，對安裝使用、調(diào)整維護、潤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)控機床主軸軸承的技術(shù)發(fā)展目標。

精密軸承廣泛應(yīng)用于高精度機床主軸、機器人、新能源電機和空氣壓縮機。隨著技術(shù)的不斷進步，對精密軸承的要求越來越高。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)保化已成為機床行業(yè)技術(shù)發(fā)展的主要趨勢。精密軸承作為機床的基礎(chǔ)部件，其性能將直接影響機床的轉(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，未來我國高檔數(shù)控機床的主軸軸承和機器人軸承將呈現(xiàn)高精度、高剛度、高承載能力、高可靠性、低摩擦力矩、長壽命、新材料、新結(jié)構(gòu)的特點。

主要研究方向。

電主軸是三大高科技數(shù)控機床(高速電主軸、數(shù)控系統(tǒng)和進給驅(qū)動)之一。隨著越來越多的機械設(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)的機械主軸是機床行業(yè)的發(fā)展趨勢。電主軸按使用的軸承類型可分為滾動軸承、空氣軸承、液體滑動軸承和磁懸浮軸承，其中滾動軸承、空氣軸承和液體滑動軸承是目前電主軸應(yīng)用最廣泛的軸承類型。滾動電主軸具有低摩擦阻力、低功耗、高精度、高剛性、成本相對較低、易于系列化和標準化、承載能力強、可應(yīng)用于大載荷等優(yōu)點。浮動軸承電主軸采用“氣膜”支撐，與滾動軸承電主軸和液體滑動軸承電主軸相比，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、回轉(zhuǎn)精度高、極限轉(zhuǎn)速高等特點。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、使用壽命長等特點。

2.國內(nèi)外高速數(shù)控機床主軸軸承發(fā)展對比分析。

受加工設(shè)備、制造工藝和相關(guān)技術(shù)的限制，我國機床軸承行業(yè)整體水平與國外先進水平差距較大。目前國內(nèi)能批量生產(chǎn)并配套精密機床軸承的企業(yè)只有幾家。國外精密機床軸承雖然性能優(yōu)良、可靠性高，但存在價格高、交貨時間長等問題，國外供應(yīng)商可能會采取限制供應(yīng)等措施，嚴重阻礙我國重大裝備制造業(yè)的發(fā)展，影響我國經(jīng)濟運行和國家安全。

同時，受國內(nèi)高端數(shù)控機床行業(yè)整體發(fā)展的影響，高端數(shù)控機床主軸軸承市場主要被國外軸承廠商占據(jù)。國內(nèi)只有少數(shù)軸承企業(yè)開發(fā)了部分產(chǎn)品，但在核心高端數(shù)控機床上應(yīng)用和實踐仍有一定難度。高端機床功能部件的缺乏已經(jīng)成為我國高端數(shù)控機床發(fā)展的最大制約因素。“中國制造2025”期間，機床行業(yè)的主要目標之一是推進高端數(shù)控機床功能部件的產(chǎn)業(yè)化進程。因此，發(fā)展我國高端數(shù)控機床重要功能部件(高可靠性、高速、超精密軸承)，可以有效提高我國高端數(shù)控機床重要功能部件的自主化率，滿足我國機械、航空航天等產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需要，有助于實現(xiàn)“中國制造2025”的產(chǎn)業(yè)目標和振興我國裝備制造業(yè)的戰(zhàn)略目標。

經(jīng)過多年發(fā)展，我國機床軸承產(chǎn)業(yè)已形成相當規(guī)模，但國產(chǎn)高端機床軸承產(chǎn)品的壽命和精度與國際先進水平仍有一定差距。這主要體現(xiàn)在三個方面。第一個方面是高轉(zhuǎn)速。歐美機床主軸用角接觸球軸承以油氣潤滑為主，最高dmn為4×106mm·r·min-1，油潤滑平均dmn為2.0×106 ~ 2.5×106mm·r·min-1，脂潤滑最高dmn為2.0×106mm·r·min-1。圓柱滾子軸承。以角接觸球軸承為例。目前我國油氣潤滑軸承的dmn值為1.2×106 ~ 1.8×106mm·r·min-1，脂潤滑軸承的DMN值為1.0×106mm·r·min-1。承載速度還是有一定差距的。第二個方面是精度水平。一般機床主軸軸承公差等級在P5以上。數(shù)控機床、加工中心等高速高精度機床的主軸軸承，應(yīng)選用P4及以上精度。SKF公司機床主軸用角接觸球軸承的“標準公差等級”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“標準公差等級”為s P，即回轉(zhuǎn)精度為P4，尺寸精度為P5。

FAG公司機床主軸用角接觸球軸承的“標準公差等級”為H4S，部分指標高于P4。高精度車床用NSK主軸軸承的“標準公差等級”和P4一樣高。目前，中國可以生產(chǎn)P4級軸承，但無法實現(xiàn)工業(yè)化。第三個方面是長精度壽命。機床軸承的使用壽命通常不是用疲勞壽命來評價，而是用精度壽命或磨損壽命來評價。這是因為主軸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)。而且潤滑、密封等運行條件相對較好，即一般認為軸承處于“理想狀態(tài)”，而國產(chǎn)軸承的長精密壽命較低。

此外，在產(chǎn)品創(chuàng)新、R&D和高端數(shù)控機床用高可靠性高速超精密軸承的檢測方面，我國軸承也存在差距。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)和測試水平較低，創(chuàng)新體系建設(shè)和運行、R&D資金投入和人才開發(fā)仍處于較低水平。在實際制造技術(shù)方面，我國制造技術(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，國外碳化物平均尺寸在1微米以下，晶粒度在9.5以上，而國內(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因素影響:57個因素的設(shè)計和研究。第一個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程中，一般會存在形狀誤差，如內(nèi)外圈的圓度誤差、滾動體的球面誤差等，這些都會影響軸承的振動、運行可靠性和磨損。在載荷的作用下，角接觸球軸承的回轉(zhuǎn)精度會因套圈滾道的圓度誤差和鋼球的球面誤差而產(chǎn)生波動，這是一種常見的形狀誤差。在這種情況下，套圈的受力分布不均勻，一些零件的磨損會加快，軸承的精度會降低。第二個方面是表面特征。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影響軸承的精度。軸承表面的波紋主要是由軸承制造過程中砂輪的局部振動引起的零件表面的周期性波動引起的。波紋的波長將大于赫茲接觸寬度，因此當軸承高速旋轉(zhuǎn)時，軸承旋轉(zhuǎn)的精度將受到影響。此外，表面粗糙度也是評價軸承質(zhì)量的一個指標。粗糙度的實際波長通常需要小于赫茲接觸寬度，具體粗糙度值以要求為準。過大或過小都會影響軸承精度。第三個方面是工作條件。滾動軸承的外部工作條件會影響軸承的精度，如裝配方式、載荷類型、潤滑等。在實際應(yīng)用過程中，應(yīng)根據(jù)實際情況合理調(diào)試工況，使軸承達到足夠的精度。

為了保證高速數(shù)控機床主軸的剛度，需要使用較大的角接觸球軸承。在這種情況下，在滾動元件和內(nèi)外圈的滾道之間不會有大的接觸應(yīng)力。然而，軸承的失效往往是由于軸承滾道、滾動體和保持架之間磨損嚴重，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，保持架磨損會更嚴重，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，旋滾比會造成鋼球與滾道接觸面的滑動磨損。只有轉(zhuǎn)滾比越小，滑動磨損才會越低。再次，軸承剛度需要根據(jù)不同類型機床的要求進行選擇，以降低振動為標準，保持軸承的臨界轉(zhuǎn)速遠離主軸系統(tǒng)的工作轉(zhuǎn)速。最后是接觸面的接觸應(yīng)力。滾動面上的接觸應(yīng)力越大，磨損就會越嚴重，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準，開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足軸承性能的要求，而塑料的保持架可以滿足要求。其實際技術(shù)指標為: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℃)下長期使用仍保持較高的機械強度，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%，塑料低線膨脹系數(shù)符合要求，耐疲勞。

4.結(jié)論。

精密機床用系列高端軸承是軸承中最尖端的產(chǎn)品。由于國內(nèi)機床軸承生產(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遠落后于國際先進水平，導(dǎo)致高端機床軸承在全球范圍內(nèi)被少數(shù)美、日、歐公司壟斷。然而，國內(nèi)機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)計和應(yīng)用沒有完整的產(chǎn)業(yè)鏈，滿足高端軸承應(yīng)用需求的能力不足，導(dǎo)致我國高速高精度數(shù)控機床軸承的自主性沒有突破。因此，對高速數(shù)控機床主軸軸承精度及其保持力的分析有助于機床軸承行業(yè)的發(fā)展，對推動軸承技術(shù)進步具有積極意義。