高速数控机床主轴轴承精度及其保持性分析

在高端装备制造业中，数控机床是不可或缺的工作设备。随着时代的发展，数控机床的特点也发生了变化，逐渐向高速化、智能化、高精度方向发展。近年来，中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第三位。但与世界轴承工业强国相比，我国生产的轴承质量仍有一定差距，主要表现在高技术、高精度、高附加值产品比重较低，相关产品的稳定性有待进一步提高。

一般来说，精密机床用的系列高端轴承是这种设备中最精密的产品。然而，国内机床轴承生产企业普遍处于R&D能力弱、制造水平低、原材料配套条件差的局面，导致国内高端轴承的精度、耐久性、性能稳定性、寿命和可靠性与国际先进水平存在较大差距。因此，高端机床轴承在全球范围内大多被美、日、欧等公司垄断，而国内机床精密主轴轴承生产企业仍处于不系统的R&D、制造和应用。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响应能力不足，导致我国高速高精度数控机床轴承的自主性没有突破。在这种情况下，分析高速数控机床主轴轴承的精度和保持力具有重要的现实意义。

1.高速数控机床主轴轴承概述。

作为轴承机床运转的“芯片”，它是机床制造中重要而关键的基础零件之一，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。它们取决于机床的总体设计，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P4及以上精度的高精度滚动轴承。随着现代机床向高精度、高效率、高智能化方向发展，对机床主轴轴承不断提出新的更高的要求，如更高的回转精度、更高的静刚度和动刚度、更高的极限转速、更低的温升和摩擦力矩、更高的精度保持率等。与此同时，对安装使用、调整维护、润滑密封更加方便的要求也不断提出。集成化、单元化和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度机床主轴、机器人、新能源电机和空气压缩机。随着技术的不断进步，对精密轴承的要求越来越高。随着数控技术的快速发展，复合化、高速化、智能化、精密化和环保化已成为机床行业技术发展的主要趋势。精密轴承作为机床的基础部件，其性能将直接影响机床的转速、回转精度、刚度、抗振切削性能、噪声、温升和热变形。因此，未来我国高档数控机床的主轴轴承和机器人轴承将呈现高精度、高刚度、高承载能力、高可靠性、低摩擦力矩、长寿命、新材料、新结构的特点。

主要研究方向。

电主轴是三大高科技数控机床(高速电主轴、数控系统和进给驱动)之一。随着越来越多的机械设备向高速、高精度、高效率和高智能方向发展，电主轴已经成为高性能数控机床最合适的核心功能部件之一。在某些领域用电主轴代替传统的机械主轴是机床行业的发展趋势。电主轴按使用的轴承类型可分为滚动轴承、空气轴承、液体滑动轴承和磁悬浮轴承，其中滚动轴承、空气轴承和液体滑动轴承是目前电主轴应用最广泛的轴承类型。滚动电主轴具有低摩擦阻力、低功耗、高精度、高刚性、成本相对较低、易于系列化和标准化、承载能力强、可应用于大载荷等优点。浮动轴承电主轴采用“气膜”支撑，与滚动轴承电主轴和液体滑动轴承电主轴相比，具有结构紧凑、体积小、摩擦损失小、噪音低、热稳定性好、污染小、使用寿命长、回转精度高、极限转速高等特点。液体轴承电主轴由液体“油膜”支撑，具有明显的“误差均衡效应”和阻尼减振作用，具有回转精度高、刚度大、磨损小、使用寿命长等特点。

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、制造工艺和相关技术的限制，我国机床轴承行业整体水平与国外先进水平差距较大。目前国内能批量生产并配套精密机床轴承的企业只有几家。国外精密机床轴承虽然性能优良、可靠性高，但存在价格高、交货时间长等问题，国外供应商可能会采取限制供应等措施，严重阻碍我国重大装备制造业的发展，影响我国经济运行和国家安全。

同时，受国内高端数控机床行业整体发展的影响，高端数控机床主轴轴承市场主要被国外轴承厂商占据。国内只有少数轴承企业开发了部分产品，但在核心高端数控机床上应用和实践仍有一定难度。高端机床功能部件的缺乏已经成为我国高端数控机床发展的最大制约因素。“中国制造2025”期间，机床行业的主要目标之一是推进高端数控机床功能部件的产业化进程。因此，发展我国高端数控机床重要功能部件(高可靠性、高速、超精密轴承)，可以有效提高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、航空航天等产业发展的需要，有助于实现“中国制造2025”的产业目标和振兴我国装备制造业的战略目标。

经过多年发展，我国机床轴承产业已形成相当规模，但国产高端机床轴承产品的寿命和精度与国际先进水平仍有一定差距。这主要体现在三个方面。第一个方面是高转速。欧美机床主轴用角接触球轴承以油气润滑为主，最高dmn为4×106mm·r·min-1，油润滑平均dmn为2.0×106 ~ 2.5×106mm·r·min-1，脂润滑最高dmn为2.0×106mm·r·min-1。圆柱滚子轴承。以角接触球轴承为例。目前我国油气润滑轴承的dmn值为1.2×106 ~ 1.8×106mm·r·min-1，脂润滑轴承的DMN值为1.0×106mm·r·min-1。承载速度还是有一定差距的。第二个方面是精度水平。一般机床主轴轴承公差等级在P5以上。数控机床、加工中心等高速高精度机床的主轴轴承，应选用P4及以上精度。SKF公司机床主轴用角接触球轴承的“标准公差等级”为P4A或P7，即回转精度为P2，尺寸精度为P4，圆柱滚子轴承的“标准公差等级”为s P，即回转精度为P4，尺寸精度为P5。

FAG公司机床主轴用角接触球轴承的“标准公差等级”为H4S，部分指标高于P4。高精度车床用NSK主轴轴承的“标准公差等级”和P4一样高。目前，中国可以生产P4级轴承，但无法实现工业化。第三个方面是长精度寿命。机床轴承的使用寿命通常不是用疲劳寿命来评价，而是用精度寿命或磨损寿命来评价。这是因为主轴轴承滚子与滚道的接触应力一般低于其疲劳极限(如一般规定为1500 MPa，球轴承参考值为2200 MPa)。而且润滑、密封等运行条件相对较好，即一般认为轴承处于“理想状态”，而国产轴承的长精密寿命较低。

此外，在产品创新、R&D和高端数控机床用高可靠性高速超精密轴承的检测方面，我国轴承也存在差距。例如，缺乏基础理论和共性技术研究，企业产品研发和测试水平较低，创新体系建设和运行、R&D资金投入和人才开发仍处于较低水平。在实际制造技术方面，我国制造技术发展缓慢，很多关键技术未能取得突破。例如，在关键热处理工艺中，国外碳化物平均尺寸在1微米以下，晶粒度在9.5以上，而国内碳化物平均尺寸在4微米以下，晶粒度一般在9.5以下。

3.影响高速角接触球轴承精度的因素

高速角接触球轴承的精度主要受三个因素影响:57个因素的设计和研究。第一个方面是由轴承部件的外部形状引起的误差。在轴承部件的制造过程中，一般会存在形状误差，如内外圈的圆度误差、滚动体的球面误差等，这些都会影响轴承的振动、运行可靠性和磨损。在载荷的作用下，角接触球轴承的回转精度会因套圈滚道的圆度误差和钢球的球面误差而产生波动，这是一种常见的形状误差。在这种情况下，套圈的受力分布不均匀，一些零件的磨损会加快，轴承的精度会降低。第二个方面是表面特征。零件的表面特征包括许多方面，如波纹度、粗糙度、表面形状等。，这主要取决于设备的制造工艺。

对于角接触球轴承，套圈滚道和钢球表面的波纹度和粗糙度会影响轴承的精度。轴承表面的波纹主要是由轴承制造过程中砂轮的局部振动引起的零件表面的周期性波动引起的。波纹的波长将大于赫兹接触宽度，因此当轴承高速旋转时，轴承旋转的精度将受到影响。此外，表面粗糙度也是评价轴承质量的一个指标。粗糙度的实际波长通常需要小于赫兹接触宽度，具体粗糙度值以要求为准。过大或过小都会影响轴承精度。第三个方面是工作条件。滚动轴承的外部工作条件会影响轴承的精度，如装配方式、载荷类型、润滑等。在实际应用过程中，应根据实际情况合理调试工况，使轴承达到足够的精度。

为了保证高速数控机床主轴的刚度，需要使用较大的角接触球轴承。在这种情况下，在滚动元件和内外圈的滚道之间不会有大的接触应力。然而，轴承的失效往往是由于轴承滚道、滚动体和保持架之间磨损严重，导致轴承精度降低，因此其工作性能不符合要求。首先是角接触球轴承的接触角。一旦轴承内外圈接触角差变大，保持架磨损会更严重，直至轴承损坏。因此，需要减小轴承内外圈的接触角差。

其次，旋滚比会造成钢球与滚道接触面的滑动磨损。只有转滚比越小，滑动磨损才会越低。再次，轴承刚度需要根据不同类型机床的要求进行选择，以降低振动为标准，保持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，磨损就会越严重，所以要尽量减小接触面上的接触应力。

用于高速数控机床主轴轴承的高端塑料保持架是保持轴承性能的关键。相关企业应制定超精密轴承用塑料保持架精密注射成型工艺标准，开展超精密轴承用塑料保持架技术研究。传统的其他材料的保持架不能满足轴承性能的要求，而塑料的保持架可以满足要求。其实际技术指标为:注塑精度提高到0.01 mm，重复精度偏差提高到0.2 g，高温(240℃)下长期使用仍保持较高的机械强度，耐大部分化学试剂腐蚀，具有一定的尺寸稳定性，吸水率低于0.1%，塑料低线膨胀系数符合要求，耐疲劳。

4.结论。

精密机床用系列高端轴承是轴承中最尖端的产品。由于国内机床轴承生产企业普遍处于R&D能力弱、制造技术水平低、原材料配套条件差的局面，国产高端轴承的精度耐久性、性能稳定性，特别是寿命可靠性远远落后于国际先进水平，导致高端机床轴承在全球范围内被少数美、日、欧公司垄断。然而，国内机床精密主轴轴承生产企业处于研发、制造和应用不系统的阶段，高端轴承的设计和应用没有完整的产业链，满足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性没有突破。因此，对高速数控机床主轴轴承精度及其保持力的分析有助于机床轴承行业的发展，对推动轴承技术进步具有积极意义。