高速数控机床主轴轴承精度及其保持性分析

一、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。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，国内只有为数不多的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。
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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4X106 mm·r·min-1， 油润滑dmn值平均可达2.0X106~2.5X106 mm·r·min-1，脂润滑dmn值最高可达2.0X106 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2.0X106~2.5X106 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1.2X106~1.8X106 mm·r·min-1， 脂润滑时dmn值为1.0X106 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P4S，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P47。

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1 500 MPa，球轴承可参考值为2 200 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实质性的突破。

二、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受到3个方面的因素影响。

第一个方面是轴承部件的外部几何形状导致的误差。

在轴承部件的加工制造过程之中，一般都会出现几何形状误差，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，这属于较为常见的几何形状误差。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、表面粗糙度、表面几何形状等，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、表面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艺、试验、应用技术研究等非常重要。