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轴承知识

KNOWLEDGE

从轴承制造和磨床主轴看磨削装备

2020-03-18
熊万里
  摘 要:系统介绍了国内外轴承磨削装备的技术现状和发展趋势。重点从轴承装备用户和磨床主轴供应方的角度,对国内外轴承磨床的特点和优缺点进行了比较和分析。结合湖南大学已产业化的轴承磨床液体动静压主轴及电主轴等产品案例,对磨床主轴的关键技术作了介绍。最后就如何促进轴承行业发展、打造轴承行业品牌提出了若干建议。
  湖南大学国家高效磨削工程中心有三个主要研究方向:(1)高速超高速磨削工艺及装备;(2)精密超精密磨削工艺及装备;(3)高速主轴技术等。超高速磨削技术的优势及特点主要体现在:(1)可大幅度提高加工效率;(2)可显著提高零件的加工精度和表面质量;(3)可实现陶瓷等难加工材料的精密加工;(4)可实现薄壁零件的精密加工。湖南大学高速主轴技术研究及产业化已经历30余年,目前液体动静压(电)主轴系列产品已在外圆磨床、内圆磨床、轴承磨床、平面磨床、立式磨床和无心磨床上成功批量应用,在改造维修德国肖特公司磨床主轴、日本丰田工机磨床主轴、日本三菱加工中心电主轴等方面取得了许多成功案例。
  从轴承制造和轴承装备用户的角度看,轴承磨床的性能要求主要包括:(1)套圈的加工精度,如套圈圆度、波纹度、表面粗糙度、沟位置散差、尺寸散差等;(2)套圈的加工节拍和加工效率;(3)套圈加工质量的批一致性;(4)轴承磨床的可靠性;(5)轴承磨床的性价比。
  目前国外轴承磨床厂家如瑞典LKP和意大利NOVA公司的产品特点主要有:(1)液体静压技术广泛应用,包括砂轮轴、工件轴、修整器轴、机床导轨等;(2)机床导轨和主轴等关键部件的制造工艺精良;(3)对磨削工艺研究深入,并将工艺集成到装备数控系统之中;(4)直线电机广泛应用;(5)机床加工过程控制严格,检测数据充分,产品品质可信度高。
  当前国内轴承磨床厂家存在的不足主要表现在;1)轴承装备厂家对轴承制造厂家的需求了解欠充分,个性化服务较欠缺;(2)产品设计多为经验类比设计,定量依据欠充分;(3)在磨削工艺上的投入相对不足;(4)磨床整机装配过程中的部分关键指标检测不足;(4)产品制造过程的数据库积累少,难以支撑技术长期有效积累;(5)关键零件的加工精度和材料变形等质量控制环节保障不够。
  站在轴承制造厂家角度看,国内轴承磨床存在的不足主要有:(1)磨削精度和磨削工件的“批一致性”有待进一步提高;(2)主轴刚性较低,精度寿命较短,维护较为频繁,调整时间较长;(3)磨削工艺方面很难给用户提供支持;(4)磨床制造过程中的关键技术指标须严格检测并长期保留。
  目前国外轴承磨床主轴的技术现状及主要特点包括:(1)砂轮轴多采用滚动轴承电主轴;润滑多采用油气润滑、气密封、强制水冷、主轴跳动控制在1um;(2)头架轴广泛采用液体静压主轴,回转精度高,精度寿命长;(3)电主轴功率比国内同规格普遍偏高,且在线监控和保护措施到位;(4)主轴工作环境好,洁净度高,温度和湿度控制好等。
  国内轴承磨床主轴的现状是:(1)砂轮轴采用滚动轴承主轴或静压主轴,主要为皮带驱动;(2)头架轴采用滚动轴承皮带轴;(3)修整器刚度普遍偏低,修整精度和效率低;(4)对主轴运行状态保护措施少,在线检测不充分;(5)主轴工作环境较差,如温度、湿度、空气洁净度和润滑等条件很难严格保证。
  从磨床主轴供应方的角度讲,他们希望轴承磨床装备生产厂家能够做到:(1)所提出的主轴功率、速度、扭矩、刚性等参数指标依据充分,恰当合理;(2)主轴与砂轮、法兰、磨头体的联接刚度高;(3)主轴与电机的机电耦合特性匹配合理;(4)丝杠导轨进给系统的刚性好,精度高,无爬行现象;(5)套圈支架的联接刚性好,耐磨性好;(6)磨床数控系统稳定,分辨率高;(7)厂家熟悉磨削工艺,能最大限度发挥主轴的性能;(8)发生售后维修时,能提供准确的机床相关信息。
  湖南大学的轴承磨床砂轮轴、工件轴和修整器轴等已实现产业化应用。这些主轴关键技术包括磨削力的计算及测试、动静压砂轮轴和工件轴设计、内圆磨角接触球轴承电主轴设计、电主轴系统机电耦合匹配特性优化等。现有电主轴设计技术的局限性主要表现在:(1)现有电主轴系统设计为孤立的单元设计(电机、变频器、砂轮主轴、载荷),不能反映各单元之间的相互影响规律,难以实现一体化设计;(2)现有电主轴设计是各单元的静态设计,不能反映系统真实启动过程或在载荷变化条件下的动态过程,不能实现对系统动态特性进行定量评价;(3)现有电机设计采用理想正弦波假设,设计结果误差大;(4)现有设计理论不能揭示逆变器导致的磨削主轴系统机电耦合振动机理,难以提出避免高次谐波机电耦合振动的方法;(5)由于缺乏系统化的设计理论,现有研究工作很难实现对磨削电主轴系统的综合优化。针对上述局限,我们已经找到并实施了相应的解决办法。
  目前国内轴承磨床行业品牌企业较少,争创品牌的信心和积极性偏低,政府、企业和广大同行宜从如下方面继续努力:(1)只有建立了稳定的包括知识产权在内的财产保护制度,才能保障技术和财富的长期有序积累,才能更有效地造就品牌。(2)只有抓住了技术的“根”,才有真正技术创新的自信。把产品“做出来”的“诀窍”很重要,但背后的“道理”更重要。(3)只有行业上下游的同仁一起“挺身入局”,认真到底,才有创造产业品牌的希望。
  目前国内轴承磨削装备产业处于转型升级的关键时期,个人认为下述建议值得重视:(1)调整产品定位,增加产品的技术附加值;(2)用定量的精细化设计取代定性的经验式设计;(3)用系统化设计取代独立部件设计,统筹主轴与机床特性、变频器、控制系统、砂轮、磨削工艺参数的匹配关系;(4)更加重视产品性能数据库、加工装配工艺数据库和切削工艺数据库的根本性支撑作用,充分认识到数据积累的重要性,“拙就是巧”。(5)更加重视检测技术的保障作用,同时设计技术与检测技术深度融合;(6)重视磨削工艺研究,为用户提供系统的解决方案,将装备和服务一起提供给用户,既销售产品,又销售服务。(7)只有致力于做品牌,企业的路才会长远。目前国内缺乏技术和硬件条件支撑的企业在苦苦求生存,而有条件的企业又多致力于企业规模和利润,真正致力于核心能力建设和品牌建设的企业还是太少。国内轴承行业的进一步提升,需要更多的企业家和行业同仁共同努力。
  作者简介:熊万里,博士,教授,湖南大学博士生导师,国家高效磨削工程中心总工程师。长期致力于液体动静压电主轴、角接触球轴承电主轴、磨削工艺系统动力学、高速大功率电机方面的研究、开发及产业化工作。主持国家自然科学基金项目、国家863计划项目等纵向课题10余项和企业横向课题10余项。主持开发成功液体动静压电主轴(35kW/9000rpm、12kW/30000rpm)、滚动轴承式加工中心电主轴(35kW/18000rpm)和高速大功率电机(315kW/17000rpm)等数十款产品;发表学术论文70余篇,获授权发明专利22项和软件著作权4项;获国家科技进步二等奖、中国专利优秀奖和中国机械工程学会“青年科技成就奖”等奖项近10项,培养高速主轴方向博士硕士毕业生近30名。
来源:《轴承工业杂志》
 
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