数控机床主轴用双向推力角接触球轴承.docx
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数控机床主轴用双向推力角接触球轴承
数控机床主轴用双向推力角接触球轴承
可行性分析报告
一、立项的背景和意义
随着数控技术的快速发展，“高速、精密、节能、环保”已成为当今机床工业技术发展的主要趋势。
其中，高速、精密加工要求机床高转速、高智能；节能、环保要求机床低能耗、高效率。
这就要求机床主轴及其相关部件要适应高转速、低转矩的需求。
目前，数控机床主轴轴承基本上限定在角接触球轴承、双向推力角接触球轴承、圆柱滚子轴承和圆锥滚子轴承等四种结构类型。
主轴轴承作为机床的基础配套件，其性能直接影响到机床的转速、回转精度、刚性、抗颤振动切削性能、噪声、温升及热变形等，进而影响到加工零件的精度、表面质量和加工效率等。
因此，高性能的机床必须配用高性能的轴承。
而目前看来，国内数控机床主轴用高性能的双向推力角接触球轴承主要是进口。
所以，研制开发本项目产品有以下意义：
一是本项目研究开发方向符合“十二五”期间国家的产业政策，国家工信部等部门出台的《“十二五”三基（基础件、基础工艺、基础材料）规划》中明确要求：
“组织中高档数控机床轴承和电主轴、大功率风力发电机组轴承、高速动车组轴承、大型薄板冷热连轧设备轴承和长寿命高可靠性汽车轴承等高速、精密、重载轴承的联合技术攻关。
”其中数控机床轴承排在第一，由此可见，我国中高档数控机床轴承是一个薄弱环节，需要大力研究开发。
二是可以替代进口。
国内中高档数控机床主轴所用轴承基本上采用进口轴承，本项目研发成功，能帮助机床行业降低成本，因为我们的产品可以只有进口轴承价格的60%甚至更低。
三是对轴承行业来说，本项目产品开发成功能提升轴承行业研制生产高精度、高技术含量轴承的自信心，振兴民族轴承工业,符合行业极力推进的轴承工业由劳动密集型向技术密集型转移以及向高、精、专、特产品发展的方向。
四是本项目产品具有高转速、低转矩的性能，高转速可带来高效率，低转矩可形成低功耗也就是有节能的功效，所以，本项目产品还符合国家和整个社会倡导节能降耗的要求。
二、国内外研究现状和发展趋势
1、国外相关产品与技术发展的概况，其代表产品、技术和公司概况
国外相关产品已经从对该类轴承单纯的几何结构研究进入到对轴承热特性及相关主轴热误差进行建模研究，通过此类研究找到滚动体和滚道、滚动体与挡边的热膨胀数据、疲劳剥落产生的机理、最佳接触线、最佳游隙等，从而保证轴承在高速状况下的低转矩和精度保持性。
国外的同类产品装机使用寿命一般在三年以上。
在全球范围内，因机床是高精密的机械产品，特别是有高速化、高转速、低转矩要求的数控机床主轴轴承目前只有瑞典SKF日本NSK等国际上几个先进的轴承企业研制生产，其生产技术只是被国外少数几家知名轴承企业所掌握。
国外研制生产该类轴承的主要公司之一是瑞典的SKF，它的全称是
“SvenskaKullager-Fabriken”中文音译名称为“斯凯孚”。
SKF集团总部设立于瑞典哥特堡，是轴承科技与制造的领导者。
该公司在1905年就发明了双列自动对心滚珠轴承。
时至今年已届满一百周年，SKF执世界滚动轴承业之牛耳，经营的触角已遍及全球，业务遍及世界130个国家，每年生产五亿多个轴承，销售网遍布全球。
目前拥有200家分公司、80家制造厂、41000位员工和8000家代理商和经销商。
SKF平均每两天就有一项新的专利问世。
国外研制生产该类轴承的另一家主要公司是日本的NSKNSK自
1916年在日本率先开始生产轴承以来，作为日本的轴承先锋，开发与提供各类轴承，为产业的发展和机械的进步作出了巨大贡献。
现在，NSK在轴承领域，稳居日本首位，同时在全世界也位居前列。
从20世纪60年代开始，积极开拓海外市场，迄今，NSK集团已达到在26个国家设有海外销售网点共76个，在12国家建立海外生产基地共40个。
2、国内相关产品与技术现状，国内已取得的最新阶段成果和达到的技术水平
国内相关产品有ZWZ234424MHRB234424M等。
国内轴承制造厂家对该类轴承基本上还是通过单纯的几何结构研究而进行设计，因此轴承
的滚动体和套圈滚道仍是传统的直线型，轴承的承载能力和使用寿命远不如国外进口轴承，装机使用寿命在1年左右，多在一般机床和维修市场上使用。
国内少数企业采用高速和耐温型的结构设计，产品的性能和寿命有
了一定的提高。
代表性企业哈尔滨轴承集团松北精工轴承有限公司是哈轴控股的合资公司，公司占地面积25万平方米，生产车间3.9万平方米，现有职工647人，年产轴承500多个品种115万套。
产品主要应用于精密机床、电机、汽车、工程机械、矿山、冶金等领域。
三、拟研究开发内容，关键技术项目创新点和知识产权申报情况
本项目产品的基本结构型式见图1。
图1
一般来说，轴承的基本结构型式已经标准化，特别是外形尺寸有互换性要求，改进创新只能是从轴承的内部结构和参数着手。
1、研究开发内容（包括前期预研和拟进一步研究的内容）前期主要研究了国内外相关产品的结构形式和失效模式，有针对性
地拟订了改进对策，并对改进对策进行了预研和论证。
（1）通过对限制轴承转速提高的因素进行了分析研究发现，由于
轴承在运转过程中，滚动体会产生巨大的离心力（见图2），滚动体的离心力会对轴承产生很大的接触应力，力口剧轴承的温升和磨损，降低
轴承的使用寿命。
根据理论分析，滚动体的离心力与滚动体的3次方成正比（见公式1）。
径向离心力：
Fcr=2.26X10-11D3[dm（nm2+ne2）-dene2cod切…（公式
1）
式中:
D—滚动体直径com—滚动体转速
由此可见，要提高轴承的高速性能，
一方面要采取技术措施减小滚动体的离心力——也就是减小滚动体的直径，另一方面要提高轴承的散热性和润滑功能。
经研究，拟将滚动体的直径由标准设计的
13.494mm减小为12.7mm同时将数量由28粒增加为30粒。
从而减小了滚动体的离心力，也增加了套圈的厚度，从而增加了轴承的刚性，使得轴承在装入轴和箱体孔时滚道变形减少，精度保持性提高。
通过公式1计算可知，滚动体直径每减小10%其离心力将降低30%
（2）采用计算机解析技术，研究改进轴承内部结构设计，减小轴承外圈的内挡边的宽度，并同时减小外圈外挡边的倒角，如图3所示（以234424BM伪例，内挡边的宽度从标准的23.21mm减小到21.52，外挡边的倒角从标准的55o减小到35o）。
这样能使润滑油更顺畅地流入轴承
沟道，提高轴承工作面的散热性能，使轴承高速运转时的发热量最小化
（3）研究保持架的球兜孔结构，对保持架与钢球的接触点进行特殊设计，如图4所示。
减少钢球与保持架球兜的接触面，增加保持架的贮油功能，从而减小摩擦力矩，使轴承在高速运转时温升减少10%
图4
该类轴承标准的保持架球兜结构呈光球面，滚动体与兜孔之间的滑动摩擦形成的摩擦力矩较大，本项目预研中改进保持架兜孔设计，在兜孔中设置凹槽，初步验证看来，该设计改进大幅度地减小了兜孔与滚动体的接触面，明显地减少了滚动体与兜孔的摩擦温升。
（4）研究该类轴承的试验技术。
以往国内对机床主轴轴承没有专门的试验机进行台架试验，往往要交给用户装机试用才能最后发现判断轴承的设计和制造缺陷。
本公司决定进行该类轴承台架试验的技术研究，模拟机床主轴工况，采用急加、减速及其耐久性试验，以满足现代高速、高效主轴需瞬间启动、停止的使用要求。
2、关键技术项目创新点
（1）关键技术和关键工艺
关键技术和关键工艺
关键技术是轴承内部结构的改进：
钢球直径的优选、接触角的高速化设计；优化保持架球兜孔结构，采用TX结构的保持架，对保持架与钢球的接触点进行特殊设计；以及该类轴承的试验设备和技术。
关键工艺是对套圈沟道无烧伤的磨加工和超精加工中高的密波波纹度要求的实现。
（2）创新点①采用减小轴承高速运转时钢球离心力和增加轴承刚性的设计路线，优选轴承的钢球直径，增加套圈厚度，增加轴承的刚性，使得轴承在装入轴和箱体孔时沟道变形减少，精度保持性提高，轴承工作时离心力减小。
2采用计算机解析技术，改进轴承内部结构设计，减小轴承外圈的内挡边的宽度，同时减小外圈外挡边的倒角，使润滑油更顺畅地流入轴承沟道，提高轴承工作面的散热性能，使轴承高速运转时的发热量最小化。
3优化保持架球兜孔结构，对保持架与钢球的接触点进行特殊设计，减少钢球与保持架球兜的接触面，从而减小摩擦力矩，使轴承在高速运转时温升减少10%。
4模拟机床主轴工况，采用急加、减速及其耐久性试验，以满足现代高速、高效主轴需瞬间启动、停止的使用要求。
3、知识产权申报情况
通过以上预研，公司已经将上述创新点①、②条申请了整套轴承的
实用新型专利；将第③条改进创新点申请了保持架结构实用新型专利,目前已经上报，正在审查过程之中。
四、主要经济/技术指标、应用前景、预期目标等
1、主要经济指标
成本估算见表1。
表1（单位：
元/套）
生产能力：
2.1万套/年年产值：
1680万元
预计平均售价：
800元/套年销售量：
2万套
年销售收入：
1600万元年利税：
260万元
6、社会效益
（1）对机床行业来说，研究开发本项目产品有助于提高我国机械加工的技术水平，协助机床行业产业化生产高端工艺装备。
因为国外普遍可以实行高速切削加工，数控化率达70%以上，而我国切削速度低,数控化率还不到30%其轴承是高速切削中的关键因素，所以，研制开发并产业化生产高端机床主轴轴承就解决了高速切削问题的瓶颈技术。
（2）对轴承行业来说，研究开发并产业化生产本项目产品能提升行业研制生产高精度、高技术含量轴承的自信心，振兴民族轴承工业，符合行业极力推进的轴承工业由劳动密集型向技术密集型转移以及向高、精、专、特产品发展的方向。
（3）对整个机械行业来说，研究开发本项目产品，解决高速切削的瓶颈问题，逐步趋近抗疲劳机械加工的原理和方法，将有效地提高机械磨削加工的效率和磨削加工的质量，对机械磨削加工有革命性意义。
（4）本项目产品是工信部规【2011】509号《机械基础件…“十二五”发展规划》中的发展重点：
“中高档数控机床轴承”，符合国家的产业发展政策。
3、应用前景
据机床行业统计资料，2011年我国金属切削机床产量86万台，其中数控机床占29.9%，达到25.7万台。
随着金属切削机床数控化的速度加快，到本项目完成时的2013年数控机床产量可能达到30万台，这类机床的主轴用一套此类轴承，则数控机床配套用此类轴承的年需求量将达到30万套,维修需求与配套需求持平，也约为60万套，本项目产品国内年总需求量将达到60万套。
本项目的研究主要应用于要求高转速、低转矩的数控机床上，相关的技术也可用于其它机床主轴和一些机械有类似功能要求的主轴上。
本公司研制开发此类轴承虽起步较晚，但起点高，瞄准的主要是在国际上具有领先地位的瑞典SKF和日本NS妒品的水平，本公司通过一系列技术研究初步掌握了本项目产品的核心技术，按本项目研究确定的技术路线研究开发，本公司研制生产这类轴承将达到国内具有领先水平。
4、预期目标
本项目的研究主要应用于要求数控机床主轴上，相关的技术也可用于其它机床主轴和一些机械有类似功能要求的主轴上。
本公司研制开发此类轴承虽起步较晚，但起点高，瞄准的主要是在国际上具有领先地位的瑞典SKF和日本NSK产品的水平，本公司通过预研时一系列技术研究初步掌握了本项目产品的核心技术，按本项目研究确定的技术路线研究开发，本公司研制生产这类轴承将达到国内领先水平。
五、现有工作基础和条件项目申报单位浙江八环轴承有限公司是浙江鼎利控股集团公司的下属骨干企业，成立于1996年，经营地址为浙江省台州市路桥区新安西街889号，注册资本为1318万元，公司主要生产“八环”牌摩托车发动机专用轴承、汽车轴承和其它特种轴承，是台州路桥区唯一家按新标准认定的国家级重点高新技术企业。
八环公司产品已陆续被多家跨国公司（如世界五百强中的福特、本田、惠尔浦、伟士通、法雷奥、TTI等）明确为全球供应商。
在全球经济风暴的背景下，企业产品目前仍供不应求。
从研究开发团队看，公司与洛阳轴承研究所、上海市轴承技术研究所、杭州轴承试验研究中心有紧密的产学研合作关系，近年来与上海市轴承技术研究所合作研究开发了滚珠丝杠轴承，与洛阳轴承研究所合作研究开发了轿车变速箱轴承、轴承新型密封结构等。
由于在汽车变速箱轴承、汽车空调电磁离合器轴承等产品的研制生产上走在行业前列，公司被行业国家级归口机构邀请作为主要起草单位制订国家标准3项、行业标准5项。
公司已获得国家专利21项（其中发明专利1项）。
公司已经对本项目产品进行了预研，并确定改进创新的方案，达到预期的技术目标和经济目标有相当的把握。
从研究开发体系来看，公司已经导入ISO/TS16949质量体系，技术人员可以采用国际先进的失效模式和后果分析方法，能准确地找到产品失效的原因；同时通过对产品质量进行先期策划，科学地确定解决问题的方法，对产品的设计开发质量和制造质量给予很好的保证。
从检测试验体系看，作为省级研发中心，公司有材料分析试验机、英国泰勒的圆度仪、粗糙度轮廓仪、投影仪、轴承强化寿命试验机等国内外先进的检测试验设备，能对产品研制过程中的许多要素密切跟踪检测试验，及时发现和改进研制过程中出现的问题。
本项目产品的技术合作单位上海市轴承技术研究所计划经济时期直属机械工业部管理。
该所以研究开发特种高端轴承和轴承实用技术见长，研究方向主要是汽车轴承、机床主轴轴承、塑机轴承、航空轴承、军用微小型轴承、关节轴承等高端特种轴承。
该所是国家认定的军工轴
承配套单位，曾经为火箭、卫星、国产飞机等研制开发了多种高端轴承，
其中，为歼十飞机研制开发的轴承获得国家科技进步特等奖这在全
国轴承行业仅此一家。
六、研究方案、技术路线、组织方式与课题分解
1、研究方案和技术路线
本项目产品与上海市轴承技术研究所合作进行了预研，目前已确定
了一些基本的研究方案和技术路线见表2。
分类
现有产品的技术状况
本项目产品目标、研究方案和技术路线
对比分析
产品
国内产品:
公差等级：
P5级工作温度：
—20C〜120C
工作转速1000r/min〜3000r/min极限转速3600r/min
台架强化试验：
200h
装机使用寿命：
1年左右国外产品：
公差等级：
P4级
工作温度：
-20C〜120C工作转速：
1500r/min〜3200r/min,
极限转速：
4300r/min台架寿命》200h装机使用寿命》3年
公差等级：
P5、P4级工作温度：
-20C〜120C工作转速：
1500r/min〜3200r/min
极限转速：
4300r/min台架寿命》200h
装机使用寿命》3年（16000小时精度稳定使
用，8000小时无维修）。
本项目产品采用一系列技术创新，目标是比国内现有产品的性能和寿命水平明显提高，与国外产品的水平相当。
技
术
国内：
1、滚动体直径大，高速时离心力大；
2、外圈外挡边倒角太大，达55o左右，而内挡边太咼，不利于润滑油的流动和散热；
3、保持架的半个球面包裹滚动体，散热不畅、润滑不足、摩擦增大；
4、轴承钢纯净度差、碳化物不均，轴承已早期失效；
5、一般不做台架试验。
国外：
设计上优化轴承的内部结构；材料上采用精炼轴承钢，大幅度地减少轴承的氧含量、钛含量等杂质；工艺上主要是对轴承工作表面进行等离子喷射、陶瓷化处理、激光处理等手段以提高轴承的耐磨性能从而提咼轴承的寿命可靠性。
1、米用减小轴承高速运转时钢球离心力和增加轴承刚性的设计思路，使轴承工作时离心力减小，刚性最好。
2、采用计算机解析技术设计轴承内部，使轴承高速运转时的发热量最小化。
3、优化保持架球兜孔结构，对保持架与钢球的接触点进行特殊设计，减少钢球与保持架球兜的接触面。
4、模拟机床主轴工况，米用急加、减速及其耐久性试验，以满足现代高速、咼效主轴需瞬间启动、停止的要求。
本项目产品通过一系列技术创新改进，产品的性能、寿命可靠性将明显提高。
装
国内：
一般的通用轴承磨床和超精机单机加工生产，质量难以保证。
国外：
产业化生产时采用智能化极高的磨超加工设备和装配短线。
让机床制造厂家按我们的特殊要求制造磨床和超精机，适应产品的柔性化生产，达到高的技术要求。
装备比国内同类产品生产厂家的设备先进。
2、组织方式与课题分解
本项目产品与上海市轴承技术研究所合作进行了预研，目前已确定
了一些基本的技术方案。
为此，本公司已正式立项成立以总工程师为组长，技术、质检、生产、设备、供应、质管部门有关人员参加的项目组进行攻关研制，具体划分为5个专业小组：
a、产品设计组：
负责产品失效模式和后果的分析，开展产品的先期策划，制定控制计划，进行产品设计。
b、热加工工艺组：
热处理上一一过去使用的材料是GCr15轴承钢,本项目产品采用了GCr15SiMn轴承钢，材料中加进了一些合金元素，
热处理工艺上势必要作些调整，所以，要进一步研究特殊热处理工艺，保证套圈的热处理质量。
c、磨加工工艺组：
研究改造设备适应套圈磨加工的尺寸要求；同时，进一步研究双向推力角接触球轴承套圈沟磨加工工艺，确保尺寸精度、形位精度。
d、装配组：
主要是对装配过程中如何杜绝或减少应力集中进行研究，以保证装配的少、无应力集中。
e、计量检测组：
研究双向推力角接触球轴承套圈的检测方法，制作套圈专用检测工装。
七、计划进度安排
2012年1月〜2012年3月产品设计及技术准备、研制设备准备
2012年4月〜2012年6月样品研制、自行检测试验
2012年7月〜2012年12月用户检测试验及试用
2013年1月〜2013年3月改进设计和小批量试制
2013年4月中试生产准备
2013年5月项目研究开发总结验收
八、经费预算
项目产品研究开发资金估算见表3,研发设备及仪器需求见表3
表3单位：
万元
序号
项
目
投资额
1
配套设备、仪器
226
2
能源材料费
20
3
人员经费
95
会议调研费
1
4
试验外协费
20
5
其他开支
20
6
鉴定验收费
2
7
管理费
5
合计
389
序号
设备名称
型号
单价
（万元）
数量
（台/条）
金额
（万元）
用途
1
轴承套圈内径磨床
3MB2016A
23
2
46
内径磨削
2
轴承套圈外沟磨床
3MB1420A
25
2
50
外沟磨削
3
轴承套圈内沟磨床
3MB1320BS
22
2
44
内沟磨削
4
轴承外圈沟超精加工机
3MB3220AS
17
1
17
外沟超精
5
轴承内圈沟超精加工机
3MB3116AS
17
1
17
内沟超精
6
自动退磁机
4
1
4
退磁
7
半成品清洗+干燥机
13
1
13
零件清洗
8
成品清洗机
15
1
15
成品清洗
9
轴承试验机
10
1
10
轴承试验
10
轴承专用检测仪器
0.5
20
10
专用检测
合计
32
226
注：
因本项目产品按P4级设计，磨内径和磨沟道的各工序分粗磨、细磨、精磨三
次磨削，粗磨可以采用原有设备，故磨内径和磨沟道工序设备按2台配置。
浙江八环轴承有限公司
2012年5月3日
升级会员 