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  高端軸承制造出來到底有多難?
高端軸承制造出來到底有多難?
【作者/來自】網站管理員 【發表時間】2019/7/15 【點擊次數】212
軸承是機械設備中不可或缺的核心零部件,主要功能是支撐機械旋轉體,降低摩擦系數并保證回轉精度。它是數學物理等理論加上材料科學、熱處理技術、精密加工和數控技術等多學科的產物。無論飛機、汽車、高鐵還是高精密機床,凡是旋轉的部分,一般都需要軸承。


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當其他機件在軸上彼此產生相對運動時,用來保持軸的中心位置及控制該運動的機件,稱為軸承。它可用于轉軸的互相滾動,使轉軸轉動時產生的摩擦力減至最低。


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早期的直線運動軸承,是在撬板下放置一排木桿。這個技術可以追溯到修建卡夫拉金字塔的時候,雖然還沒有明確的證據,F代直線運動軸承使用的是同一種工作原理,只不過是用滾球代替滾子。


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從重載車輪軸和機床主軸到精密鐘表零件,很多場合都需要旋轉軸承,最簡單的旋轉軸承是軸套軸承。這種設計隨后被滾動軸承替代,就是用很多圓柱形的滾子替代原先的襯套。最早投入使用的滾動軸承是鐘表匠約翰·哈里遜于1760年為制作H3計時器而發明的。


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在意大利奈米湖的一艘古羅馬船只上,發現了早期的球軸承實例,有個木制球軸承用來支撐旋轉桌面,這艘船建造于公元前40年。球軸承的各種不成熟因素中,有很重要的一點就是球之間會發生碰撞,造成額外的摩擦。


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第一個關于軸承球溝道的專利是菲利普·沃恩在1794年獲得的。1883年,弗里德里!べM舍爾提出了使用合適的生產機器磨制大小相同、圓度準確的鋼球,這奠定了創建軸承工業的基礎。1907年,SKF球軸承工廠的斯文·溫奎斯特設計了最早的現代自調心球軸承。


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按照相對運動的接觸形式軸承分為: 滾珠軸承、滾針軸承、圓錐滾柱軸承、滑動軸承、撓性軸承、空氣軸承、磁懸浮軸承、寶石軸承和含油軸承等。

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雖然軸承結構簡單,很多小作坊都能做出來,但軸承具有很高的技術含量,甚至可作為衡量一個國家科技、工業實力的重要標準。當今世界科技工業強國無一例外都是軸承研發制造強國。


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世界軸承市場70%以上的份額,被十大跨國軸承集團公司所占據,其中美國占23%、歐盟占21%、日本占19%。世界軸承市場基本是由日本NSK 等五大公司、瑞典SKF 公司、德國FAG 等兩家公司、美國Timken 等幾家公司所主導。


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同時,世界軸承行業的高端市場被上述企業所壟斷,而中低端市場則主要集中于中國。而我國瓦軸等10家最大的軸承企業,銷售額僅占全行業的24.7%,前30家的生產集中度也僅為37.4%。


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近幾年,我國軸承工業已形成一整套獨立完整的工業體系,無論從軸承產量,還是軸承銷售額,我國都已經邁入軸承工業大國行列,位列世界第三。數據顯示,2017年,我國軸承行業規模以上企業主營業務收入1788億元,軸承產量210億套。能夠生產小至內徑0.6毫米,大至外徑11米,共計多達9萬多個品種規格的軸承。


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數據來源:中國軸承工業協會、中商產業研究院整理


2006年至2017年,我國軸承出口額增長較穩定,增速高于進口,進出口貿易順差呈增長趨勢,2017年貿易順差達15.50億美元。且對比進出口軸承單價,近幾年我國進出口軸承價差較大,但價差幅度逐年減小,反映出我國軸承行業技術含量雖然與先進水平尚存在一定差距,但在追趕中。同時反映出我國中低端軸承產能過剩,高端軸承產能不足的現狀。


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數據來源:中國軸承工業協會、中商產業研究院整理


當前,國產軸承的設計和制造技術基本上是模仿,產品開發能力低,在某些核心技術的研發領域甚至還是空白。雖然對國內主機的配套率達到80%,但高速鐵路客車、中高檔轎車、計算機、空調、高水平軋機等重要主機的配套和維修軸承,基本上依靠進口。


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國產軸承制造工藝和工藝裝備技術發展緩慢,車加工數控率低,磨加工自動化水平低,全國僅有200多條自動生產線。對軸承壽命和可靠性至關重要的先進熱處理工藝和裝備,如控制氣氛保護加熱、雙細化、貝氏體淬火等覆蓋率低,許多技術難題攻關未能取得突破。


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軸承鋼新鋼種的研發,鋼材質量的提高,潤滑、冷卻、清洗和磨料磨具等相關技術的研發,尚不能適應軸承產品水平和質量提高的要求。


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以最常見的深溝球軸承為例,國外先進產品的實際壽命一般為計算壽命的8倍以上,最高可達30倍以上,可靠性為98%以上。


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而國產軸承的壽命一般為計算壽命的3~5倍,可靠性為96%左右,差距還是很顯著的。這對于普通的運動機械來說,問題不算太大。但是在高端領域就很難接受了,因此國內航空軸承、高鐵軸承、機器人軸承等基本以進口軸承為主。

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高鐵、大飛機、重載型武器等高端裝備上都有高端軸承的使用需求,而要滿足高端軸承在精度、性能、壽命和可靠性等方面的要求,軸承材料的高質量和可靠性是決定性因素。

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▲維護F110發動機風扇軸承


由于物體的高速旋轉,軸承的各個部位要承受變應力、高頻的作用,一般單位面積壓力高達每平方毫米1500到5000N在這些因素的作用下,軸承很容易產生應力疲勞,進而造成疲勞剝落,使得軸承失去其作用,與此同時滾動軸承還需承受離心力、摩擦力、高溫、腐蝕等因素,這也使得要造好軸承,就得用好鋼。


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在滾動軸承的四大組成部分中,除保持器外,內、外套圈、滾動體(滾珠、滾柱或滾針)都是由軸承鋼組成,而軸承鋼素有“鋼中之王”的稱號,是鋼鐵生產中要求最嚴的鋼種。


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軸承鋼的質量主要取決于以下四個因素:一是鋼中的夾雜物含量、形態、分布和大;二是鋼中的碳化物含量、形態、分布和大;三是鋼中的中心疏松縮孔和中心偏析;四是軸承鋼產品性能的一致性。這四個因素可以歸納為純凈度和均勻性指標。


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▲高端軸承鋼中均勻細小的碳化物組織和熱處理后均勻分布的細小碳化物


其中,純凈度要求材料中的夾雜物盡量少,純凈度的好壞對軸承的疲勞壽命有直接影響;而均勻性則要求材料中的夾雜物和碳化物顆粒細小、彌散,這會影響到軸承制造中熱處理后的變形、組織均勻性等。


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我們國家制軸工藝已經接近世界頂尖水平,但材質——也就是高端軸承用鋼幾乎全部依賴進口。


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“PPM”在煉鋼中是氧含量的單位,意指百萬分率或百萬分之幾。一般而言,在鋼鐵行業,8個PPM的鋼屬于好鋼;5個PPM的鋼屬于頂級鋼,正是高端軸承所需要的。


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高端軸承用鋼的研發、制造與銷售基本上被世界軸承巨頭美國鐵姆肯、瑞典SKF所壟斷。前幾年,他們分別在山東煙臺、濟南建立基地,采購中國的低端材質,運用他們的核心技術做成高端軸承,以十倍的價格賣給中國市場。


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煉鋼過程中加入稀土,就能使原本優質的鋼變得更加“堅強”。但怎么加,這是世界軸承巨頭們的核心秘密。


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近日,中科院金屬所材料加工模擬研究團隊通過對單重百噸級大鋼錠的實物解剖和計算,發現雜質是導致成分不均勻的主要根源,據此開發了商用稀土合金的純凈化制備技術和稀土在鋼中特殊加入技術,從而突破了稀土在鋼中進行工業化應用的技術瓶頸,實現了在鋼中添加稀土后的工藝順行和性能穩定。


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以日本NSK軸承為例,它是從專研基礎科學開始研發制造軸承的,以摩擦學技術、材料技術、機電一體化技術和解析技術為四大核心技術。(華為任正非老先生近期采訪也多次提到要重視基礎科學)。


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正是因為這種無與倫比的研發精神,NSK從一家日本加工企業演變成了一家世界級的軸承巨頭。


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▲NSK技術發展歷程

我們國家已經能造出好鋼,接下來要做的就是如何將其運用在軸承上,高端軸承還涉及材料、設計、高精度加工、軸承制造等技術難題,還有一些交叉學科如疲勞與破壞、潤滑學等,因此我國距離高端軸承技術還有一定差距。

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