高端軸承制作出來到底有多難
高端軸承制作出來到底有多難
- 2020/12/8 14:52:58
軸承是機(jī)械電子設(shè)備中不可或缺的核心零部件，主要管理功能是支撐中國(guó)機(jī)械旋轉(zhuǎn)體，降低貿(mào)易摩擦影響系數(shù)并保證回轉(zhuǎn)精度。它是一個(gè)數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)物理等理論知識(shí)加上材料進(jìn)行科學(xué)、熱處理工藝技術(shù)、精密加工和數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)等多學(xué)科的產(chǎn)物。無論飛機(jī)、汽車、高鐵還是高精密機(jī)床，凡是旋轉(zhuǎn)的部分，一般都需要根據(jù)軸承。
當(dāng)其他機(jī)件在軸上彼此之間產(chǎn)生一個(gè)相對(duì)主義運(yùn)動(dòng)時(shí)，用來進(jìn)行保持軸的中心工作位置及控制該運(yùn)動(dòng)的機(jī)件，稱為中國(guó)軸承。它可直接用于轉(zhuǎn)軸的互相影響滾動(dòng)，使轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的摩擦力減至最低。
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在線性軸承的早期，一排木桿被放在撬板下面。這項(xiàng)技術(shù)可以追溯到卡夫拉金字塔的建造，盡管沒有明確的證據(jù)。現(xiàn)代直線軸承的工作原理相同，但用球代替滾柱。
從重載車輪軸和機(jī)床進(jìn)行主軸到精密機(jī)械鐘表零件，很多不同場(chǎng)合都需要通過旋轉(zhuǎn)一個(gè)軸承，最簡(jiǎn)單的旋轉(zhuǎn)軸承是軸套軸承。這種教學(xué)設(shè)計(jì)研究隨后被滾動(dòng)發(fā)展軸承可以替代，就是用很多都是圓柱形的滾子替代企業(yè)原先的襯套。最早開始投入資金使用的滾動(dòng)軸承是鐘表匠約翰·哈里遜于1760年為制作H3計(jì)時(shí)器而發(fā)明的。
在意大利奈米湖的一艘古羅馬船只上，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)早期的球軸承進(jìn)行實(shí)例，有個(gè)木制球軸承可以用來作為支撐系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)桌面，這艘船建造于公元前40年。球軸承的各種技術(shù)不成熟影響因素中，有很重要的一點(diǎn)問題就是球之間會(huì)發(fā)生相互碰撞，造成企業(yè)額外的摩擦。
第一個(gè)就是關(guān)于中國(guó)軸承球溝道的專利是通過菲利普·沃恩在1794年獲得的。1883年，弗里德里希·費(fèi)舍爾提出了應(yīng)用適宜的出產(chǎn)機(jī)械磨制巨細(xì)溝通、圓度準(zhǔn)確的鋼球，這奠定了創(chuàng)建軸承工業(yè)的基礎(chǔ)。1907年，SKF球軸承進(jìn)行工廠的斯文·“497”設(shè)計(jì)了最早的現(xiàn)代社會(huì)自調(diào)心球軸承。
按照一個(gè)相對(duì)主義運(yùn)動(dòng)的接觸社會(huì)形式進(jìn)行軸承可以分為： 滾珠軸承、滾針軸承、圓錐滾柱軸承、滑動(dòng)影響軸承、撓性軸承、空氣通過軸承、磁懸浮軸承、寶石軸承和含油軸承等。
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雖然軸承結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以制造許多小廠房，但軸承具有很高的技術(shù)含量，甚至作為衡量一個(gè)國(guó)家科技、工業(yè)實(shí)力的重要標(biāo)準(zhǔn)。目前，世界上所有的科技強(qiáng)國(guó)和工業(yè)強(qiáng)國(guó)都是軸承研發(fā)和制造強(qiáng)國(guó)。
世界發(fā)展軸承進(jìn)行市場(chǎng)70％以上的份額，被十大企業(yè)跨國(guó)研究軸承作為集團(tuán)有限公司所占據(jù)，其中一個(gè)美國(guó)占23％、歐盟占21％、日本占19％。世界影響軸承產(chǎn)品市場(chǎng)基本是由日本NSK 等五大管理公司、瑞典SKF 公司、德國(guó)FAG 等兩家上市公司、美國(guó)Timken 等幾家保險(xiǎn)公司所主導(dǎo)。
同時(shí)，世界軸承行業(yè)的高端市場(chǎng)被上述企業(yè)壟斷，而低端市場(chǎng)主要集中在中國(guó)。而我國(guó)瓦軸等10家最大的軸承企業(yè)，銷售額僅占整個(gè)行業(yè)的24.7％ ，前30名的生產(chǎn)集中度也只有37.4％ 。
近幾年，我國(guó)對(duì)于軸承工業(yè)已發(fā)展形成自己一整套獨(dú)立進(jìn)行完整的工業(yè)經(jīng)濟(jì)體系，無論從軸承產(chǎn)量，還是中國(guó)軸承銷售額，我國(guó)都已經(jīng)開始邁入軸承工業(yè)制造大國(guó)行列，位列世界第二第三。數(shù)據(jù)分析顯示，2017年，我國(guó)軸承行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到以上這些企業(yè)實(shí)現(xiàn)主營(yíng)業(yè)務(wù)工作收入1788億元，軸承產(chǎn)量210億套。能夠提高生產(chǎn)小至內(nèi)徑0.6毫米，大致外徑11米，共計(jì)多達(dá)9萬多個(gè)品種規(guī)格的軸承。
資料來源: 中國(guó)軸承工業(yè)協(xié)會(huì)，中國(guó)工商行業(yè)研究院整理
2006年至2017年，我國(guó)對(duì)于軸承出口額不斷增長(zhǎng)較穩(wěn)定，增速明顯高于中國(guó)進(jìn)口，進(jìn)出口服務(wù)貿(mào)易順差呈增長(zhǎng)發(fā)展趨勢(shì)，2017年貿(mào)易順差達(dá)15.50億美元。且對(duì)比分析進(jìn)出口軸承單價(jià)，近幾年隨著我國(guó)企業(yè)進(jìn)出口軸承價(jià)差較大，但價(jià)差幅度逐年減小，反映出目前我國(guó)軸承不同行業(yè)信息技術(shù)知識(shí)含量雖然與先進(jìn)文化水平尚存在具有一定程度差距，但在追趕中。同時(shí)可以反映出我國(guó)中低端軸承產(chǎn)能過剩，高端軸承產(chǎn)能不足的現(xiàn)狀。
資料來源: 中國(guó)軸承工業(yè)協(xié)會(huì)，中國(guó)工商行業(yè)研究院整理
當(dāng)前，國(guó)產(chǎn)軸承的設(shè)計(jì)和制造企業(yè)技術(shù)發(fā)展基本上是模仿，產(chǎn)品進(jìn)行開發(fā)工作能力低，在某些學(xué)生核心信息技術(shù)的研發(fā)應(yīng)用領(lǐng)域甚至影響還是一個(gè)空白。雖然對(duì)國(guó)內(nèi)主機(jī)的配套率達(dá)到80％，但高速鐵路客車、中高檔轎車、計(jì)算機(jī)、空調(diào)、高水平軋機(jī)等重要目標(biāo)主機(jī)的配套和維修軸承，基本上可以依靠中國(guó)進(jìn)口。
國(guó)產(chǎn)軸承制造生產(chǎn)工藝和工藝過程裝備信息技術(shù)企業(yè)發(fā)展速度緩慢，車加工數(shù)控率低，磨加工系統(tǒng)自動(dòng)化管理水平低，全國(guó)僅有200多條自動(dòng)生產(chǎn)線。對(duì)軸承使用壽命和可靠性至關(guān)重要的先進(jìn)熱處理工藝和裝備，如控制環(huán)境氣氛可以保護(hù)加熱、雙細(xì)化、貝氏體淬火等覆蓋率低，許多科學(xué)技術(shù)研究難題攻關(guān)未能取得重大突破。
軸承鋼新鋼種的研發(fā)，鋼材進(jìn)行質(zhì)量的提高，潤(rùn)滑、冷卻、清洗和磨料磨具等相關(guān)信息技術(shù)的研發(fā)，尚不能為了適應(yīng)中國(guó)軸承企業(yè)產(chǎn)品水平和生活質(zhì)量不斷提高的要求。
以最常見的深溝球軸承為例，國(guó)外先進(jìn)產(chǎn)品的實(shí)際使用壽命一般是計(jì)算壽命的8倍以上，最高可達(dá)30倍，可靠性達(dá)98％ 以上。
而國(guó)產(chǎn)軸承的壽命進(jìn)行一般為計(jì)算使用壽命的3~5倍，可靠性為96％左右，差距主要還是很顯著的。這對(duì)于一個(gè)普通的運(yùn)動(dòng)發(fā)展機(jī)械企業(yè)來說，問題研究不算太大。但是在中國(guó)高端技術(shù)領(lǐng)域就很難接受了，因此我們國(guó)內(nèi)國(guó)際航空軸承、高鐵軸承、機(jī)器人軸承等基本以進(jìn)口軸承為主。
03
高端軸承廣泛應(yīng)用于高速鐵路、大型飛機(jī)、重型武器等高端裝備中，必須滿足精度、性能、壽命和可靠性的要求，軸承材料的高質(zhì)量和可靠性是決定軸承性能的關(guān)鍵因素。
由于不同物體的高速進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，軸承的各個(gè)重要部位要承受變應(yīng)力、高頻的作用，一般企業(yè)單位建筑面積最大壓力可以高達(dá)每平方毫米1500到5000N在這些影響因素的作用下，軸承很容易導(dǎo)致產(chǎn)生有效應(yīng)力疲勞，進(jìn)而發(fā)展造成學(xué)生疲勞剝落，使得中國(guó)軸承失去其作用，與此同時(shí)通過滾動(dòng)軸承還需自身承受離心力、摩擦力、高溫、腐蝕等因素，這也使得要造好軸承，就得用好鋼。
在滾動(dòng)軸承的四個(gè)主要部件中，除了保持架外，內(nèi)圈、外圈、滾子（球、滾子或滾針）都是由軸承鋼組成的，軸承鋼被稱為“鋼中之王” ，是鋼鐵生產(chǎn)中要求最高的鋼種。
軸承鋼的質(zhì)量管理主要發(fā)展取決于通過以下問題四個(gè)方面因素：一是鋼中的夾雜物進(jìn)行含量、形態(tài)、分布和大??；二是鋼中的碳化物含量、形態(tài)、分布和大??；三是鋼中的中心結(jié)構(gòu)疏松縮孔和中心偏析；四是軸承鋼生產(chǎn)產(chǎn)品技術(shù)性能的一致性。這四個(gè)影響因素分析可以自己歸納為純凈度和均勻性指標(biāo)。
▲高端軸承鋼中均勻一些細(xì)小的碳化物公司組織和熱處理后均勻程度分布的細(xì)小部分碳化物
其中，純凈度較高要求材料中的夾雜物可以盡量少，純凈度的好壞對(duì)軸承的疲勞使用壽命有直接通過影響；而均勻性則要求材料中的夾雜物和碳化物形成顆粒具有細(xì)小、彌散，這會(huì)嚴(yán)重影響到中國(guó)軸承設(shè)計(jì)制造中熱處理后的變形、組織結(jié)構(gòu)均勻性等。
我們國(guó)家制軸工藝已經(jīng)接近世界頂尖水平，但材質(zhì)——也就是高端軸承用鋼幾乎全部依賴進(jìn)口。
“PPM”在煉鋼中是氧含量的單位，意指百萬分率或百萬分之幾。一般企業(yè)而言，在鋼鐵公司行業(yè)，8個(gè)PPM的鋼屬于好鋼；5個(gè)PPM的鋼屬于中國(guó)頂級(jí)鋼，正是因?yàn)楦叨嗽O(shè)備軸承所需要的。
高端軸承用鋼的研發(fā)、制造與銷售人員基本上被世界發(fā)展軸承巨頭美國(guó)鐵姆肯、瑞典SKF所壟斷。前幾年，他們分別在山東煙臺(tái)、濟(jì)南建立一個(gè)基地，采購管理中國(guó)的低端產(chǎn)品材質(zhì)，運(yùn)用學(xué)習(xí)他們的核心企業(yè)技術(shù)可以做成高端軸承，以十倍的價(jià)格信息賣給我們中國(guó)經(jīng)濟(jì)市場(chǎng)。
煉鋼生產(chǎn)過程中可以加入中國(guó)稀土，就能使企業(yè)原本優(yōu)質(zhì)的鋼變得更加“堅(jiān)強(qiáng)”。但怎么加，這是我們世界軸承巨頭們的核心技術(shù)秘密。
近日，中科院金屬所材料加工模擬研究團(tuán)隊(duì)通過對(duì)單重百噸級(jí)大鋼錠的實(shí)物解剖和計(jì)算，發(fā)現(xiàn)雜質(zhì)是導(dǎo)致成分不均勻的主要根源，據(jù)此開發(fā)了商用稀土合金的純凈化制備技術(shù)和稀土在鋼中特殊加入技術(shù)，從而突破了稀土在鋼中進(jìn)行工業(yè)化應(yīng)用的技術(shù)瓶頸，實(shí)現(xiàn)了在鋼中添加稀土后的工藝順行和性能穩(wěn)定。
我們中國(guó)國(guó)家發(fā)展已經(jīng)能造出好鋼，接下來要做的就是企業(yè)如何可以將其運(yùn)用在軸承上，高端軸承還涉及材料、設(shè)計(jì)、高精度加工、軸承制造等技術(shù)管理難題，還有對(duì)于一些交叉學(xué)科如疲勞與破壞、潤(rùn)滑學(xué)等，因此作為我國(guó)社會(huì)距離高端軸承技術(shù)研究還有具有一定程度差距。