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中国轴承产业的特征与制造装备技术水平情况

2017-11-14 14:37:41      点击:

我国轴承行业经过新中国建立60多年、特别是近十几年来的建设发展,经历了“从无到有、从小到大”历史过程,从2003年开始,已成为规模总量稳居世界第三的轴承大国,成绩显著。2013年,我国轴承行业销售收入为1535亿元,规模以上企业为1358家。目前,已进入“由大到强”的关键转型期。


  我国轴承行业“大而不强”,主要表现在以下几个方面:

  (1) 产品技术质量水平不高。以近10年来的国家监督抽查结果为例,平均抽样合格率仅为70%左右,远远低于全国工业品平均抽样合格率90%以上的水平。


  (2)企业市场核心竞争力不足。除中低端轴承主要靠低价优势占据市场外,在高速铁路、民用航空、高档机床、高级汽车、盾构机、计算机硬盘驱动器等领域,由于技不如人,至今没有实力与国外品牌轴承相抗衡,长期被排除在高端轴承市场之外。


  (3) 行业技术创新能力薄弱。缺乏具有自主知识产权的核心技术,在轴承基础理论和国际标准方面几无贡献,在世界轴承工业技术领域中尚没有取得与之相对称的话语权。


  在上述差距中,体现在最基本的产品质量方面,可归结如下:


  在精度上,主要存在精度离散性、精度储备率和精度保持性等问题。


  在性能上, 以最常规的动态性能中的振动与噪声为例,主要是“异音”和振动(噪声)水平保持性等问题。


  在寿命及可靠性上,以最基本的疲劳寿命为例,一般仅为国外著名公司产品的1/2、1/3甚至更短,有些滚子轴承连额定寿命都不到,可靠度普遍偏低。


  国产轴承存在技术质量水平不高的原因很多,包括设计、制造、材料、检测、试验以及管理等各个方面,但其中制造装备及加工工艺问题一直是最为关键的环节之一。


轴承工业的生产特征


  现代轴承工业的起源是以1883年德国FAG公司发明了磨球机为标志。轴承工业的诞生依附于机械化,轴承工业的发展始终追求自动化,这是由于轴承作为高度“三化(标准化、系列化、通用化)”的产品,必须实现大批量规模化生产所决定的。“机械化、自动化、规模化”形成了轴承产品最显著的生产特征。


  轴承属于精密机械产品,其标准规定的最低精度等级相当于手表精度水平。因此,轴承制造若采用普通机床,则精度达不到要求;若采用精密机床,则加工效率太低。


 也因此,轴承制造就有了“专用机床”存在的需要。轴承专用机床以 “两沟一孔”磨床为典型代表,即主要指用于加工球轴承的外圈沟道、内圈沟道和内圈内孔的三种磨床,简称外沟磨床、内沟磨床和内径磨床。其他磨床,如用于加工滚子轴承的外圈滚道、内圈滚道、内圈挡边等的磨床,都是以“两沟一孔”磨床为基础,经局部改变而派生出来的磨床。正是有了专用机床,从而使得轴承制造的技术门槛大大降低,从第二次世界大战前只有工业发达国家才能生产,变成一般工业水平国家也能生产。也正是由于有了专用机床的不断升级换代,使得轴承制造对于装备的依赖度越来越高,没有先进的装备,现在已难以生产出具有市场竞争力的高精度储备率的轴承。


  过去,轴承磨床多以手动机床发展到“机电液”控制的半自动和自动化机床为主,随着机床工业和轴承工业的技术进步,目前,数字控制机床已在轴承磨床中占据主体地位。数控磨床不仅在高精度、高效率方面特别适合于普通轴承的大批量连续性生产,而且在柔性化方面还非常契合于一些专用轴承的多品种小批量生产。因此,数控磨床以及数控车床、数控超精机等已成为轴承装备的“标准配置”和普及方向。


轴承产品的生产方式


  过去,机群式是轴承零件机械加工的主要生产方式。近些年来,采用自动线的企业越来越多,主要有车加工自动线、车辗自动线、磨超自动线、磨装自动线等。有些企业在磨削工序已全部采用了自动线。以最为主要的磨超自动线为例,据不完全统计,2004年才300多条,经过短短10年的发展,现在已达到5 000多条。采用自动线及数控化程度较高的装备,可以优化工艺参数,控制加工节拍,固化工艺纪律,使得人为因素大大减少,保证产品质量稳定达到规定要求,而且生产效率也显著提高。


  对于以深沟球轴承为代表的球轴承磨超自动线,我国轴承行业大多采用是由5台机床组成的“磨超短线”,即内圈3台(磨内沟、磨内径和内沟超精各1台),外圈两台(磨外沟、外沟超精各1台,见附图)。对于圆锥滚子轴承为代表的滚子轴承的磨超短线,则一般由9台机床组成,即内圈5台(粗磨内滚道、粗磨内径、细磨滚道、细磨内径、磨挡边、滚道及挡边超精各1台),外圈4台(粗磨外滚道、精磨外径、精磨外滚道、外滚道及外径超精各1台)。这种配置尽管比较紧凑和成熟,但由于机床之间的加工节拍不尽一致(内表面加工效率低于外表面),因此造成部分机床效能得不到充分发挥,整条线的产能没有充分利用,存在浪费现象。


国外先进的磨超生产线通常采用长线或称复线的形式,如日本的球轴承磨超自动线由12台机床组成,其中内圈7台(磨内径3台、磨内沟两台和内沟超精两台),外圈5台(磨外沟3、外沟超精两台),整条线的生产节拍匹配协调,生产效率大大提高。此外还有9台、15台、21台和25台机床等多种组合。


  我国部分轴承企业现在也开始尝试采用复线形式,生产方式与国际先进水平接轨,从自动生产线向自动生产工段、自动生产车间的雏形转变。


  一些国外著名轴承公司,近期已开始采用“一个流”等更先进的机床配置与生产流程。“一个流”生产,即各工序间只有一个工件在流动,使加工过程始终处于不停滞、不堆积、不超越的流动状态,生产节拍完全同步,各种问题和浪费明显化。相应,对装备的功能要求也趋于单一化或最简化,以期保证其具备高可靠性和高稳定性。


我国轴承制造装备的技术水平


  我国轴承行业对制造装备的技术进步一直充满热情。例如,对国产数控机床的推广应用,早在1990年代中后期就已形成了一定规模。


  2004年前后,有关方面曾经开展过一次覆盖汽车、航天、航空、船舶、兵器、模具、农机、工程机械和电站设备等众多行业的调研,其中唯有轴承行业采用国产数控机床__较多且认可度较高,形成了 “国产数控机床在轴承行业一枝独秀”的独特现象。


  国产数控机床能够很早就在轴承行业打开局面,主要原因在于当时(1980年代以后)引进的国外数控机床尽管技术先进、性能优异、水平很高,但存在着价格昂贵、维修困难、开放性差、不便于升级换代等严重问题。因此,在企业的技术改造中,以数控轴承磨床为代表的国产数控轴承机床开始崭露头角,并逐渐形成了主导地位。


  早期的国产数控轴承磨床,普遍存在着数控系统不稳定,尤其是机械传动部分故障较多,更换工装夹具及重新调整定位时操作复杂,以及电器寿命短、液气密元件不过关等问题。随着不断改进完善,目前在中小型轴承磨床方面,技术上已趋于成熟且达到一定水平,不仅国内企业大量采用,而且,许多国际著名轴承公司如SKF、Schaeffler、NSK、NTN和Timken等都已开始采购。


  国产轴承制造装备目前存在的问题是:可靠性与稳定性波动较大;加工精度的离散度较大;大多集中于中低档的“同质化”水平。超精机逐步登上历史舞台。


  因此,在高端轴承领域,轴承企业首选仍然是进口机床,如在军工轴承、铁路轴承和机床精密轴承等的关键工序仍以采用国外品牌机床为主。


  与国外先进机床相比,国产轴承制造装备中重点需要在以下方面取得改进或突破:

  (1)进一步提高磨用电主轴的功率、刚度和精度寿命。

  (2)头架、砂轮修整器推广应用液体静压主轴。

  (3)采用高精度、高刚度滚珠丝杠、导轨。

  (4)广泛采用在线监测和保护技术。

  (5)提高机床的工序能力指数,至少应达到Cpk>1.33,甚至Cpk>1.67。

  (6)推广应用磨超复线和磨装长线。

  (7)推广应用外表面磨削线速度80m/s以上、内圆磨削线速度60m/s以上高速磨削技术。

  (8)研发稳定批量生产P4,特别是P2公差等级轴承的高精度数控机床。