我國軸承行業經過新中國建立60多年、特別是近十幾年來的建設發展,經歷了“從無到有、從小到大”歷史過程,從2003年開始,已成為規??偭糠€居世界第三的軸承大國,成績顯著。2013年,我國軸承行業銷售收入為1535億元,規模以上企業為1358家。目前,已進入“由大到強”的關鍵轉型期。
我國軸承行業“大而不強”,主要表現在以下幾個方面:
?。?) 產品技術質量水平不高。以近10年來的國家監督抽查結果為例,平均抽樣合格率僅為70%左右,遠遠低于全國工業品平均抽樣合格率90%以上的水平。
?。?)企業市場核心競爭力不足。除中低端軸承主要靠低價優勢占據市場外,在高速鐵路、民用航空、高檔機床、高級汽車、盾構機、計算機硬盤驅動器等領域,由于技不如人,至今沒有實力與國外品牌軸承相抗衡,長期被排除在高端軸承市場之外。
?。?) 行業技術創新能力薄弱。缺乏具有自主知識產權的核心技術,在軸承基礎理論和國際標準方面幾無貢獻,在世界軸承工業技術領域中尚沒有取得與之相對稱的話語權。
在上述差距中,體現在最基本的產品質量方面,可歸結如下:
在精度上,主要存在精度離散性、精度儲備率和精度保持性等問題。
在性能上, 以最常規的動態性能中的振動與噪聲為例,主要是“異音”和振動(噪聲)水平保持性等問題。
在壽命及可靠性上,以最基本的疲勞壽命為例,一般僅為國外著名公司產品的1/2、1/3甚至更短,有些滾子軸承連額定壽命都不到,可靠度普遍偏低。
國產軸承存在技術質量水平不高的原因很多,包括設計、制造、材料、檢測、試驗以及管理等各個方面,但其中制造裝備及加工工藝問題一直是最為關鍵的環節之一。
軸承工業的生產特征
現代軸承工業的起源是以1883年德國FAG公司發明了磨球機為標志。軸承工業的誕生依附于機械化,軸承工業的發展始終追求自動化,這是由于軸承作為高度“三化(標準化、系列化、通用化)”的產品,必須實現大批量規?;a所決定的?!皺C械化、自動化、規?;毙纬闪溯S承產品最顯著的生產特征。
軸承屬于精密機械產品,其標準規定的最低精度等級相當于手表精度水平。因此,軸承制造若采用普通機床,則精度達不到要求;若采用精密機床,則加工效率太低。
也因此,軸承制造就有了“專用機床”存在的需要。軸承專用機床以 “兩溝一孔”磨床為典型代表,即主要指用于加工球軸承的外圈溝道、內圈溝道和內圈內孔的三種磨床,簡稱外溝磨床、內溝磨床和內徑磨床。其他磨床,如用于加工滾子軸承的外圈滾道、內圈滾道、內圈擋邊等的磨床,都是以“兩溝一孔”磨床為基礎,經局部改變而派生出來的磨床。正是有了專用機床,從而使得軸承制造的技術門檻大大降低,從第二次世界大戰前只有工業發達國家才能生產,變成一般工業水平國家也能生產。也正是由于有了專用機床的不斷升級換代,使得軸承制造對于裝備的依賴度越來越高,沒有先進的裝備,現在已難以生產出具有市場競爭力的高精度儲備率的軸承。
過去,軸承磨床多以手動機床發展到“機電液”控制的半自動和自動化機床為主,隨著機床工業和軸承工業的技術進步,目前,數字控制機床已在軸承磨床中占據主體地位。數控磨床不僅在高精度、高效率方面特別適合于普通軸承的大批量連續性生產,而且在柔性化方面還非常契合于一些專用軸承的多品種小批量生產。因此,數控磨床以及數控車床、數控超精機等已成為軸承裝備的“標準配置”和普及方向。
軸承產品的生產方式
過去,機群式是軸承零件機械加工的主要生產方式。近些年來,采用自動線的企業越來越多,主要有車加工自動線、車輾自動線、磨超自動線、磨裝自動線等。有些企業在磨削工序已全部采用了自動線。以最為主要的磨超自動線為例,據不完全統計,2004年才300多條,經過短短10年的發展,現在已達到5 000多條。采用自動線及數控化程度較高的裝備,可以優化工藝參數,控制加工節拍,固化工藝紀律,使得人為因素大大減少,保證產品質量穩定達到規定要求,而且生產效率也顯著提高。
對于以深溝球軸承為代表的球軸承磨超自動線,我國軸承行業大多采用是由5臺機床組成的“磨超短線”,即內圈3臺(磨內溝、磨內徑和內溝超精各1臺),外圈兩臺(磨外溝、外溝超精各1臺,見附圖)。對于圓錐滾子軸承為代表的滾子軸承的磨超短線,則一般由9臺機床組成,即內圈5臺(粗磨內滾道、粗磨內徑、細磨滾道、細磨內徑、磨擋邊、滾道及擋邊超精各1臺),外圈4臺(粗磨外滾道、精磨外徑、精磨外滾道、外滾道及外徑超精各1臺)。這種配置盡管比較緊湊和成熟,但由于機床之間的加工節拍不盡一致(內表面加工效率低于外表面),因此造成部分機床效能得不到充分發揮,整條線的產能沒有充分利用,存在浪費現象。
國外先進的磨超生產線通常采用長線或稱復線的形式,如日本的球軸承磨超自動線由12臺機床組成,其中內圈7臺(磨內徑3臺、磨內溝兩臺和內溝超精兩臺),外圈5臺(磨外溝3、外溝超精兩臺),整條線的生產節拍匹配協調,生產效率大大提高。此外還有9臺、15臺、21臺和25臺機床等多種組合。
我國部分軸承企業現在也開始嘗試采用復線形式,生產方式與國際先進水平接軌,從自動生產線向自動生產工段、自動生產車間的雛形轉變。
一些國外著名軸承公司,近期已開始采用“一個流”等更先進的機床配置與生產流程?!耙粋€流”生產,即各工序間只有一個工件在流動,使加工過程始終處于不停滯、不堆積、不超越的流動狀態,生產節拍完全同步,各種問題和浪費明顯化。相應,對裝備的功能要求也趨于單一化或最簡化,以期保證其具備高可靠性和高穩定性。
我國軸承制造裝備的技術水平
我國軸承行業對制造裝備的技術進步一直充滿熱情。例如,對國產數控機床的推廣應用,早在1990年代中后期就已形成了一定規模。
2004年前后,有關方面曾經開展過一次覆蓋汽車、航天、航空、船舶、兵器、模具、農機、工程機械和電站設備等眾多行業的調研,其中唯有軸承行業采用國產數控機床__較多且認可度較高,形成了 “國產數控機床在軸承行業一枝獨秀”的獨特現象。
國產數控機床能夠很早就在軸承行業打開局面,主要原因在于當時(1980年代以后)引進的國外數控機床盡管技術先進、性能優異、水平很高,但存在著價格昂貴、維修困難、開放性差、不便于升級換代等嚴重問題。因此,在企業的技術改造中,以數控軸承磨床為代表的國產數控軸承機床開始嶄露頭角,并逐漸形成了主導地位。
早期的國產數控軸承磨床,普遍存在著數控系統不穩定,尤其是機械傳動部分故障較多,更換工裝夾具及重新調整定位時操作復雜,以及電器壽命短、液氣密元件不過關等問題。隨著不斷改進完善,目前在中小型軸承磨床方面,技術上已趨于成熟且達到一定水平,不僅國內企業大量采用,而且,許多國際著名軸承公司如SKF、Schaeffler、NSK、NTN和Timken等都已開始采購。
國產軸承制造裝備目前存在的問題是:可靠性與穩定性波動較大;加工精度的離散度較大;大多集中于中低檔的“同質化”水平。超精機逐步登上歷史舞臺。
因此,在高端軸承領域,軸承企業首選仍然是進口機床,如在軍工軸承、鐵路軸承和機床精密軸承等的關鍵工序仍以采用國外品牌機床為主。
與國外先進機床相比,國產軸承制造裝備中重點需要在以下方面取得改進或突破:
?。?)進一步提高磨用電主軸的功率、剛度和精度壽命。
?。?)頭架、砂輪修整器推廣應用液體靜壓主軸。
?。?)采用高精度、高剛度滾珠絲杠、導軌。
?。?)廣泛采用在線監測和保護技術。
?。?)提高機床的工序能力指數,至少應達到Cpk>1.33,甚至Cpk>1.67。
?。?)推廣應用磨超復線和磨裝長線。
?。?)推廣應用外表面磨削線速度80m/s以上、內圓磨削線速度60m/s以上高速磨削技術。
?。?)研發穩定批量生產P4,特別是P2公差等級軸承的高精度數控機床。
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