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高端轴承制造出来到底有多难?

2019-07-10 15:44:07 | 来源:今日头条

【中崋轴承网】

轴承是机械设备中不可或缺的核心零部件,主要功能是支撑机械旋转体,降低摩擦系数并保证回转精度。它是数学物理等理论加上材料科学、热处理技术、精密加工和数控技术等多学科的产物。无论飞机、汽车、高铁还是高精密机床,凡是旋转的部分,一般都需要轴承。


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当其他机件在轴上彼此产生相对运动时,用来保持轴的中心位置及控制该运动的机件,称为轴承。它可用于转轴的互相滚动,使转轴转动时产生的摩擦力减至最低。


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01


早期的直线运动轴承,是在撬板下放置一排木杆。这个技术可以追溯到修建卡夫拉金字塔的时候,虽然还没有明确的证据。现代直线运动轴承使用的是同一种工作原理,只不过是用滚球代替滚子。


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从重载车轮轴和机床主轴到精密钟表零件,很多场合都需要旋转轴承,最简单的旋转轴承是轴套轴承。这种设计随后被滚动轴承替代,就是用很多圆柱形的滚子替代原先的衬套。最早投入使用的滚动轴承是钟表匠约翰·哈里逊于1760年为制作H3计时器而发明的。


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在意大利奈米湖的一艘古罗马船只上,发现了早期的球轴承实例,有个木制球轴承用来支撑旋转桌面,这艘船建造于公元前40年。球轴承的各种不成熟因素中,有很重要的一点就是球之间会发生碰撞,造成额外的摩擦。


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第一个关于轴承球沟道的专利是菲利普·沃恩在1794年获得的。1883年,弗里德里希·费舍尔提出了使用合适的生产机器磨制大小相同、圆度准确的钢球,这奠定了创建轴承工业的基础。1907年,SKF球轴承工厂的斯文·温奎斯特设计了最早的现代自调心球轴承。


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按照相对运动的接触形式轴承分为: 滚珠轴承、滚针轴承、圆锥滚柱轴承、滑动轴承、挠性轴承、空气轴承、磁悬浮轴承、宝石轴承和含油轴承等。

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02


虽然轴承结构简单,很多小作坊都能做出来,但轴承具有很高的技术含量,甚至可作为衡量一个国家科技、工业实力的重要标准。当今世界科技工业强国无一例外都是轴承研发制造强国。


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世界轴承市场70%以上的份额,被十大跨国轴承集团公司所占据,其中美国占23%、欧盟占21%、日本占19%。世界轴承市场基本是由日本NSK 等五大公司、瑞典SKF 公司、德国FAG 等两家公司、美国Timken 等几家公司所主导。


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同时,世界轴承行业的高端市场被上述企业所垄断,而中低端市场则主要集中于中国。而我国瓦轴等10家最大的轴承企业,销售额仅占全行业的24.7%,前30家的生产集中度也仅为37.4%。


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近几年,我国轴承工业已形成一整套独立完整的工业体系,无论从轴承产量,还是轴承销售额,我国都已经迈入轴承工业大国行列,位列世界第三。数据显示,2017年,我国轴承行业规模以上企业主营业务收入1788亿元,轴承产量210亿套。能够生产小至内径0.6毫米,大至外径11米,共计多达9万多个品种规格的轴承。


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数据来源:中国轴承工业协会、中商产业研究院整理


2006年至2017年,我国轴承出口额增长较稳定,增速高于进口,进出口贸易顺差呈增长趋势,2017年贸易顺差达15.50亿美元。且对比进出口轴承单价,近几年我国进出口轴承价差较大,但价差幅度逐年减小,反映出我国轴承行业技术含量虽然与先进水平尚存在一定差距,但在追赶中。同时反映出我国中低端轴承产能过剩,高端轴承产能不足的现状。


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数据来源:中国轴承工业协会、中商产业研究院整理


当前,国产轴承的设计和制造技术基本上是模仿,产品开发能力低,在某些核心技术的研发领域甚至还是空白。虽然对国内主机的配套率达到80%,但高速铁路客车、中高档轿车、计算机、空调、高水平轧机等重要主机的配套和维修轴承,基本上依靠进口。


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国产轴承制造工艺和工艺装备技术发展缓慢,车加工数控率低,磨加工自动化水平低,全国仅有200多条自动生产线。对轴承寿命和可靠性至关重要的先进热处理工艺和装备,如控制气氛保护加热、双细化、贝氏体淬火等覆盖率低,许多技术难题攻关未能取得突破。


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轴承钢新钢种的研发,钢材质量的提高,润滑、冷却、清洗和磨料磨具等相关技术的研发,尚不能适应轴承产品水平和质量提高的要求。


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以最常见的深沟球轴承为例,国外先进产品的实际寿命一般为计算寿命的8倍以上,最高可达30倍以上,可靠性为98%以上。


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而国产轴承的寿命一般为计算寿命的3~5倍,可靠性为96%左右,差距还是很显著的。这对于普通的运动机械来说,问题不算太大。但是在高端领域就很难接受了,因此国内航空轴承、高铁轴承、机器人轴承等基本以进口轴承为主。

03


高铁、大飞机、重载型武器等高端装备上都有高端轴承的使用需求,而要满足高端轴承在精度、性能、寿命和可靠性等方面的要求,轴承材料的高质量和可靠性是决定性因素。

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▲维护F110发动机风扇轴承


由于物体的高速旋转,轴承的各个部位要承受变应力、高频的作用,一般单位面积压力高达每平方毫米1500到5000N在这些因素的作用下,轴承很容易产生应力疲劳,进而造成疲劳剥落,使得轴承失去其作用,与此同时滚动轴承还需承受离心力、摩擦力、高温、腐蚀等因素,这也使得要造好轴承,就得用好钢。


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在滚动轴承的四大组成部分中,除保持器外,内、外套圈、滚动体(滚珠、滚柱或滚针)都是由轴承钢组成,而轴承钢素有“钢中之王”的称号,是钢铁生产中要求最严的钢种。


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轴承钢的质量主要取决于以下四个因素:一是钢中的夹杂物含量、形态、分布和大小;二是钢中的碳化物含量、形态、分布和大小;三是钢中的中心疏松缩孔和中心偏析;四是轴承钢产品性能的一致性。这四个因素可以归纳为纯净度和均匀性指标。


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▲高端轴承钢中均匀细小的碳化物组织和热处理后均匀分布的细小碳化物


其中,纯净度要求材料中的夹杂物尽量少,纯净度的好坏对轴承的疲劳寿命有直接影响;而均匀性则要求材料中的夹杂物和碳化物颗粒细小、弥散,这会影响到轴承制造中热处理后的变形、组织均匀性等。


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我们国家制轴工艺已经接近世界顶尖水平,但材质——也就是高端轴承用钢几乎全部依赖进口。


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“PPM”在炼钢中是氧含量的单位,意指百万分率或百万分之几。一般而言,在钢铁行业,8个PPM的钢属于好钢;5个PPM的钢属于顶级钢,正是高端轴承所需要的。


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高端轴承用钢的研发、制造与销售基本上被世界轴承巨头美国铁姆肯、瑞典SKF所垄断。前几年,他们分别在山东烟台、济南建立基地,采购中国的低端材质,运用他们的核心技术做成高端轴承,以十倍的价格卖给中国市场。


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炼钢过程中加入稀土,就能使原本优质的钢变得更加“坚强”。但怎么加,这是世界轴承巨头们的核心秘密。


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近日,中科院金属所材料加工模拟研究团队通过对单重百吨级大钢锭的实物解剖和计算,发现杂质是导致成分不均匀的主要根源,据此开发了商用稀土合金的纯净化制备技术和稀土在钢中特殊加入技术,从而突破了稀土在钢中进行工业化应用的技术瓶颈,实现了在钢中添加稀土后的工艺顺行和性能稳定。


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以日本NSK轴承为例,它是从专研基础科学开始研发制造轴承的,以摩擦学技术、材料技术、机电一体化技术和解析技术为四大核心技术。(华为任正非老先生近期采访也多次提到要重视基础科学)。


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正是因为这种无与伦比的研发精神,NSK从一家日本加工企业演变成了一家世界级的轴承巨头。


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▲NSK技术发展历程

我们国家已经能造出好钢,接下来要做的就是如何将其运用在轴承上,高端轴承还涉及材料、设计、高精度加工、轴承制造等技术难题,还有一些交叉学科如疲劳与破坏、润滑学等,因此我国距离高端轴承技术还有一定差距。


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