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高檔數(shù)控機(jī)床主軸軸承與機(jī)器人軸承發(fā)展趨勢

2020-7-14 來源：- 作者：-

一，概述

機(jī)床行業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)裝備產(chǎn)業(yè)，是裝備制造業(yè)發(fā)展的重中之重。機(jī)床行業(yè)水平代表著一個(gè)國家制造業(yè)的發(fā)展水平。

我國已經(jīng)成為世界第一大機(jī)床消費(fèi)大國和制造大國。尤其是進(jìn)入 21 世紀(jì)之后，我國數(shù)控機(jī)床進(jìn)入黃金發(fā)展階段，各類機(jī)床產(chǎn)品產(chǎn)值持續(xù)位居世界前列。數(shù)控機(jī)床年產(chǎn)量從2001 年的 1 萬臺(tái)，到 2014 年達(dá)到 39.1 萬臺(tái)。我國已連續(xù) 11 年成為世界金屬加工機(jī)床第一消費(fèi)大國。期間，我國機(jī)床工具行業(yè)自主創(chuàng)新成果顯著，開發(fā)了一批高速、精密、復(fù)合、多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床，以及一批大規(guī)格、大噸位重型、超重型數(shù)控機(jī)床新產(chǎn)品。近年來，隨著我國各種新興產(chǎn)業(yè)的繁榮和高端裝備制造業(yè)的發(fā)展，隨著機(jī)械類產(chǎn)品的高精度、高性能、高一致性、高可靠性要求的提升，為之提供加工基礎(chǔ)的數(shù)控機(jī) 床得到了迅猛發(fā)展，滿足高性能、高效率要求的高檔數(shù)控機(jī)床已經(jīng)進(jìn)入工業(yè)經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。

我國2010--2016年數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量

與此同時(shí)，我國機(jī)器人行業(yè)也得到了快速發(fā)展，已經(jīng)成為全球工業(yè)機(jī)器人重要市場。2013年，我國工業(yè)機(jī)器人銷量達(dá)到 3.7 萬臺(tái)，超越日本成為全球第一大機(jī)器人市場；2016 年，我國工業(yè)機(jī)器人銷量達(dá)到 8.9萬臺(tái)，平均每年增長20%以上。

2009--2016中國工業(yè)機(jī)器人市場銷量

隨著數(shù)控技術(shù)的快速發(fā)展，復(fù)合、高速、智能、精密、環(huán)保已成為當(dāng)今機(jī)床工業(yè)技術(shù)發(fā)展的主要趨勢。軸承作為機(jī)床的基礎(chǔ)配套部件，其性能直接影響到機(jī)床的轉(zhuǎn)速、回轉(zhuǎn)精度、剛性、抗振動(dòng)切削性能、噪聲、溫升及熱變形等，進(jìn)而影響到機(jī)床的本質(zhì)性能。由于新研發(fā)的高檔數(shù)控機(jī)床普遍具有多軸化、多功能化、多性能化要求，因此，其核心部件——軸承也倍受關(guān)注。

二、現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

（1）高檔數(shù)控機(jī)床主軸軸承種類

高檔數(shù)控機(jī)床軸承種類包括高速主軸軸承系統(tǒng)（含電主軸軸承、動(dòng)靜壓軸承）、直線導(dǎo)軌軸承、滾珠絲杠等功能部件（見圖 3）。這些產(chǎn)品作為機(jī)床加工精度的決定性因素而受到機(jī)床制造者、機(jī)床用戶的高度關(guān)注。

典型的機(jī)床主軸軸承系統(tǒng)圖

高速電主軸軸承系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)圖

其中，高檔數(shù)控機(jī)床主軸軸承主要類型有 4 類，分別為：角接觸球軸承，單、雙列圓柱滾子軸承，單、雙向推力角接觸球軸承，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)還有圓錐滾子軸承。

表1 機(jī)床主軸軸承種類

在數(shù)控機(jī)床主軸軸承中，量大面廣的應(yīng)用主要以精密角接觸球軸承為主。

表2 精密角接觸球軸承的類型及性能特點(diǎn)

（2）高檔數(shù)控機(jī)床主軸軸承發(fā)展趨勢

自2002 年開始，我國機(jī)床產(chǎn)品消費(fèi)額上升到世界第一位，并且連續(xù)保持至今。

根據(jù)有關(guān)產(chǎn)業(yè)研究院提供的數(shù)據(jù)，2016年全球機(jī)床行業(yè)市場規(guī)模為 1080 億美元左右。總體情況如圖 5 所示。

圖5 2009--2016年全球機(jī)床行業(yè)市場規(guī)模

與此同時(shí)，國內(nèi)市場對(duì)于進(jìn)口機(jī)床的需求不降反升。2014 年，機(jī)床工具進(jìn)口總額 177.8 億美元，同比增加10.8%。這些進(jìn)口機(jī)床產(chǎn)品的需求主要以高檔數(shù)控機(jī)床為核心，以關(guān)鍵系統(tǒng)、零部件為配套主導(dǎo)。可見，高端高檔數(shù)控類機(jī)床產(chǎn)品仍舊是我國機(jī)床產(chǎn)業(yè)發(fā)展的軟肋。

國內(nèi)產(chǎn)品的精度、可靠性、穩(wěn)定性、耐用性差，與國外先進(jìn)的技術(shù)差距明顯。國外數(shù)控機(jī)床平均無故障時(shí)間一般為 2000h 以上，而國內(nèi)機(jī)床一般在 500h 以內(nèi)；嚴(yán)重缺乏各種先進(jìn)基礎(chǔ)元件，先進(jìn)配套件大量進(jìn)口。

目前，受到國內(nèi)機(jī)床行業(yè)發(fā)展的整體影響，高檔數(shù)控機(jī)床主軸軸承的市場亦主要被國外軸承生產(chǎn)企業(yè)所占有，國內(nèi)只有少數(shù)軸承企業(yè)研制了部分產(chǎn)品，但是依然難于得到核心高檔數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用與實(shí)踐的機(jī)會(huì)。以 P4 及以上級(jí)超精密角接觸球軸承為例，國內(nèi)機(jī)床行業(yè)年需求約 15 萬套以上，其中，超過 50% 的產(chǎn)品來自 FAG、NSK、SKF、NTN 等國外軸承公司；并且，國外軸承公司針對(duì)高檔數(shù)控機(jī)床主軸等部位所使用的高端軸承均提供了專業(yè)的行業(yè)解決方案，以最大程度提供令用戶滿意的服務(wù)。可見，對(duì)于技術(shù)含量高、附加值高、加工難度大的高檔數(shù)控機(jī)床主軸軸承研制，一直是各國軸承企業(yè)投入與關(guān)注的重點(diǎn)。

軸承的使用性能和產(chǎn)品服務(wù)是客戶選擇軸承產(chǎn)品的主要依據(jù)。隨著國產(chǎn)超精密軸承的技術(shù)指標(biāo)和可靠性水平的逐步提高，加之國內(nèi)軸承企業(yè)在產(chǎn)品服務(wù)以及成本控制上的巨大優(yōu)勢，國產(chǎn)高檔數(shù)控機(jī)床主軸軸承的市場占有率正處于穩(wěn)步提升之中。目前，我國自主研發(fā)、生產(chǎn)的高檔數(shù)控機(jī)床主軸軸承已經(jīng)逐步替代進(jìn)口，占據(jù)了一定的市場份額。相信隨著國內(nèi)精密軸承的發(fā)展與提升，高檔數(shù)控機(jī)床主軸軸承的巨大市場需求必將日漸傾斜于“中國制造”。

精度和切削能力是衡量機(jī)床質(zhì)量的兩個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)，它們?nèi)Q于機(jī)床的整體設(shè)計(jì)，在很大程度上也取決于機(jī)床工件主軸-軸承系統(tǒng)。軸承的結(jié)構(gòu)和精度在很大程度上決定了機(jī)床的性能，高檔數(shù)控機(jī)床主軸軸承為 P4 及以上高精度等級(jí)的滾動(dòng)軸承。隨著現(xiàn)代機(jī)床向高精度、高效率、高智能化方向的發(fā)展，對(duì)機(jī)床主軸軸承也不斷提出新的更高要求，如更高的回轉(zhuǎn)精度，更高的靜、動(dòng)態(tài)剛性，更高的極限轉(zhuǎn)速，更低的溫升和摩擦力矩，更高的精度保持性。與此同時(shí)，更合理方便的安裝使用、調(diào)整維修、潤滑密封等需求也在不斷提出，集成化、單元化、智能化已成為數(shù)控機(jī)床主軸軸承的技術(shù)發(fā)展目標(biāo)。

三、工業(yè)機(jī)器人軸承

（1）工業(yè)機(jī)器人軸承種類

工業(yè)機(jī)器人軸承種類見表3。

表3 工業(yè)機(jī)器人軸承種類

除上述軸承外，工業(yè)機(jī)器人還應(yīng)用直線軸承、關(guān)節(jié)軸承、磁懸浮軸承、氣體靜壓推力軸承等。

（2）機(jī)器人軸承發(fā)展趨勢

機(jī)器人的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用程度，是衡量一個(gè)國家科技創(chuàng)新、高端制造發(fā)展水平的重要標(biāo)志。自 2010 年以來，全球?qū)I(yè)機(jī)器人的需求不斷增長。國際機(jī)器人聯(lián)合會(huì)（IFR）近日發(fā)布最新報(bào)告稱，未來工業(yè)機(jī)器人需求仍將加速增長。

該機(jī)構(gòu)此前發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，2010 —2014 年，工業(yè)機(jī)器人年均復(fù)合增長率為17%。

在此之前，工業(yè)機(jī)器人安裝量的增速從未如此迅速。2005 —2008 年，工業(yè)機(jī)器人年均銷售量約為 11.5 萬臺(tái)。2010 —2014 年，這一數(shù)字增長至 17.1 萬臺(tái)，增長量約 48%。

2013 年，中國以 3.7 萬臺(tái)的銷售量，首超日本，全球排名第一。2014 年，全球工業(yè)機(jī)器人銷量增長了 29%，共計(jì) 22.9 萬臺(tái)；其中，來自中國的銷量就達(dá)到 5.7 萬臺(tái)，站穩(wěn)全球最大工業(yè)機(jī)器人市場的領(lǐng)先地位。

相對(duì)德、日、韓等國而言，我國機(jī)器人密度還是很低，2012 年我國制造業(yè)中工業(yè)機(jī)器人擁有量僅為 23 臺(tái) / 萬人，遠(yuǎn)低于世界平均的 58 臺(tái) / 萬人。即使排除不可比因素，我國機(jī)器人密度還存在較大的提升空間，工業(yè)機(jī)器人市場潛力巨大。

2016 年，我國工業(yè)機(jī)器人銷量超過 8.9 萬臺(tái)。預(yù)計(jì)到 2020 年，我國工業(yè)機(jī)器人市場需求量將達(dá)到 15 萬臺(tái)，保有量達(dá)到 80 萬臺(tái)；到 2025 年，我國工業(yè)機(jī)器人市場需求量將達(dá)到 26 萬臺(tái)，保有量達(dá)到 180 萬臺(tái)。

多年來，軸承行業(yè)內(nèi)的科研單位和骨干企業(yè)，對(duì)機(jī)器人軸承進(jìn)行了持續(xù)不斷地理論研究、產(chǎn)品試制和產(chǎn)業(yè)化探索，并取得了一些階段性成果，在實(shí)現(xiàn)機(jī)器人專用軸承國產(chǎn)化的道路上進(jìn)行了嘗試。但是，從總體上看，我國工業(yè)機(jī)器人軸承的研發(fā)不充分、碎片化明顯，工程化不好，研發(fā)成果向生產(chǎn)力轉(zhuǎn)化不利；沒有進(jìn)行充分的研發(fā)和工程化，就直接小批量生產(chǎn)，向主機(jī)廠供貨，很多問題需要解決。

2016 年，工信部把“工業(yè)機(jī)器人軸承”列為強(qiáng)基工程項(xiàng)目，軸承行業(yè)兩個(gè)骨干企業(yè)得到相關(guān)資金的資助。可以預(yù)計(jì)，經(jīng)過有識(shí)之士持續(xù)不斷地努力和技術(shù)改造項(xiàng)目的實(shí)施，不遠(yuǎn)的將來，我國的機(jī)器人軸承一定能夠滿足主機(jī)市場的配套需求。

未來中國高檔數(shù)控機(jī)床主軸軸承和機(jī)器人軸承將以高精度、高剛性、高承載、高可靠、低摩擦力矩、長壽命、新材料、新結(jié)構(gòu)為主要研究方向。近幾年國家不斷加大對(duì)高檔數(shù)控機(jī)床軸承的投入力度，相信在不久的將來，高檔數(shù)控機(jī)床主軸軸承和機(jī)器人軸承大部分依賴進(jìn)口的局面將得到根本改變。

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