又是卡脖子技术!是什么限制了国产高端轴承制造?

发布时间: 12月02日 浏览次数:1116

洛轴轴承

图源:洛轴

 

高端轴承,又是一项目前无法完成国产替代的卡脖子技术。 

 

我国隧道挖进机是当前地下空间施工最先进的装备,但作为掘进机的“心脏”之称的主轴承要全部依赖进口!掘进机主轴承承担着掘进机运转过程的主要载荷,是刀盘驱动系统的关键部件,工作环境非常恶劣,要承受高速旋转、巨大载荷和强烈温升。中铁、洛轴等中国顶尖级的集团企业都望轴兴叹!

 

我国是一个世界出名的钢铁大国,已经连续数年产量位居世界榜首,但相对于高端轴承,世界轴承市场70%以上的份额,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等全球知名公司所垄断,这些公司让高端轴承在全世界运转,中国则集中了广大的中低端市场,被人家转得找不到北。

 

而且,进口的高端轴承,还是欧美大国从中国回收的废弃钢铁材料,在经过他们核心技术加工制造后,再以数十倍的价格倾销到中国市场。

NSK轴承

图源:NSK

 

九月,中科院就下定决心集中全院力量将美国卡脖子的技术变成科研任务清单进行布局,其中就特别提到高端轴承的攻关。足以说明高端轴承可以上升到衡量一个国家科技、工业实力的重要标准之一。十月,由洛阳轴承推动的《我国高端轴承领域卡脖子技术现状调查研究》项目正式启动。将由院士、专家、相关企业组成“联合会诊团队”,助力我国高端轴承产业破解共性难题。

 

为什么说高端轴承制造对于国产那么难呢?

 

高端轴承,具有高运转、高载荷能力、长寿命、高可靠、低震动噪音和低摩擦力性能,是大飞机、高档汽车、高铁、重载型武器、电梯、高档数控机床、风电以及其他机械设备中的关键核心器件,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。通俗讲,轴承与轴之间的摩擦越小,振荡越少,发热越少,这个轴承也就越好。

 

要想完成高端质量的国产轴承制造,除了克服轴承钢材料、热处理、焊接工艺等技术难题外,还要突破(超)精密加工问题。(超)精密加工主要提高和改善高端轴承零件表面的微观质量,这些微观质量包括粗糙度、沟形、圆度和金属条纹的走向。还体现在高端轴承零件磨削特别是批量加工精度和精度的一致性问题上。

针对赛车运动设计的特殊轮毂轴承

针对赛车运动设计的特殊轮毂轴承 图源:SKF

 

以需求最大的滚动轴承为例,滚动轴承有四元件:圆珠(圆滚、滚子)、外圈、内圈、保持架组成。其中圆珠构成轴承的核心元件,直接影响轴承运行效率和使用寿命。高端轴承必须使用Ⅰ级甚至0级的精密圆珠,可限于目前国内技术瓶颈和超精研机进口价格昂贵,无法保证完成精密圆锥滚子批量生产;另外,也不能保证外圈、内圈、保持架等零件的尺寸稳定性得到良好的控制。

 

高端轴承的表面抛光需要达到镜面洁净效果。由于轴承的工作环境非常严峻,各个部位要承受单位面积压力高达每平方毫米1500到5000N的高频变应力,因此各部件的切削、磨削、表面精密抛光处理对于保障轴承的旋转精度、降低振动噪声、减损疲劳寿命是相当重要。但,这样的精密磨削工艺目前我国仍限于困局。精密研磨机和精密抛光机及其磨料都被美日德等少数国家把持,国内的境地十分难堪,不然国内轴承老大洛轴也不会联合顶尖专家搞一个现状调查。

滚子轴承精度指标

滚子轴承精度指标

 

先说一说精密研磨。拿高端轴承里最能够适应恶劣工作环境的高速轴承为例,国内一些新基建重型机械设备里用到的高速轴承主要依赖德国、瑞典、日本。高速轴承比低速轴承的精度更高,表面粗糙度更小。直观的区别就是,高速轴承比通用轴承的表面更光滑,晃动外圈与内圈的的话,高速轴承间隙更小。高速轴承要求轴承所在回转系统经过精密的动平衡,轴与座孔安装轴承的部位应具有高于一般要求的尺寸精度和形位精度。

高速研磨JUMAT系列磨床

高速研磨JUMAT系列磨床 图源:勇克

 

高速磨削技术和超高速磨削技术是实现高速轴承精密研磨的关键工艺。高速磨削( 砂轮速度大于 50 m /s) 、超高速磨削( 砂轮速度大于 150 m /s) 能大幅度提高磨削效率,改善磨削质量,提高砂轮耐用度。多年来,为更好地实现高速磨削、超高速磨削工程化应用,国外相继开发了高速轴承、高速电主轴等先进产品同时,正是基于这些关键技术的突破与工程化研究,使高速磨削和超高速磨削技术在工业发达国家普遍应用。

 

尽管我国汽车凸轮轴、曲轴等关键零件加工开始采用高速磨削、超高速磨削技术,但普及率非常低;尽管近国产磨床有了质的飞跃,但其核心零部件对外依存度高——高速电主轴主要依赖德国、瑞士、意大利、韩国;变频器依赖德国、日本、法国、美国;砂轮在线动平衡依赖美国、德国;防碰撞监控系统依赖德国、荷兰、美国;直线导轨依赖日本、德国、韩国;直线电动机依赖美国、日本、以 色列;数控系统依赖德国、日本;磨具依赖美国、德国、日本等。高速磨削核心技术被国外严重垄断。

 

点磨削是高速磨削技术的新发展,是集 CBN 超硬磨料、超高速磨削、CNC 柔性加工三大先进技术于一体的高效加工技术。磨削深度大,法向磨削力小,冷却、排屑充分,磨削温度低,操作方便等,特别适合细长轴类零件加工,是磨削技术与数控技术的极佳结合,但国内没有掌握点磨削的核心技术。

 

高效深切磨削是在缓进深切磨削的基础上,进一步融合了 CBN 超硬磨料和高速磨削技术,提高了工件进给速度,极大地提高了磨削效率,被誉为“现代磨削技术的最高峰”。但市场上,与高端轴承磨削适配的平面强力磨床仍是国外品牌。

日本轴承钢珠生产工艺流程制研磨抛光环节

日本轴承钢珠生产工艺流程制研磨抛光环节:

 

硬磨:研磨机内的砂轮圆板将热处理球胚加压磨削,以去除球表面的黑色氧化层及修正球的精度;

精研/抛光清洗精研:将研磨球胚在精研机内精研磨,使球达到成品索需要的精度和光洁度;

抛光清洗:将球倒入抛光滚桶内转动并用抛光清洗剂加水清洗使球面清洁光亮。

外观选别用人工目视检查球面有无任何瑕疵,并用千分计比较仪量测真圆度、批直径变动量及用面粗糙度仪测表面粗糙度作为最终检验.

 

再说一说高端轴承的精密抛光。虽然等离子抛光、超声波抛光、电解化学抛光、磁研磨抛光、流体抛光等精密抛光工艺适用于轴承的精密抛光处理,但所需要的高端抛光机和及其磨料大部分依赖进口。轴承抛光机主要用于各种精密轴承内外圈、轴承保持架、轴承滚针、轴承钢珠的去毛刺,倒角、去氧化皮、去轴承内外圈磨床痕迹,轴承沟槽精密抛光,精密抛光,超精密镜面抛光等。磨料是抛光机的核心技术之一,研磨磨料指标包括磨料粘度、磨料粘料和拉度大小。研磨磨料按粘度可分为不同粘度的磨料。从德国进口的磨料,使用寿命长,加工精度高,效果尤为出众。

 

国产的轴承的尺寸偏差和旋转精度虽然和进口轴承已经非常的接近。但是与德国进口轴承在离散度上还有一定的差距。国外早已开始研究和应用“不可重复跳动”这样精细的旋转精度指标,而中国在此方面的研究还是空白。由于精度的工艺差异,导致国产轴承在在振动、噪声与异音方面与进口轴承存在差距,日本已推出静音及超静音轴承,而中国轴承的振动极值水平与日本轴承相比,一般要相差10dB以上。

高精密双端面研磨机抛光机

高精密双端面研磨机抛光机 图源:斯凯夫机械

 

由于以研磨和抛光为代表的精密加工工艺带来的差距,也导致国产轴承在寿命与可靠性方面与进口轴承比起来差强人意。以深沟球轴承为例,国外名牌产品的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(或追求与主机等寿命),而中国轴承的寿命一般仅为计算寿命的3至5倍,可靠性为96%左右。

 

因着我国有全世界最发达的高铁网络和最大市场,开始在高铁轴承(轴箱轴承、牵引电机轴承及齿轮箱轴承)上实现高端轴承原材料和加工工艺的突破,逐步迎来了关键部件的国产化。洛阳轴承厂所制造的250公里、350公里的高铁轴承,标志着高铁轴承的国产化迎来了重大突破。虽然我国高铁零部件国产化率已经超过97%,但,高铁轴承依然全部依赖从瑞典、德国、日本等国家进口。

 

近年来,通过不断研发,我国也在高端轴承上有了些许成绩,包括用于航母建造的特种钢以及可用于制作潜艇的超级钢,但是尚不能适应和满足国民经济高质量发展的工业制造领域。

LYC制造国内最大转盘轴承。

LYC制造国内最大转盘轴承。基于ELID磨削技术(电火花修型技术)的高精度滚子生产设备,LYC解决了高端轴承制造难题。该设备在业内首创将ELID磨削技术应用到轴承滚子的加工中,将传统精密磨削、研磨、抛光工艺合为一体,通过配套的数控机床,实现滚子复合镜面磨削加工,从而开辟出超精密加工的新途径。

 

轴承行业目前对国内主机的配套率达到80%,大飞机、高速铁路、客车、中高档轿车、计算机、空调器、高水平轧机、风力发电机、航天发动机等重要主机的配套和维修所需要的高端轴承,基本上靠进口,市场缺口巨大。除了轴承钢材无法满足工业制造需求外,国产高端轴承制造技术和高精度高稳定性高可靠度的机床装备(尤指磨床!!)仍是国内企业今后数年亟待解围的工作。

 

同时,我国轴承制造企业在轴承、密封、润滑系统、规划认知和服务等领域上较全球知名公司还存在差距。我们缺乏专业的轴承技术人才,供轴承行业及相关机械行业的技术人员和大专院校的师生后备不足;系统性经验匮乏,长远性规划丧失,缺乏探索和创新。

双向角接触推力球轴承 图源:SKF

 

国外知名轴承企业更注重轴承与主机结构的匹配,在设计时,将轴承视为主机的组成部分,二者协同进行。观国内,轴承与主机的设计相互独立、各自为政,相互不熟悉,主轴承根本无法响应主机环境的力学行为。要适应主机环境的力学行为,需要十分复杂的动力学模型、工程数据和数值计算平台,国外轴承设计的合理性,是通过大量实验验证的,并积累了大量工程数据,这些方面在我国几乎全是空白。

 

国内轴承企业制造理念也很“中国特色”:追求高大上、忽略细精尖;企业林立,各自为战;国企瞧不上民企,民企看不惯国企;国企处尊养优,依靠强势资源垄断基础设施市场,注定轴承技术和产品扑向大规模的铁公基等领域,但忧患意识淡薄,自主创新能力慢热;大部分民企生于忧患而又死于忧患,虽然具有强烈的学习意识和创新意识,但往往研发投入不足,又铺盖广大中低端市场,造成库存堆积。

 

国内民用市场开放不足,轴承市场的兴盛发达往往是某一项世界前沿的技术带动,比如老美的航天航空太空探索举世无双,其相关军工与航天高精密轴承技术成熟后就会让利给企业,企业再去深入改进更新并形成技术壁垒,在全世界内开始薅羊毛,国内则不会把相对成熟的国家保密技术泄露给企业;存在侥幸心理,往往以为造不出来的,财大气粗地去国际上买就解决问题了,可没意识到西方国家和发达资本主义国家往往都是利益共同体,欧美不卖,也很难用日韩。

 

幸运的是,在2020年这样的复杂多变极其艰难的背景下,我们在最无奈的时刻意识到这种最无奈的危机,国企改革、民企奋起、单点突破、合力围攻的反攻局势正在形成。

 

高端轴承国产化,任重而道远。

图源:TIMKEN

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2021.12.05-07

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