高端軸承制造出來到底有多難？
軸承是機(jī)械設(shè)備中不可或缺的核心零部件，主要功能是支撐機(jī)械旋轉(zhuǎn)體，降低摩擦系數(shù)并保證回轉(zhuǎn)精度。它是數(shù)學(xué)物理等理論加上材料科學(xué)、熱處理技術(shù)、精密加工和數(shù)控技術(shù)等多學(xué)科的產(chǎn)物。無論飛機(jī)、汽車、高鐵還是高FAG軸承精密機(jī)床，凡是旋轉(zhuǎn)的部分，一般都需要軸承。
當(dāng)其他機(jī)件在軸上彼此產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，用來保持軸的中心位置及控制該運(yùn)動(dòng)的機(jī)件，稱為軸承。它可用于轉(zhuǎn)軸的互相滾動(dòng)，使轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的摩擦力減至低。
早期的直線運(yùn)動(dòng)軸承，是在撬板下放置一排木桿。這個(gè)技術(shù)可以追溯到修建卡夫拉金字塔的時(shí)候，雖然還沒有明確的證據(jù)?，F(xiàn)代直線運(yùn)動(dòng)軸承使用的是同一種工作原理，只不過是用滾球代替滾子。
從重載車輪軸和機(jī)床主軸到精密鐘表零件，很多場(chǎng)合都INA軸承需要旋轉(zhuǎn)軸承，簡(jiǎn)單的旋轉(zhuǎn)軸承是軸套軸承。這種設(shè)計(jì)隨后被滾動(dòng)軸承替代，就是用很多圓柱形的滾子替代原先的襯套。較早開始投入使用的滾動(dòng)軸承是鐘表匠約翰·哈里遜于1760年為制作H3計(jì)時(shí)器而發(fā)明的。
在意大利奈米湖的一艘古羅馬船只上，發(fā)現(xiàn)了早期的球軸承實(shí)例，有個(gè)木制球軸承用來支撐旋轉(zhuǎn)桌面，這艘船建造于公元前40年。球軸承的各種不成熟因素中，有很重要的一點(diǎn)就是球之間會(huì)發(fā)生碰撞，造成額外的摩擦。
個(gè)關(guān)于軸承球溝道的專利是菲利普·沃恩在1794年獲得的。1883年，弗里德里希·費(fèi)舍爾提出了使用合適的生產(chǎn)機(jī)器磨制大小相同、圓度準(zhǔn)確的鋼球，這奠定了創(chuàng)建軸承工業(yè)的基礎(chǔ)。1907年，SKF球軸承工廠的斯文·溫奎斯特設(shè)計(jì)了早的現(xiàn)代自調(diào)心球軸承。
按照相對(duì)運(yùn)動(dòng)的接觸形式軸承分為： 滾珠軸承、滾針軸承、圓錐滾柱軸承、滑動(dòng)軸承、撓性軸承、空氣軸承、磁懸浮軸承、寶石軸承和含油軸承等。
雖然軸承結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，很多小作坊都NSK軸承能做出來，但軸承具有很高的技術(shù)含量，甚至可作為衡量一個(gè)國(guó)家科技、工業(yè)實(shí)力的重要標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)今世界科技工業(yè)強(qiáng)國(guó)無一例外都是軸承研發(fā)制造強(qiáng)國(guó)。
世界軸承市場(chǎng)70%以上的份額，被十大跨國(guó)軸承集團(tuán)公司所占據(jù)，其中美國(guó)占23%、歐盟占21%、日本占19%。世界軸承市場(chǎng)基本是由日本NSK 等五大公司、瑞典SKF 公司、德國(guó)FAG 等兩家公司、美國(guó)Timken 等幾家公司所主導(dǎo)。
    同時(shí)，世界軸承行業(yè)的高端市場(chǎng)被上述企業(yè)所壟斷，而中低端市場(chǎng)則主要集中于中國(guó)。而我國(guó)瓦軸等10家大的軸承企業(yè)，銷售額僅占全行業(yè)的24.7%，前30家的生產(chǎn)集中度也僅為37.4%。
近幾年，我國(guó)軸承工業(yè)已形成一整套獨(dú)立完整的工業(yè)體系，無論從軸承產(chǎn)量，還是軸承銷售額，我國(guó)都已經(jīng)邁入軸承工業(yè)大國(guó)行列，位列世界第三。數(shù)據(jù)顯示，2017年，我國(guó)軸承行業(yè)規(guī)模以上企業(yè)主營(yíng)業(yè)務(wù)收入1788億元，軸承產(chǎn)量210億套。能夠生產(chǎn)小至內(nèi)徑0.6毫米，大至外徑11米，共計(jì)多達(dá)9萬多個(gè)品種規(guī)格的軸承。
2006年至2017年，我國(guó)軸承出口額增長(zhǎng)較穩(wěn)定，增速高于進(jìn)口，進(jìn)出口貿(mào)易順差呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，2017年貿(mào)易順差達(dá)15.50億美元。且對(duì)比進(jìn)出口軸承單價(jià)，近幾年我國(guó)進(jìn)出口軸承價(jià)差較大，但價(jià)差幅度逐年減小，反映出我國(guó)軸承行業(yè)技術(shù)含量雖然與先進(jìn)水平尚存在一定差距，但在追趕中。同時(shí)反映出我國(guó)中低端軸承產(chǎn)能過剩，高端軸承產(chǎn)能不足的現(xiàn)狀。
當(dāng)前，國(guó)產(chǎn)軸承的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)基本上是模仿，產(chǎn)品開發(fā)能力低，在某些核心技術(shù)的研發(fā)領(lǐng)域甚至還是空白。雖然對(duì)國(guó)內(nèi)主機(jī)的配套率達(dá)到80%，但高速鐵路客車、中轎車、計(jì)算機(jī)、空調(diào)、高水平軋機(jī)等重要主機(jī)的配套和維修軸承，基本上依靠進(jìn)口。
國(guó)產(chǎn)軸承制造工藝和工藝裝備技術(shù)發(fā)展緩慢，車加工數(shù)控率低，磨加工自動(dòng)化水平低，全國(guó)僅有200多條自動(dòng)生產(chǎn)線。對(duì)軸承壽命和可靠性至關(guān)重要的先進(jìn)熱處理工藝和裝備，如控制氣氛保護(hù)加熱、雙細(xì)化、貝氏體淬火等覆蓋率低，許多技術(shù)難題攻關(guān)未能取得突破。
軸承鋼新鋼種的研發(fā)，鋼材質(zhì)量的提高，潤(rùn)滑、冷卻、清洗和磨料磨具等相關(guān)技術(shù)的研發(fā)，尚不能適應(yīng)軸承產(chǎn)品水平和質(zhì)量提高的要求。
以常見的深溝球軸承為例，國(guó)外先進(jìn)產(chǎn)品的實(shí)際壽命一般為計(jì)算壽命的8倍以上，高可達(dá)30倍以上，可靠性為98%以上。
而國(guó)產(chǎn)軸承的壽命一般為計(jì)算壽命的3~5倍，可靠性為96%左右，差距還是很顯著的。這對(duì)于普通的運(yùn)動(dòng)機(jī)械來說，問題不算太大。但是在高端領(lǐng)域就很難接受了，因此國(guó)內(nèi)航空軸承、高鐵軸承、機(jī)器人軸承等基本以進(jìn)口軸承為主。
高鐵、大飛機(jī)、重載型武器等高端裝備上都有高端軸承的使用需求，而要滿足高端軸承在精度、性能、壽命和可靠性等方面的要求，軸承材料的高質(zhì)量和可靠性是決定性因素。
由于物體的高速旋轉(zhuǎn)，軸承的各個(gè)部位要承受變應(yīng)力、高頻的作用，一般單位面積壓力高達(dá)每平方毫米1500到5000N在這些因素的作用下，軸承很容易產(chǎn)生應(yīng)力疲勞，進(jìn)而造成疲勞剝落，使得軸承失去其作用，與此同時(shí)滾動(dòng)軸承還需承受離心力、摩擦力、高溫、腐蝕等因素，這也使得要造好軸承，就得用好鋼。
在滾動(dòng)軸承的四大組成部分中，除保持器外，內(nèi)、外套圈、滾動(dòng)體（滾珠、滾柱或滾針）都是由軸承鋼組成，而軸承鋼素有“鋼中之王”的稱號(hào)，是鋼鐵生產(chǎn)中要求嚴(yán)的鋼種。
軸承鋼的質(zhì)量主要取決于以下四個(gè)因素：一是鋼中的夾雜物含量、形態(tài)、分布和大??；二是鋼中的碳化物含量、形態(tài)、分布和大小；三是鋼中的中心疏松縮孔和中心偏析；四是軸承鋼產(chǎn)品性能的一致性。這四個(gè)因素可以歸納為純凈度和均勻性指標(biāo)。
其中，純凈度要求材料中的夾雜物盡量少，純凈度的好壞對(duì)軸承的疲勞壽命有直接影響；而均勻性則要求材料中的夾雜物和碳化物顆粒細(xì)小、彌散，這會(huì)影響到軸承制造中熱處理后的變形、組織均勻性等。
我們國(guó)家制軸工藝已經(jīng)接近世界頂尖水平，但材質(zhì)——也就是高端軸承用鋼幾乎全部依賴進(jìn)口。
“PPM”在煉鋼中是氧含量的單位，意指百萬分率或百萬分之幾。一般而言，在鋼鐵行業(yè)，8個(gè)PPM的鋼屬于好鋼；5個(gè)PPM的鋼屬于頂級(jí)鋼，正是高端軸承所需要的。
    高端軸承用鋼的研發(fā)、制造與銷售基本上被世界軸承巨頭美國(guó)鐵姆肯、瑞典SKF所壟斷。前幾年，他們分別在山東煙臺(tái)、濟(jì)南建立基地，采購(gòu)中國(guó)的低端材質(zhì)，運(yùn)用他們的核心技術(shù)做成高端軸承，以十倍的價(jià)格賣給中國(guó)市場(chǎng)。
煉鋼過程中加入稀土，就能使原本優(yōu)質(zhì)的鋼變得更加“堅(jiān)強(qiáng)”。但怎么加，這是世界軸承巨頭們的核心秘密。
近日，中科院金屬所材料加工模擬研究團(tuán)隊(duì)通過對(duì)單重百噸級(jí)大鋼錠的實(shí)物解剖和計(jì)算，發(fā)現(xiàn)雜質(zhì)是導(dǎo)致成分不均勻的主要根源，據(jù)此開發(fā)了商用稀土合金的純凈化制備技術(shù)和稀土在鋼中特殊加入技術(shù)，從而突破了稀土在鋼中進(jìn)行工業(yè)化應(yīng)用NTN軸承的技術(shù)瓶頸，實(shí)現(xiàn)了在鋼中添加稀土后的工藝順行和性能穩(wěn)定。
以日本NSK軸承為例，它是從專研基礎(chǔ)科學(xué)開始研發(fā)制造軸承的，以摩擦學(xué)技術(shù)、材料技術(shù)、機(jī)電一體化技術(shù)和解析技術(shù)為四大核心技術(shù)。
正是因?yàn)檫@種無與倫比的研發(fā)精神，NSK從一家日本加工企業(yè)演變成了一家世界級(jí)的軸承巨頭。
NSK技術(shù)發(fā)展歷程
我們國(guó)家已經(jīng)能造出好鋼，接下來要做的就是如何將其運(yùn)用在軸承上，高端軸承還涉及材料、設(shè)計(jì)、高精度加工、軸承制造等技術(shù)難題，還有一些交叉學(xué)科如疲勞與破壞、潤(rùn)滑學(xué)等，因此我國(guó)距離高端軸承技術(shù)還有一定差距。