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“十二五”轴承工艺装备需求分析与展望

发布时间：2013-01-14 浏览次数：619

作者：王统建何加群牛辉
（中国轴承工业协会）

　　一、引言
　　轴承是我国重点发展的战略性基础产业，“十一五”期间我国轴承工业体系得到了进一步的发展。据统计，2010年我国滚动轴承产量达到150亿套，销售收入达到1260亿元，产销量已位居世界第三，是名副其实的世界轴承生产大国。轴承行业产品不仅是“量”，在“质”的方面也有了较大的提高，传统的几个老牌大型轴承企业知名度较高，为国家的重点领域提供了大量的高、精、专、特、新轴承产品；同时涌现出一批新兴的轴承企业，在微小型精品轴承制造方面逐步掌握了核心制造技术，为我国轴承行业的发展做出了很大的贡献。
　　虽然我国轴承行业产品有了明显的质和量的提高，微小型轴承已经达到和国外产品相当的质量水平，但是我国重点行业主机配套的关键轴承产品还存在大量依赖于进口的现象，自给率不足，主要原因是我国轴承行业的产业集中度较低，民族品牌产品的市场认知度不高，生产的轴承产品的精度、性能、寿命和可靠性在一些主机行业还达不到配套的要求。目前，我国轴承行业的高端市场很大一部分由轴承行业的八大跨国公司SKF、Scheaffler、NSK、Timken、NTN、JTEKT、Nachi、NMB占主导地位。尽快使我国实现由世界轴承大国向轴承生产强国的转变、扩大高端轴承在我国轴承产品结构中的比例，就成为整个行业的当务之急，提高我国轴承加工制造技术水平则成为其中极其重要的环节之一。
　　轴承的制造属于技术密集型产业，涉及到基础材料、热处理、精密加工、精密测量、润滑防锈、产品测试等多种学科技术，其中轴承零件的精密加工制造技术是其核心技术之一，尤其是轴承内、外圈和滚动体三个零件的磨削加工，直接决定着轴承的精度。“工欲善其事，必先利其器”轴承零件的精密加工必须有先进的轴承工艺装备才能得以完成，因此对轴承工艺装备的精度、可靠性和效率提出了特别严格的要求。所以，轴承工艺装备的发展必须紧跟轴承制造技术进步的趋势，进一步缩小在精度、效率、稳定性、智能化、环保等方面与先进水平的差距；注重精密加工、精密检测、精密装配，逐步向高速、高效、高精、环保、专用、复合化、组合化的加工单元和柔性制造系统方向发展；使轴承的生产模式逐步实现由单机自动化→自动化生产线→自动化生产工段→自动化生产工厂的系列转变。“十二五”期间我国将加快产业结构调整，跨国轴承企业也将加快向在中国的产能转移，轴承工艺装备企业迎来了市场持续高速增长的机遇期。因此，加大中高档轴承工艺装备的产品研发和产能提升力度，并努力提高产品综合方案解决能力，对推进我国轴承产业的健康发展，建成世界轴承生产强国有着重要的意义。
　　二、轴承行业的需求态势和发展趋势
　　经过六十多年的发展，我国的轴承工业已具备了较强的技术实力和较大的生产能力。全国规模以上轴承制造企业已发展到近2000余家，轴承年产量从1949年的13.8万套增加到2010年的150亿套。可生产从微型到特大型各种类型各种精度等级的轴承及关节轴承、带座外球面轴承、直线运动轴承、薄壁轴承、汽车等速万向节和轴承单元等。形成了产品门类齐全，生产布局基本合理，具有大中小企业相结合、科研生产相结合、内销出口相结合、各种所有制相结合等特点的较完整的工业体系。
　　“十一五”期间，我国轴承产量年平均增长速度为18%，作为收官之年的2010年，轴承产量更是由2009年的110亿套增加到150亿套，增长速度达到了36.4%。“十二五”期间我国轴承行业将延续稳步增长的趋势，主要有四个方面因素影响：首先，轴承是消耗性的机械基础件，除新增项目和新增机械产品将拉动轴承需求外，机械产品保有量的增加和利用率的提高都会增加对轴承的消耗；其次，随着我国国民经济持续发展、自动化程度不断提高，对主机要求将越来越高，从而对轴承的性能、技术要求也会越来越高，新产品层出不穷，需求量也会不断加大；再次，随着我国轴承产品质量的不断提高，涌现一批精品轴承生产企业，其产品质量已与知名品牌相当，出口规模将不断扩大；另外，国家不断加大节能减排力度，建设节约型社会，必然加速传统产业节能降耗改造进程，同时促进新型能源产业的飞速发展，将会给轴承行业的发展带来更大的机遇。因此，未来轴承行业将持续快速增长。
　　“十一五”末我国轴承年产量已达到150亿套，销售额达到1260亿元，已具有相当的规模。“十二五”期间，轴承行业的生产规模已经不是主要矛盾，发展的重点是大幅度提高产品质量和技术水平，实现由“量”到“质”的转变：一是积极探索高端轴承生产技术，提高重点领域主机配套轴承的市场占有率，向航空航天轴承、高速铁路客车轴承、风力发电机组轴承、精密机床主轴轴承、国家关注的高端制造产业高端产品配套轴承等领域市场进军；二是大力推广精品轴承生产工艺技术，为家电、汽车、摩托车、电机等行业提供低噪音、长寿命、高可靠性的主机配套轴承。
　　在方面，2010年8月11日，奥巴马总统签署了《美国制造业促进法案》，旨在重建一个更加强大的美国经济的核心，就是“美国制造”四个字。制造业促进法案是美国政府重振“美国制造”一揽子计划的一部分，包括大规模投资清洁能源、道路交通，改善宽带服务等，总投资达170亿美元。美国是当今世界制造业头号大国，也是我国轴承出口的大国，该法案的实施标志着新一轮大规模的产业升级拉开序幕，将对基础装备制造业产生深远的影响。轴承作为机械工业的重要机械基础零部件，也必将迎来新的发展机遇。
　　另外，轴承跨国公司SKF、Scheaffler、NSK、Timken、NTN、JTEKT、Nachi、NMB等本着降低成本和“零距离”接触市场的原则，瞄准中国近年制造业的飞速发展所带来的巨大商机，大规模向中国转移部分业务，纷纷在国内建立合资或独资生产工厂，仅2010年就有日本NTN公司与洛阳LYC轴承有限公司合资投入10亿元在洛阳建厂，产能规模将达到年产汽车轴承5000万套，实现销售收入6.5亿元人民币；其他还有日本JTEKT公司与瓦轴集团合资投入10亿元在大连建厂，日本NSK公司投资近7亿元在沈阳建立大型轴承生产基地，美国Timken公司与湘电集团投资近3亿元在湘潭建立铁姆肯湘电（湖南）轴承有限公司，SKF公司收购Peer在华主要业务和生产基地等，其产品均为高端轴承，意图迅速抢占领我国高端装备主机配套轴承产品市场，加剧了国内高端轴承市场的激烈竞争。
　　总的来说，“十二五”期间国内轴承生产和需求量会进一步增加，轴承行业产品将会进一步优化，在高端轴承和精品轴承制造方面加大技改力度，出现质和量同步增长的良好局面，高附加值轴承产品在轴承营业额中所占的比例，将会逐步增加。而外资轴承企业的大规模登陆，无疑会形成“鲶鱼效应”，促进国内轴承企业加速产品升级的进程，缩小与外资企业产品质量的差距，实现轴承行业的健康、快速发展。可喜的是，经过近几年的发展，国内已有二十多家轴承企业从产品设计入手，通过选择优质原材料、采用先进的成套制造装备、严格工艺纪律等技术手段，已经掌握了微小型精品轴承的批量生产技术，其产品精度及寿命可靠性有较大的提高，完全可以替代进口轴承。
　　三、轴承磨削机床的发展
　　轴承制造主要工艺过程包括套圈锻造、车削、热处理、磨削及轴承装配等工序。锻造、车削、热处理工序所用工艺设备通常为通用设备，而轴承套圈各个部位的磨削加工、滚动表面的超精研加工以及滚动体的加工是轴承生产过程中的关键工序，其质量直接影响产品的精度、动态性能及使用寿命。用于这些工序的加工设备约占整个轴承生产设备的40%以上，且以轴承专用设备为主，本文着重介绍这些工艺装备。
　　上世纪八十年代以前，我国轴承装备制造水平比较低，很难满足轴承行业的要求，很多轴承厂家依靠进口或自制专用机床进行生产。
　　进入九十年代后，通过引进消化吸收及大量的改进，轴承装备制造逐步实现专业化、批量化生产，诞生了一批专业化的轴承装备生产企业。其中轴承套圈精加工装备出现了基于PC控制的液压驱动自动化磨削、超精加工机床，使轴承套圈精加工生产初步实现自动化，加工效率有所提升，但是由于液压系统的自身的属性，决定了机床的进给平稳性、可控性较差，与当时先进水平相差甚远。钢球加工则瞄准当时钢球Z先进的质量水平，开始从钢球加工工艺的各个方面进行仔细的研究，推广钢球树脂砂轮磨研（以磨代研）新工艺，上海钢球厂、山东东阿钢球厂、江苏通用钢球滚子有限公司、上海伊泰科钢球有限公司等实现树脂砂轮磨研钢球大批量生产。河南新机研制出的3M77系列适合树脂砂轮磨研工艺的研磨机，使钢球批量质量稳定性大幅度提高，表面质量明显改善，钢球单粒振动进一步降低和轴承合套率明显提高，特别是在消除轴承异音方面效果明显。真正实现了G5级钢球稳定、批量的定制生产，使钢球几何精度达到先进水平。
　　进入本世纪以来，随着电子技术的快速发展，机械基础件与液压气动零件质量和可靠性的提高，我国轴承行业开始逐步采用数控化装备和自动化连线装备，轴承磨加工、超精加工装备基本实现数控化，自动化，产业集中度进一步提高。轴承磨超装备市场得到迅速发展，轴承磨超装备精度得到了迅速的提高，与国外同类设备相比，我国中小规格轴承套圈磨超加工设备的加工精度和效率接近国外设备，一些精度指标已达到或接近国外先进水平，但是在加工的稳定性方面与国外设备仍有差距。
　　现阶段，我国实际的轴承设备使用情况有一定的跨越性和层次性，即同时存在手动轴承生产设备、普通轴承生产设备、单机自动化、自动化生产线。在下一个阶段待轴承生产向精品轴承倾斜时，自动线将得到普及，可能存在的设备情况是单机自动化、自动化生产线、自动化工段和自动化工厂等。
　　1996年日本NSK轴承公司在江苏昆山投资建厂，成立昆山NSK轴承工厂，其典型代表生产线为小型深沟球轴承生产线，月生产能力50万套，该线共有12台磨加工和超精加工设备组成，并有两台机外检测仪器。其中内圈7台（两台内径磨床、三台内滚道磨床、两台内滚道超精机），外圈5台（三台外滚道磨床、两台外滚道超精机）。同时磨削液和超精油压力循环集中过滤。这种加长线（或称复线）使得轴承的生产节拍恰到好处，加之稳定的机床性能，高效的冷却液过滤系统，Z终确保生产轴承产品质量稳定，体现出当时较高的轴承生产方式。
　　目前国内大部分生产企业的深沟球轴承磨超短线基本上都是有5台设备组成，外圈两台（磨沟和超精）内圈三台（磨内径、磨内沟和超精）。期间的匹配节奏，生产效率都有较大的差距，部分机床的效能不能充分体现，造成产能的浪费，也使产品质量产生波动。针对这种情况，新乡日升数控轴承装备股份有限公司已经成功开发出数控复合轴承磨加工设备，采用同一台机床双工位实现粗、精磨削的方式，来解决该类自动生产线上外圈沟道和内径加工节奏相对较慢的问题，使整条自动生产线的各工序加工节奏更加协调一致。
　　同时，国内轴承装备制造企业也在不断探索长线（复线）组合技术，已有部分精品轴承的生产企业，采用与NSK公司类似的长线或复线生产。先后出现了9台机床、15台机床、21台机床、25台机床等组合形成的磨超自动生产线，其内圈内沟磨床、内径磨床、内沟超精机、机外检测机、外沟磨床、外沟超精机台数分别为1、2、2、1、2、1，2、3、3、2、3、2，3、4、4、3、4、3和4、5、5、3、5、3，其组线方式，已初具自动化生产工段的雏形，标志着我国轴承制造工艺水平又上了一个新台阶，已初步实现从自动化生产线向自动化生产工段过渡，反映出国产高档轴承装备的稳定性显著提高，与先进水平差距进一步缩小。
　　大规格轴承加工设备起步较晚，但也取得了良好的业绩，研制出一批高精度数控车床，数控磨床等关键加工设备。如新乡日升数控轴承装备股份有限公司研制成功φ2500mm的高精度立式车床，加工约φ2000mm的风电变桨轴承套圈滚道跳动（淬硬软带区除外）<0.004mm，粗糙度Ra0.4μm，尺寸差±0.005mm，达到精密磨削的加工效果；还有天津市第二机床有限公司、无锡市明鑫机床有限公司、杭州机床集团股份有限公司等生产的数控立式磨床，如无锡明鑫的φ1600mm数控立式磨床工作精度：端面平面度0.01mm，端面对内、外圆垂直度0.015mm，端面表面粗糙度Ra0.8μm，内、外圆圆度0.006mm，内、外圆表面粗糙度Ra0.4mm。这些设备的成功研制，打破了国外在该类高、精、尖设备方面的垄断局面，将有力的推动我国在大型、特大型精密、超精密轴承制造领域的快速发展，为国防工业、风力发电、工程机械、矿山设备、大型医疗设备等行业提供高端轴承产品，进一步优化我国轴承产业结构。
　　国内的钢球生产设备与水平已经相当接近，已经能够加工φ1mm~φ75mm尺寸段的全规格精密钢球产品，中小球精度可达G5~G3级。在替代进口设备方面取得了骄人的业绩，几乎全部实现国产化，已完全替代进口产品，且实现了批量出口，生产的钢球尺寸精度和振动及稳定性，与国外公司的产品质量相当。除了国内主要钢球生产企业以外，日本椿中岛、日本AKS、美国NN等公司在我国组建钢球厂，为世界著名的轴承公司提供钢球产品，其光、磨、研设备也基本上是采用我国内资企业生产的成套设备。近年来由于滚子轴承的精度、寿命要求越来越高，带有凸度的圆锥滚子、带有凸度的圆柱滚子、球面滚子的加工设备也有较大的发展，已能够批量加工Ⅱ级精度的滚子。
　　由于国内轴承磨削加工设备水平的提高，在中小型、中型及中大型轴承零件加工方面，围绕轴承典型零件套圈的平面、外径、“两沟一孔”和钢球、滚子精密加工，产生了一批专注型的轴承装备核心制造企业。例如无锡机床股份有限公司无心磨床产量较大，其中有50%左右的产品进入轴承行业，占据轴承行业50%以上的中高档无心磨床市场；新乡日升数控轴承装备股份有限公司占据着50%以上的中高档钢球制造设备和平面研磨机市场；而轴承套圈两“沟一孔”中高档数控磨超机床和自动化生产线市场份额的50%以上，则被新乡日升数控轴承装备股份有限公司、无锡机床股份有限公司、上海莱必泰数控机床股份有限公司、浙江新昌日发精密机械有限公司和濮阳贝英数控机械设备有限公司等所占据。
　　轴承磨削机床水平的提高，促进了轴承产品质量的提高。目前，白色家电、摩托车、电机等行业所用的低噪音、低振动轴承，国内产品已经完全达到水平，如不考虑国产品牌的认知度问题，国产轴承完全可以替代跨国公司的产品。截至2009年底，国内轴承行业已有近二十家达到了精品轴承的质量标准，而这些厂家无一例外的采用了上述企业生产的高档数控轴承磨削装备。
　　四、轴承磨削工艺装备的需求
　　1、轴承套圈磨削工艺装备
　　轴承产量的快速增加带动了轴承磨削工艺装备的快速发展，轴承行业的发展趋势为轴承工艺装备的发展指明方向。随着高端和精品轴承生产技术的不断推广、普及和人力成本的增加，技术先进、性能稳定、自动化程度高的数控轴承成套设备越来越受到青睐，Z具有代表性的就是轴承磨超自动化生产线，自国内开发成功以来，一直高速发展，尤其是进入本世纪以来，发展势头十分迅猛，市场供不应求。“十一五”期间，2006~2010年轴承产量年平均增速达到18%以上，轴承装备总体需求量的年均增速应在6%以上，其中中高档轴承装备需求增速，在全球金融危机爆发之后的两年，由于市场竞争的日趋激烈，加上工艺装备自动化水平、生产效率、技术水平的不断提高，中端产品逐步下移占领普通轴承市场，出现了超过低档轴承装备需求增速的现象，年均增长速度达到15%左右。
　　根据历年的《轴承行业经济年报》数据，结合代表企业磨削机床拥有量与轴承产量、重量之间关系的分析、测算，2005年全行业共生产轴承60亿套，轴承重量110万吨，磨削机床拥有量为8.21万台，其中微型轴承（外径<26mm）磨削机床（台式）拥有量为2.27万台，小型以上轴承（外径>28mm）磨削机床拥有量为5.94万台；在“十一”期间，轴承专用设备效率、技术水平大幅提高，加上轴承企业管理水平的提升，到2010年，轴承行业共生产轴承150亿套，轴承重量达到210万吨，磨削机床生产效率年均提升5%，磨削机床拥有量达到12.28万台，其中微型轴承磨削机床拥有量3.4万台，较2009年增加了0.59万台，小型轴承以上磨床较2009年增加1.06万台。到2015年，根据轴承行业“十二五”规划，轴承产量将达到280亿套，365万吨，轴承磨削机床拥有量将达到19.01万台，其中微型轴承磨削机床将达到5.11万台，五年将增加1.71万台，平均每年增加0.34万台；小型轴承以上磨床将达到13.9万台，五年将增加5.02万台，平均每年增加1万多台，中高瑞磨削机床将占到磨削机床总量的50%。
　　而轴承企业巨头SKF、Scheaffler、NSK、Timken、NTN、JTEKT、Nachi、NMB等则纷纷在我国投资建厂，且不断扩大规模，并推行本土化战略，就地生产，就地销售，其考虑到降低成本和国内轴承装备制造技术日益成熟，其中高档数控轴承设备也立足于本地化采购，按其投资力度及轴承行业固定资产投资中设备所占一般比例估算，将在下一阶段在华外资轴承企业将有不低于1000台的中高档轴承设备需求。
　　由于国内轴承加工设备水平的提高，在小型、中小型、中型及中大型轴承零件加工方面加工精度已接近或达到先进水平，价格只是同类进口产品的10%~20%；在配件供应和售后服务方面更是有先天的优势；的不足是受国内基础件的质量影响，产品的稳定性和精度保持性与国外高端产品还存在较大的差距，但可通过及时的售后服务和廉价的配件供应加以弥补。因此，出口份额也不断增加，预计今后5年，年出口量将达到150台以上。
　　综合来说，2010年，新增小型以上轴承套圈磨超设备约为10000台，其中中高档轴承设备的需求量达到5000台以上。而其中的轴承套圈前磨设备包括外圆无心磨床、双端面磨床、端面研磨机床等，按照轴承行业生产情况通常的匹配比例，轴承套圈前磨设备与后序磨超设备的比例一般在1:8左右，达到1250台左右。
　　2、轴承滚动体磨削工艺装备
　　国内的钢球生产设备供应客户群，除了国内主要钢球生产企业以外，还包括日本椿中岛、日本AKS、美国NN公司在我国组建的钢球厂，为世界著名的轴承公司提供钢球产品，因此，高档钢球设备的需求量也会随着轴承产量的增加而相应增加。据统计，“十一五”期间我国轴承产量年均增长20%以上，相应钢球需求量也将大幅提升。据中国轴承工业协会技术委员会滚动体专业委员会副主任兼秘书长张文乾在《我国钢球加工工艺设备的发展》一文中介绍，2009年国内新增中高档钢球设备1000余台套。“十二五”期间，我国轴承产量年均增长将在13%以上。考虑到钢球作为下游产品对轴承行业需求的滞后性，今后几年中高档钢球设备的新增幅度会略低于轴承产量的增幅，将达到1300台左右。随着汽车轮毂、变速箱、机床主轴、铁路客货车轴箱、矿山冶金设备等行业滚子轴承用量的不断扩大。我国每年将新增超过2亿套滚子轴承需使用高精度滚子，年需求增量超过20亿粒。按每台滚子磨削、超精研机床年产500万粒计算，每年新增中高档滚子加工设备将超过1000台。
　　3、中高档数控磨削工艺装备“十二五”展望
　　受我国轴承企业发展和跨国轴承公司向中国转移产能的双重影响，中高档数控轴承设备已出现供不应求的局面。预计未来5年内，中国轴承磨床年需求增长率约为10%左右，其中中高档轴承装备的需求量增速将达到20%以上，低档轴承装备将会负增长，中高档轴承装备供不应求的局面将持续相当长一段时间。
　　随着国家“十二五”重点发展战略性新兴产业规划的实施，将拉动我国高速铁路、工程机械、机床等行业的发展。这也在一定程度上会加快为其配套的轴承行业的发展。而国家倡导新能源的开发，使得我国风电行业取得了巨大进展，在未来，我国风电行业将继续健康稳定的发展，因此风电轴承将是我国轴承行业快速发展的支柱产品。从长期发展来看，航空航天、高精度数控机床轴承、中高档轿车轴承也有不错的前景，成为拉动中高档数控轴承装备需求的快速增长的几个重点行业。
　　五、结束语
　　经过数十年的发展，我国轴承行业有了长足的发展，经济规模稳居世界第三，产品质量也有了较大提高，作为基础产业，有力的支持了国民经济的快速发展。但是产业结构还需要进一步调整、优化，为我国成为世界轴承强国打下坚实基础。
　　在经过金融风暴的洗礼后，很多企业进行了深刻的反思，对未来的发展战略都做出了相应的调整，在从生产经营型企业逐步向综合服务型企业转化的观念上几乎达成了一致共识。
　　对装备制造企业而言，要以提高成套技术和自动化生产线供货能力为中心，努力培育系统的总成商、工程总承包商、整体技术解决方案和制造系统专家等。具体而言，就是要企业全面提升服务质量和范围，把服务渗透到各个环节中，包括在技术咨询、客户培训、物流工作、产品技术服务、协助客户进行二次开发、满足客户的个性化需求等方面。“十二五”期间，对于轴承装备制造企业来说，就是紧紧围绕这一形势背景，为轴承行业提供更为先进的中高档数控轴承套圈和滚动体制造成套工艺装备，成为我国轴承行业更加健康、快速发展的坚强后盾。