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機床主軸與軸承
時間:2018-11-24
近年來,機床主軸的性能進一步向高轉速、高精度、高剛度方向發展。在滿足這些要求的同時,還必須有利于環境保護并重視全球變暖等環保問題。

設計的特別之處

余炯先生:NSK的軸承設計以摩擦學為核心,依靠摩擦學的四大核心技術(解析技術、評價技術、潤滑技術以及材料技術)。對于機床主軸軸承的設計更是如此,首先,NSK利用其最新技術開發出了長壽命、高性能的軸承材料。其次,對于滾動體的設計,我們開發了在高速和超高速的環境下,各方面性能優越的陶瓷材料,有效地實現了金屬滾動體所達不到的超高速、超高精度的旋轉要求,贏得了廣大用戶的好評。另外,NSK開發設計了獨特結構形狀的滾動體引導的樹脂保持架,具有潤滑脂磨合時間短,溫升穩定,低摩擦低噪聲,特別是在脂潤滑的條件下能發揮更好的效果,而對于與精密圓柱滾子軸承,更是應用了超高性能的PPS和PEEK樹脂材料,具有更優越的高速性和耐熱性。

陳士瑋先生:主軸軸承的徑向跳動、端面跳動、滾動體直徑不一致等形位誤差會嚴重影響主軸系統及其加工件的精度,因此用于精密機床主軸上的軸承精度應為P5及其以上級,而對于數控機床、加工中心等高速、高精密機床的主軸支承,則需選用P4及其以上級超精密軸承。

主軸軸承的高速適應性也特別重要,特別是為了滿足加工速度不斷提升的要求,包括電主軸在內的高速主軸的開發和不斷改進,對主軸軸承的高速適應性的要求越來越高。如果軸承的高速適應性不好,主軸系統的溫升會很嚴重,甚至會燒死失效。

葉軍先生:作為關鍵基礎件,機床主軸軸承是機床加工精度指標保證的基石。隨著現代機床向高精、高速、高可靠性方向發展,對主軸軸承提出了更高的要求。如在傳統機械或一般機械中,轉速主要在幾百轉到幾千轉/分鐘,而現代高速加工機床,主軸速度要求達到幾萬轉到十幾萬轉/分鐘。在軸承行業內,用dmN值表示高速性能,它是直徑與轉速的乘積,機床主軸的指標一般在200萬以內,最高的達400萬,要求非常高。因此,對軸承的設計提出了全新的要求,以角接觸球軸承為例,從材料的選擇、結構的設計、引導方式、潤滑方式設計、溝曲率系數選擇等方面都需要針對主軸的要求進行分析、研究。

對于材料的研究

葉軍先生:由于機床主軸軸承高精度、高速、高可靠性要求,在材料上有一些特殊要求,套圈材料多選用優質精煉鋼,國外有特殊專用鋼。保持架材料有銅、塑料、專用自潤滑材料。滾動體有軸承鋼、陶瓷材料。

作為一種新材料,陶瓷材料在滾動軸承中的應用開辟了軸承材料的新天地。陶瓷材料的應用突破了傳統鋼軸承的許多應用極限,如高速性、耐磨性、絕緣性、耐溫性。常用的氮化硅陶瓷比重僅僅是鋼的1/3多,因此在高速下引起的滾動體對套圈的應力水平大大降低,同尺寸的軸承極限轉速大幅提升;氮化硅陶瓷的硬度達1500HV,是軸承鋼的一倍,耐高溫達1200℃是軸承鋼的6倍,這些無疑擴展了傳統鋼制軸承的使用范圍。因此,可以說,陶瓷材料的應用是滾動軸承材料的一次革命,陶瓷材料軸承是面向21世紀的最具發展前景的新材料軸承。

陳士瑋先生:對于一般的機床主軸,主軸軸承的材料沒有特殊的要求。但伴隨著數控機床主軸向高速化發展,主軸軸承的運轉速度要求越來越高,其對材料的要求也越來越高。目前,陶瓷材料(主要指Si3N4工程陶瓷)已成為制造高速精密軸承的理想材料。與軸承鋼相比,陶瓷材料具有下列優勢:1)密度小。可實現軸承的輕量化和高速化。2)剛性高。受力后的彈性變形小,相對載荷的剛性高,大約可提高剛度15%~20%,從而減輕了機床的振動。3)熱膨脹系數小。陶瓷軸承隨溫度變化的尺寸變化量小,且產生的熱預載較低,從而避免了過多的熱量聚集成疲勞剝落失效。4)摩擦系數小。工作時產生的熱量較小,大大降低了混合軸承中材料和潤滑劑的應力。

陶瓷軸承已得到越來越廣泛的應用,不過由于陶瓷材料的難加工性,精密陶瓷軸承多為滾動體是陶瓷、內外套圈仍由軸承鋼制造的混合陶瓷球軸承。

余炯先生:伴隨著數控機床主軸向高速化發展,對主軸軸承提出了高速、高剛度、低溫升、長壽命的要求。而陶瓷材料(主要指Si3N4工程陶瓷)因具有密度小、彈性模量高、熱膨脹系數小、耐磨、耐高溫、耐腐蝕等優良性能,從而成為制造高速精密軸承的理想材料。

具體來說,與鋼球軸承相比,首先陶瓷的重量比鋼球輕40%,所以作用于滾動體的離心力影響小,發熱低;其次由于線膨脹系數低,高速旋轉時隨著軸承溫度上升引起的預緊力相比鋼球較低,發熱低;另外其耐燒傷性能更強、剛度更高,可以實現更高精度的切削加工。

除了陶瓷滾動體之外,NSK通過潛心研究剛才長壽命化技術,開發出長壽命、高性能的主軸軸承材料。他們分別是:超高速回轉環境下耐用的SHX材,高負荷環境下高可靠性的EP鋼,各種一般環境下實現長壽命化的Z鋼。

極高導向精度和轉速的實現

陳士瑋先生:針對主軸軸承要滿足極高導向精度和轉速的技術要求,FAG公司的解決方案主要體現在選用新的材料、產品設計優化、保證和提高機械加工質量等幾個方面。

通過不斷的理論分析、試驗以及應用反饋,不斷地優化主軸軸承的內部參數,包括設計出如TX保持架。保持架的接觸點對提高轉速極為重要,這種TX保持架設計和潤滑劑的流動使得FAG TX主軸軸承在高速運轉時溫升減小10%,同時,這種新的軸承系列在相同的邊界條件下可使轉速最高提升10%。

此外,電主軸中由于溫度場梯度較大,兩個軸承的溫度不同,從而導致運轉過程中每個軸承的軸向和徑向承載不均,這些不均的載荷影響軸承的剛度和串聯布置軸承組的使用壽命。FAG為電主軸選配的串聯軸承組可大大減少這些問題。

葉軍先生:軸研科技可以提供機床主軸軸承P4~P2級需求的全套解決方案。為了滿足主軸軸承的高精度、高轉速,公司開發了高速塑料保特架材料、陶瓷材料滾動體、高精密軸承組配技術和萬能配對技術,公司開發的精密機床主軸軸承榮獲國家高新技術產品,“機床主軸軸承制造技術及應用技術”榮獲省部級獎勵,“高速軸承塑料保持架材料的研究”榮獲國家級獎勵。

磨損和發熱問題的解決

余炯先生:具體來說,NSK開發了具有機械強度更高長壽命的高性能鋼材以及高精度高速性能優越的陶瓷滾動體,非常有效地解決了軸承運轉時磨損和發熱的問題。此外我們對保持架的結構和材料的改進,使得保持架對油脂的劣化影響小、潤滑更充分、耐熱性更好。

同時,為了既能有效地保證軸承運轉時的潤滑條件,又可以盡量減少甚至防止灰塵的混入,解決磨損和發熱的問題,NSK對軸承、潤滑方法不斷進行改進和設計,并率先實現了油氣潤滑方法,并逐漸被廣大用戶采用,獲得了廣泛地認可。近年來,隨著環保時代的來臨,NSK又開發出了高速主軸用潤滑脂補給系統,向高速運轉的軸承進行間歇性地補給微量的潤滑脂,同時利用最佳形狀的隔圈將使用過的潤滑脂排到軸承座內設置的貯藏槽內,在世界上首次實現了高速領域的潤滑脂潤滑,同時還實現了長壽命,低溫升。


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