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機床用高速主軸軸承技術

時間:2011-02-27 10:21:55 來源:

1 高速主軸軸承發展情況

為了適應機床主軸的高速要求，一般多使用剛性和高速性能優良的角接觸球軸承，其次使用圓柱滾子軸承(見表1)。

表1 主軸用滾動軸承特性比較
  圓錐滾子軸承 單列圓柱滾子軸承 雙列圓柱滾子軸承 角接觸球軸承 成對或成組安裝角接觸球軸承
承載能力 徑向 □ □ ○ △ □
軸向 □← ☓ ☓ △← △→
聯合 ○ ☓ ☓ □ □
高速性能 ▽ □ △ ○ □
高精度 △ □ □ ○ ○
低噪聲
低力矩		 ▽ □ △ ○ □
剛性 ○ □ ○ △ □
備注 2套對置使用 N(NN)型和NU(NNU)型 接觸角為C(15℃)，AC(25℃)，60℃，2套或2套以上組合使用
○□△▽ ☓ ← ↔
優↔劣 不可 單向 雙向

表2 陶瓷材料(Si3N4)與軸承鋼(Gcr15)性能比較
項目 GCr15 Si3N4 比
耐熱性(℃) 180 800 4.44
密度(g/cm3) 7.8 3.2 0.41
線膨脹系數(1/℃) 12.5×10-6 3.2×10-6 0.26
彈性模量(MPa) 20.8×104 31.4×104 1.52
維氏硬度(HV) 700～800 1300～1800  
泊松比 0.3 0.26 0.87
熱導率[W/(m·K)] 4.9～50.2 29.3 —
耐蝕性 不良 良 —
磁性 強磁 非磁 —
導電性 導電 絕緣 —

與此同時逐步開發出與之相適應的潤滑系統。從表述主軸軸承高速性能的dmN值(dm為軸承節圓直徑mm，N為轉速r/min)來看，脂潤滑條件下dmN值在50×104 以下。開發出油氣潤滑后，dmN值已達到100×104以上。此后在軸承方面又開發出了滾動體為陶瓷的角接觸球軸承，實現了dmN值為200×104。到90年代開發出噴射潤滑后，dmN值可達到300×104。

2 高速主軸軸承技術

  1. 高速角接觸球軸承
    從表1可以看出圓錐滾子軸承，單列、雙列圓柱滾子軸承在高速性能方面均劣于角接觸球軸承。角接觸軸承是具有接觸角的軸承，接觸角越大軸向剛度越好，但因為球與滾道之間的陀螺滑動和自旋滑動也大，因此發熱也會增加。為了提高速度性能，方法是減小球的大小(或質量)，改變溝道的曲率系數，以減小球的離心力，降低高速運轉時產生的內部載荷，同時增加球的數量以提高剛性。
  2. 陶瓷球角接觸球軸承
    為了減少球質量以提高速度，推出了僅滾動體系用氮化硅(Si3N4)陶瓷的混合型陶瓷球軸承，其性能比較見表2。
    作為高速主軸軸承材料，陶瓷(Si3N4)有以下優點：
    1. 重量輕。由于密度比軸承鋼小，高速旋轉時滾動體產生的離心力小，旋轉力矩可以減小，因此可以降低溫升，提高壽命。
    2. 良好的導熱性使陶瓷材料的滾動體在高速運轉時不易與金屬產生粘著。在潤滑條件較好的情況下耐燒傷。
    3. 熱膨脹小。滾動體與內圈接觸時不易發生預緊力增加而導致游隙減小，出現燒傷。
    4. 由于硬度高、剛性好，軸承的變形小，主軸的剛性也得到提高。
    因此，綜上所述，采用陶瓷材料(Si3N4)作為滾動體，與軸承鋼滾動體相比速度可提高約25%～35%，壽命可提高約3倍。
  3. 新型混合角接觸球軸承
    在高速旋轉時，內圈由于離心力而產生膨脹，與滾動體接觸應力變大，使內部預載荷增加、游隙變小、發熱增加。針對此問題，最近開發出內圈為不銹鋼的新型混合陶瓷球軸承。由于不銹鋼的線膨脹系數比軸承鋼小20%，因而能進一步控制軸承在高速旋轉時因內圈膨脹而造成的預載荷增加。在潤滑條件充分，固定預載荷下 dmN值可提高1.2倍。
  4. 內圈為陶瓷的混合角接觸球軸承
    近來有資料介紹，在定位預載緊的情況下，內圈也使用陶瓷材料的混合型角接觸球軸承。因為內圈也使用陶瓷材料，軸承內徑或滾道離心膨脹小，預緊的增加也較小，加之剛性好，球和滾道的接觸面積小，所以發熱和膨脹也較小，可以比僅球為陶瓷的軸承達到更高轉速。但是，正是由于高速旋轉時離心和膨脹小，它與金屬制主軸之間的配合應力如果過大就可能產生破壞甚至碎裂。

3 高速化主軸軸承的潤滑

主軸軸承的高速化發展趨勢對潤滑提出了更高的要求。傳統dmN值在50×104 以下的脂潤滑，由于使用簡單、經濟而得到廣泛應用，而且無需特別維護，也無需后續補充，大多數為終身潤滑。隨轉速提高，dmN值達100×104 以上時采用油氣和油霧潤滑，與脂潤滑相比，溫度上升小，能夠以更高速度旋轉，因而成為主要的潤滑方法。而噴射潤滑雖然dmN值可達到250×104，但需要大量潤滑油，因攪拌阻力使動力損失較大，而且需要較復雜的附屬設備，成本較高，所以一般不使用這種潤滑方式。
從第18屆東京(1996年)和第19屆大阪(1998年)國際機床博覽會展出的機床看，采用陶瓷滾動體、油氣和油霧潤滑方式大功率電主軸的數控機床和加工中心已占整個參展機床的85%左右。

4 結束語

對于高效加工機床，提高主軸軸承的速度是實現高速實用主軸的關鍵。隨著高速化的發展，滾動體采用陶瓷材料，dmN值在200×104 左右，脂潤滑條件下dmN值100×104 左右的數控加工中心正在日益增加，已成為一種發展趨勢，采用油氣和油霧潤滑方式也將成為今后高速機床主軸軸承潤滑的發展方向。