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機床用高速主軸軸承技術(shù)

時間:2011-02-27 10:21:55 來源:

1 高速主軸軸承發(fā)展情況

為了適應(yīng)機床主軸的高速要求，一般多使用剛性和高速性能優(yōu)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(lián)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(yōu)↔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(shù)(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(dǎo)率[W/(m·K)] 4.9～50.2 29.3 —
耐蝕性 不良 良 —
磁性 強磁 非磁 —
導(dǎo)電性 導(dǎo)電 絕緣 —

與此同時逐步開發(fā)出與之相適應(yīng)的潤滑系統(tǒng)。從表述主軸軸承高速性能的dmN值(dm為軸承節(jié)圓直徑mm，N為轉(zhuǎn)速r/min)來看，脂潤滑條件下dmN值在50×104 以下。開發(fā)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(fā)出了滾動體為陶瓷的角接觸球軸承，實現(xiàn)了dmN值為200×104。到90年代開發(fā)出噴射潤滑后，dmN值可達到300×104。

2 高速主軸軸承技術(shù)

  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(fā)熱也會增加。為了提高速度性能，方法是減小球的大小(或質(zhì)量)，改變溝道的曲率系數(shù)，以減小球的離心力，降低高速運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的內(nèi)部載荷，同時增加球的數(shù)量以提高剛性。
  2. 陶瓷球角接觸球軸承
    為了減少球質(zhì)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(yōu)點：
    1. 重量輕。由于密度比軸承鋼小，高速旋轉(zhuǎn)時滾動體產(chǎn)生的離心力小，旋轉(zhuǎn)力矩可以減小，因此可以降低溫升，提高壽命。
    2. 良好的導(dǎo)熱性使陶瓷材料的滾動體在高速運轉(zhuǎn)時不易與金屬產(chǎn)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(nèi)圈接觸時不易發(fā)生預(yù)緊力增加而導(dǎo)致游隙減小，出現(xiàn)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(zhuǎn)時，內(nèi)圈由于離心力而產(chǎn)生膨脹，與滾動體接觸應(yīng)力變大，使內(nèi)部預(yù)載荷增加、游隙變小、發(fā)熱增加。針對此問題，最近開發(fā)出內(nèi)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(shù)比軸承鋼小20%，因而能進一步控制軸承在高速旋轉(zhuǎn)時因內(nèi)圈膨脹而造成的預(yù)載荷增加。在潤滑條件充分，固定預(yù)載荷下 dmN值可提高1.2倍。
  4. 內(nèi)圈為陶瓷的混合角接觸球軸承
    近來有資料介紹，在定位預(yù)載緊的情況下，內(nèi)圈也使用陶瓷材料的混合型角接觸球軸承。因為內(nèi)圈也使用陶瓷材料，軸承內(nèi)徑或滾道離心膨脹小，預(yù)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(fā)熱和膨脹也較小，可以比僅球為陶瓷的軸承達到更高轉(zhuǎn)速。但是，正是由于高速旋轉(zhuǎn)時離心和膨脹小，它與金屬制主軸之間的配合應(yīng)力如果過大就可能產(chǎn)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(fā)展趨勢對潤滑提出了更高的要求。傳統(tǒng)dmN值在50×104 以下的脂潤滑，由于使用簡單、經(jīng)濟而得到廣泛應(yīng)用，而且無需特別維護，也無需后續(xù)補充，大多數(shù)為終身潤滑。隨轉(zhuǎn)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(zhuǎn)，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(fù)雜的附屬設(shè)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(shù)控機床和加工中心已占整個參展機床的85%左右。

4 結(jié)束語

對于高效加工機床，提高主軸軸承的速度是實現(xiàn)高速實用主軸的關(guān)鍵。隨著高速化的發(fā)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(shù)控加工中心正在日益增加，已成為一種發(fā)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(fā)展方向。