機床主軸與軸承
時(shí)間：2018-11-24
近年來(lái)，機床主軸的性能進(jìn)一步向高轉速、高精度、高剛度方向發(fā)展。在滿(mǎn)足這些要求的同時(shí)，還必須有利于環(huán)境保護并重視全球變暖等環(huán)保問(wèn)題。
設計的特別之處
余炯先生：NSK的軸承設計以摩擦學(xué)為核心，依靠摩擦學(xué)的四大核心技術(shù)(解析技術(shù)、評價(jià)技術(shù)、潤滑技術(shù)以及材料技術(shù))。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(shù)開(kāi)發(fā)出了長(cháng)壽命、高性能的軸承材料。其次，對于滾動(dòng)體的設計，我們開(kāi)發(fā)了在高速和超高速的環(huán)境下，各方面性能優(yōu)越的陶瓷材料，有效地實(shí)現了金屬滾動(dòng)體所達不到的超高速、超高精度的旋轉要求，贏(yíng)得了廣大用戶(hù)的好評。另外，NSK開(kāi)發(fā)設計了獨特結構形狀的滾動(dòng)體引導的樹(shù)脂保持架，具有潤滑脂磨合時(shí)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(fā)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(shù)脂材料，具有更優(yōu)越的高速性和耐熱性。
陳士瑋先生：主軸軸承的徑向跳動(dòng)、端面跳動(dòng)、滾動(dòng)體直徑不一致等形位誤差會(huì )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(mǎn)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(kāi)發(fā)和不斷改進(jìn)，對主軸軸承的高速適應性的要求越來(lái)越高。如果軸承的高速適應性不好，主軸系統的溫升會(huì )很?chē)乐?，甚至?huì )燒死失效。
葉軍先生：作為關(guān)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(zhù)現代機床向高精、高速、高可靠性方向發(fā)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(wàn)轉到十幾萬(wàn)轉/分鐘。在軸承行業(yè)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(wàn)以?xún)?，最高的達400萬(wàn)，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(jìn)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(yōu)質(zhì)精煉鋼，國外有特殊專(zhuān)用鋼。保持架材料有銅、塑料、專(zhuān)用自潤滑材料。滾動(dòng)體有軸承鋼、陶瓷材料。
作為一種新材料，陶瓷材料在滾動(dòng)軸承中的應用開(kāi)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(dòng)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(wú)疑擴展了傳統鋼制軸承的使用范圍。因此，可以說(shuō)，陶瓷材料的應用是滾動(dòng)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(fā)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(méi)有特殊的要求。但伴隨著(zhù)數控機床主軸向高速化發(fā)展，主軸軸承的運轉速度要求越來(lái)越高，其對材料的要求也越來(lái)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(yōu)勢：1)密度小?？蓪?shí)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(dòng)。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(chǎn)生的熱預載較低，從而避免了過(guò)多的熱量聚集成疲勞剝落失效。4)摩擦系數小。工作時(shí)產(chǎn)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(lái)越廣泛的應用，不過(guò)由于陶瓷材料的難加工性，精密陶瓷軸承多為滾動(dòng)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(zhù)數控機床主軸向高速化發(fā)展，對主軸軸承提出了高速、高剛度、低溫升、長(cháng)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(yōu)良性能，從而成為制造高速精密軸承的理想材料。
具體來(lái)說(shuō)，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(dòng)體的離心力影響小，發(fā)熱低；其次由于線(xiàn)膨脹系數低，高速旋轉時(shí)隨著(zhù)軸承溫度上升引起的預緊力相比鋼球較低，發(fā)熱低；另外其耐燒傷性能更強、剛度更高，可以實(shí)現更高精度的切削加工。
除了陶瓷滾動(dòng)體之外，NSK通過(guò)潛心研究剛才長(cháng)壽命化技術(shù)，開(kāi)發(fā)出長(cháng)壽命、高性能的主軸軸承材料。他們分別是：超高速回轉環(huán)境下耐用的SHX材，高負荷環(huán)境下高可靠性的EP鋼，各種一般環(huán)境下實(shí)現長(cháng)壽命化的Z鋼。
極高導向精度和轉速的實(shí)現
陳士瑋先生：針對主軸軸承要滿(mǎn)足極高導向精度和轉速的技術(shù)要求，FAG公司的解決方案主要體現在選用新的材料、產(chǎn)品設計優(yōu)化、保證和提高機械加工質(zhì)量等幾個(gè)方面。
通過(guò)不斷的理論分析、試驗以及應用反饋，不斷地優(yōu)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(diǎn)對提高轉速極為重要，這種TX保持架設計和潤滑劑的流動(dòng)使得FAG TX主軸軸承在高速運轉時(shí)溫升減小10%，同時(shí)，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(chǎng)梯度較大，兩個(gè)軸承的溫度不同，從而導致運轉過(guò)程中每個(gè)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(lián)布置軸承組的使用壽命。FAG為電主軸選配的串聯(lián)軸承組可大大減少這些問(wèn)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(mǎn)足主軸軸承的高精度、高轉速，公司開(kāi)發(fā)了高速塑料保特架材料、陶瓷材料滾動(dòng)體、高精密軸承組配技術(shù)和萬(wàn)能配對技術(shù)，公司開(kāi)發(fā)的精密機床主軸軸承榮獲國家高新技術(shù)產(chǎn)品，“機床主軸軸承制造技術(shù)及應用技術(shù)”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(fā)熱問(wèn)題的解決
余炯先生：具體來(lái)說(shuō)，NSK開(kāi)發(fā)了具有機械強度更高長(cháng)壽命的高性能鋼材以及高精度高速性能優(yōu)越的陶瓷滾動(dòng)體，非常有效地解決了軸承運轉時(shí)磨損和發(fā)熱的問(wèn)題。此外我們對保持架的結構和材料的改進(jìn)，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(shí)，為了既能有效地保證軸承運轉時(shí)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(fā)熱的問(wèn)題，NSK對軸承、潤滑方法不斷進(jìn)行改進(jìn)和設計，并率先實(shí)現了油氣潤滑方法，并逐漸被廣大用戶(hù)采用，獲得了廣泛地認可。近年來(lái)，隨著(zhù)環(huán)保時(shí)代的來(lái)臨，NSK又開(kāi)發(fā)出了高速主軸用潤滑脂補給系統，向高速運轉的軸承進(jìn)行間歇性地補給微量的潤滑脂，同時(shí)利用最佳形狀的隔圈將使用過(guò)的潤滑脂排到軸承座內設置的貯藏槽內，在世界上首次實(shí)現了高速領(lǐng)域的潤滑脂潤滑，同時(shí)還實(shí)現了長(cháng)壽命，低溫升。
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