機(jī)床用高速主軸軸承技術(shù)

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1、機(jī)床用高速主軸軸承技術(shù)1高速主軸軸承發(fā)展情況為了適應(yīng)機(jī)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)o與此同時(shí)逐步開發(fā)出與之相適應(yīng)的潤(rùn)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(rùn)滑條件h*dmN值在50x104以下。開發(fā)出油氣潤(rùn)滑后，dmN值己達(dá)到100x104以上。此后在軸承方面又開發(fā)出了滾動(dòng)體為陶瓷的角接觸球軸承，實(shí)現(xiàn)了dmN值為200x10到90年代開發(fā)出噴射潤(rùn)滑后，dmN值可達(dá)到300x104o表1主軸用滾動(dòng)軸承特性

2、比較—圓錐滾了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(duì)或成組安裝角接觸球軸承承載能力徑向□□O△□軸向□一XX△一聯(lián)合OXX□□高速性能V□△O□高精度△□□OO低噪聲低力矩V□△O□剛性O(shè)□O△□備注2套對(duì)置使用N(NN)型和NU(NNU)型接觸角為C(15°C),AC(25°C),60°C,2套或2套以上組合使用ODAVX-一優(yōu)"劣不可單向雙向表2陶瓷材料(SisNj與軸承鋼(Gcr15)性能比較項(xiàng)目GCrl5SiN比耐熱性(°C)1808004.44密度(g/cm‘)7.83.20.41線膨脹系數(shù)(1/°

3、C)12.5X1063.2X10^0.26彈性模量(MPa)20.8X10'31.4X1041.52維氏硬度(HV)700?8001300?1800—泊松比0.30.260.87熱導(dǎo)率[W/(m?K)]4.9?50.229.3—耐蝕性不良良—磁性強(qiáng)磁非磁—導(dǎo)電性導(dǎo)電絕緣—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，接觸角越人軸向剛度越好，但因?yàn)榍蚺c滾道Z間的陀螺滑動(dòng)和自旋滑動(dòng)也大，因此發(fā)熱也會(huì)增加。為了提高速度性能,

4、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(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的內(nèi)部載荷，同時(shí)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(dòng)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Z作為高速主軸軸承材料，陶瓷(Si3N4)有以下優(yōu)點(diǎn)：?重量輕。由于密度比軸承鋼小，高速旋轉(zhuǎn)時(shí)滾動(dòng)體產(chǎn)牛?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。?良好的導(dǎo)熱性使陶瓷材料的滾動(dòng)體在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)不易與金屬產(chǎn)生粘著。在潤(rùn)滑條件較好的情況下耐燒傷。?熱膨脹小。滾動(dòng)體與

5、內(nèi)圈接觸吋不易發(fā)生預(yù)緊力增加而導(dǎo)致游隙減小，出現(xiàn)燒傷。?由于硬度高、剛性好，軸承的變形小，主軸的剛性也得到捉高。因此，綜上所述，采用陶瓷材料(Si3N4)作為滾動(dòng)體，與軸承鋼滾動(dòng)體札I比速度可提高約25%?35%,壽命可提高約3倍。3)新熨混合角接觸球軸承在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，內(nèi)圈由于離心力而產(chǎn)生膨脹，與滾動(dòng)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(duì)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%,M而能進(jìn)一步控制軸承在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)因內(nèi)圈膨脹而造成的預(yù)載荷增加。在潤(rùn)滑條件充分

6、，固定預(yù)載荷SdmN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冇資料介紹，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?yàn)閮?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?yàn)樘沾傻妮S承達(dá)到更高轉(zhuǎn)速。但是，正是由于高速旋轉(zhuǎn)時(shí)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(rùn)滑主軸軸承的高速化發(fā)展趨勢(shì)對(duì)潤(rùn)滑提出了更高的要求。傳統(tǒng)dmN值在50x104以下的脂潤(rùn)滑，由于使用簡(jiǎn)單

7、、經(jīng)濟(jì)而得到廣泛應(yīng)用，而R無需特別維護(hù)，也無需后續(xù)補(bǔ)充，大多數(shù)為終身潤(rùn)滑。隨轉(zhuǎn)速提高，dmN值達(dá)100x104以上時(shí)采用油氣和油霧潤(rùn)滑，與脂潤(rùn)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(rùn)滑方法。而噴射潤(rùn)滑雖然dmN值可達(dá)到250x104,但需要人量潤(rùn)滑油，因攪拌阻力使動(dòng)力損失較大，而且需要較復(fù)雜的附屬設(shè)備，成木較高，所以一般不使用這種潤(rùn)滑方式。從第18屆東京（1996年）和第19屆大阪（1998年）國(guó)際機(jī)床陳覽會(huì)展出的機(jī)床看，采用陶瓷滾動(dòng)體、油氣和油霧潤(rùn)滑方式大功率電主軸的數(shù)控機(jī)床和加工中心已占整個(gè)參展機(jī)床的8

8、5%左右。4結(jié)束語對(duì)于高效加工機(jī)床，提高主軸軸承的速度是實(shí)現(xiàn)高速實(shí)用主軸的關(guān)鍵。隨著高速化的發(fā)展，滾動(dòng)體采用陶瓷材料，dmN值在200x104左右，脂潤(rùn)滑條件下dmN值100x104左右的數(shù)控加工中心正在H益增加，已成為一種發(fā)展趨勢(shì)，采用汕氣和汕霧潤(rùn)滑方式也將成為今后高速機(jī)床主軸軸承潤(rùn)滑的發(fā)展方向