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(zhuǎn)速、高精度、高剛度方向發(fā)展。在滿足這些要求的同時，還必須有利于環(huán)境保護并重視全球變暖等環(huán)保問題。
設(shè)計的特別之處
余炯先生：NSK的軸承設(shè)計以摩擦學為核心，依靠摩擦學的四大核心技術(shù)(解析技術(shù)、評價技術(shù)、潤滑技術(shù)以及材料技術(shù))。對于機床主軸軸承的設(shè)計更是如此，首先，NSK利用其最新技術(shù)開發(fā)出了長壽命、高性能的軸承材料。其次，對于滾動體的設(shè)計，我們開發(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，有效地實現(xiàn)了金屬滾動體所達不到的超高速、超高精度的旋轉(zhuǎn)要求，贏得了廣大用戶的好評。另外，NSK開發(fā)設(shè)計了獨特結(jié)構(gòu)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(wěn)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、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(tǒng)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(shù)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(nèi)的高速主軸的開發(fā)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(tǒng)的溫升會很嚴重，甚至會燒死失效。
葉軍先生：作為關(guān)鍵基礎(chǔ)件，機床主軸軸承是機床加工精度指標保證的基石。隨著現(xiàn)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(tǒng)機械或一般機械中，轉(zhuǎn)速主要在幾百轉(zhuǎn)到幾千轉(zhuǎn)/分鐘，而現(xiàn)代高速加工機床，主軸速度要求達到幾萬轉(zhuǎn)到十幾萬轉(zhuǎn)/分鐘。在軸承行業(yè)內(nèi)，用dmN值表示高速性能，它是直徑與轉(zhuǎn)速的乘積，機床主軸的指標一般在200萬以內(nèi)，最高的達400萬，要求非常高。因此，對軸承的設(shè)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(jié)構(gòu)的設(shè)計、引導方式、潤滑方式設(shè)計、溝曲率系數(shù)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(yōu)質(zhì)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(tǒng)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(zhuǎn)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(tǒng)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(fā)展前景的新材料軸承。
陳士瑋先生：對于一般的機床主軸，主軸軸承的材料沒有特殊的要求。但伴隨著數(shù)控機床主軸向高速化發(fā)展，主軸軸承的運轉(zhuǎn)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(yōu)勢：1)密度小。可實現(xiàn)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(shù)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，從而避免了過多的熱量聚集成疲勞剝落失效。4)摩擦系數(shù)小。工作時產(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(nèi)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(shù)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(shù)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(fā)熱低；其次由于線膨脹系數(shù)低，高速旋轉(zhuǎn)時隨著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，可以實現(xiàn)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(shù)，開發(fā)出長壽命、高性能的主軸軸承材料。他們分別是：超高速回轉(zhuǎn)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)境下實現(xiàn)長壽命化的Z鋼。
極高導向精度和轉(zhuǎn)速的實現(xiàn)
陳士瑋先生：針對主軸軸承要滿足極高導向精度和轉(zhuǎn)速的技術(shù)要求，F(xiàn)AG公司的解決方案主要體現(xiàn)在選用新的材料、產(chǎn)品設(shè)計優(yōu)化、保證和提高機械加工質(zhì)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(yōu)化主軸軸承的內(nèi)部參數(shù)，包括設(shè)計出如TX保持架。保持架的接觸點對提高轉(zhuǎn)速極為重要，這種TX保持架設(shè)計和潤滑劑的流動使得FAG TX主軸軸承在高速運轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(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(zhuǎn)速，公司開發(fā)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(shù)和萬能配對技術(shù)，公司開發(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)熱問題的解決
余炯先生：具體來說，NSK開發(fā)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(yōu)越的陶瓷滾動體，非常有效地解決了軸承運轉(zhuǎn)時磨損和發(fā)熱的問題。此外我們對保持架的結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(fā)熱的問題，NSK對軸承、潤滑方法不斷進行改進和設(shè)計，并率先實現(xiàn)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(huán)保時代的來臨，NSK又開發(fā)出了高速主軸用潤滑脂補給系統(tǒng)，向高速運轉(zhuǎn)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(nèi)設(shè)置的貯藏槽內(nèi)，在世界上首次實現(xiàn)了高速領(lǐng)域的潤滑脂潤滑，同時還實現(xiàn)了長壽命，低溫升。
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