1 轴承的类型及安装
1.1 轴承的类型
钢质滚动轴承能提供的刚度不及陶瓷轴承高, 而且陶瓷轴承能减少热膨胀带来的危险。在钢质轴承滚道表层上涂层材料, 并进行低温退火处理。能够很好的增加轴承的硬度, 减少轴承的磨损。与滚子轴承相比, 空气轴承等非接触式轴承在高温下温度升高的速度比较慢, 但低阶固有频率比较低, 非稳定性范围较大, 转速对动态非稳定性的影响非常强烈。当空气轴承的主轴系统中存在有裂纹时, 系统的非稳定性区域会加大, 若裂纹深度加剧, 系统的固有频率会降低, 对高阶频率而言就更如此, 空气压力、裂纹位置都会严重影响空气主轴的动态非稳定性。
1.2 轴承的安装
机床主轴系统的轴承装配可以区分为正装和反装两种, 正装比反装具有更高的第一阶固有频率、更高的系统刚度和更小的变形量;主轴是由三个轴承支撑的, 其基频周围会有变频成分, 变频的跨度受轴承的配置的影响, 这种响应类型在两个或四个轴承支撑的主轴系统中是看不到的, 且主轴在穿过轴线的两个相垂直平面上的摆动通过陀螺想咬合在一起。该咬合项对主轴动态特性的影响比由两个或四个轴承支撑的主轴系统更明显。
主轴系统中, 结合面经常会影响到切削加工的性能, 特别是主轴与刀具的结合面, 在很多情况下, 很有可能会成为机床切削系统中最容易出现问题的环节。磨床主轴与磨轮之间的螺栓预紧力和圆锥预紧力对系统动态特性的影响力非常明显, 对主轴固有频率最大的改变约为60%, 针对于不同型号的磨床主轴组建、圆锥结合力对其模态的影响同型号的磨床主轴组件、锥结合力对其模态的影响是不一样的;主轴系统拉杆力的增加会提高结合面的刚度, 同时也会减小其阻尼, 而增大的拉杆力是否对提高主轴振动的稳定性有好处, 是由结合面刚度的增加是否超过阻尼的减小来决定的。主轴系统的刚度也随轴承与轴套内圈过盈量的增加而增加, 增大装配公差, 轴承刚度会比原来提高2倍;如果主轴与轴套配合的两边过盈量取值不同, 可设计成阶梯过盈配合, 这时轴套将会承受加大的应力应变, 主轴承受的应力则相对比较小。
2 机床轴承的新技术
作为关键基础件, 机床主轴轴承是机床加工精度指标保证的基石。随着现代机床向高精、高速、高可靠性方向发展, 因此高精度及高刚度也成为机床轴承新技术发展的更高要求。
2.1 高精度
主轴轴承的径向跳动、端面跳动、滚动体直径不一致等形位误差会严重影响主轴系统及其加工件的精度, 因此用于精密机床主轴上的轴承精度应为P5及其以上级, 而对于数控机床、加工中心等高速、高精密机床的主轴支承, 则需选用P4及其以上级超精密轴承。有些公司大量生产专门规定为特殊公差等级的主轴轴承, 如P4A, P4S, SP等。NSK用于高精度车床的主轴轴承, “标准公差等级”高达P2;还有些公司则直接按旋转精度即径向跳动1.5, 1.0和0.5μm分为3个公差等级, 除极小尺寸段 (内径18mm以下) 按径向跳动1.5μm相当于P2轴承外, 其余都属于“超P2”或“远超P2”轴承。主轴轴承的高精度是为了满足实际用途的需要。如高精度加工中心轴端跳动的标准要求是不超过15μm, 配套轴承的旋转精度必须达到P2;计算机硬盘驱动器 (HDD) 等零件的加工圆度误差要不能超过0.2μm, 而且还必须严控制轴承的非重复跳动;等。
2.2 高刚度
首先从材料上, 以薄壁的70, 719系列来替代72系列, 由于内径尺寸变大, 使得主轴一轴承系统的总刚度显著增加, 另外采用陶瓷材料, 可提高轴承刚度和保证轴承在高速运转时不降低刚度;从技术上, 采用可变预载荷技术, 从而能够提高和有效保证轴承的动刚度。实现低发热, 包括轴承内部结构减摩设计和采用先进的润滑与冷却方式, 以减小轴承严重发热和主轴系统的热不平衡而引起的变形。严格控制组配轴承的接触角相互差, 采用高公差等级的滚动体保证其直径相互差等, 避免或减小由载荷和运动接触条件不一致而产生的振动。
3 机床轴承的发展趋势
3.1 钢材的开发
NSK通过潜心研究刚才长寿命化技术, 开发出长寿命、高性能的主轴轴承材料。他们分别是:超高速回转环境下耐用的SHX材, 高负荷环境下高可靠性的EP钢, 各种一般环境下实现长寿命化的Z钢。NSK同时开发并推荐使用转速t值超过1.5×106mm·r/min的耐热SHX钢。SHX钢即使在不能充分润滑的条件下, 也具有很好的抗咬粘、耐磨性和长寿命。在洁净润滑的条件下, SHX钢的寿命是真空冶炼钢的4倍。
3.2 陶瓷滚动体的采用
作为一种新材料, 陶瓷材料在滚动轴承中的应用开辟了轴承材料的新天地。陶瓷材料的应用突破了传统钢轴承的许多应用极限, 如高速性、耐磨性、绝缘性、耐温性。常用的氮化硅陶瓷比重仅仅是钢的1/3多, 因此在高速下引起的滚动体对套圈的应力水平大大降低, 同尺寸的轴承极限转速大幅提升;氮化硅陶瓷的硬度达1500HV, 是轴承钢的一倍, 耐高温达1200℃是轴承钢的6倍, 与钢球轴承相比, 首先陶瓷的重量比钢球轻40%, 所以作用于滚动体的离心力影响小, 发热低;其次由于线膨胀系数低, 高速旋转时随着轴承温度上升引起的预紧力相比钢球较低, 发热低;另外其耐烧伤性能更强、刚度更高, 可以实现更高精度的切削加工。
3.3 保持架的转型
聚合物保持架具有重量轻、自润滑及摩擦系数低的特性。对极限转速阻尼值为1.4×106mm·r/min的角接触球轴承, 采用钢球引导的聚酰胺树脂保持架后, 减少了振动和噪声。与外圈引导保持架相比, 使用钢球引导保持架明显降低内部摩擦热量。同时, 轴承内部可以有更多的空间用来贮存油脂, 从而延长润滑脂寿命。传统聚酰胺树脂保持架的极限转速dm N值是1.15×106mm·r/min (目前脂润滑的极限转速) , 而新开发的聚酰胺树脂保持架的极限转速dm N值达到1.4×106mm·r/min, 酚醛树脂保的极限转速更高。
具体来说, NSK开发了具有机械强度更高长寿命的高性能钢材以及高精度高速性能优越的陶瓷滚动体, 非常有效地解决了轴承运转时磨损和发热的问题, 而且还非常符合环保这一世界性主题。因此, 机床轴承的发展趋势将是随着技术的不断创新, 其工艺越来越越先进, 并且顺应时代发展的潮流。
摘要：近年来随着机床的广泛应用, 对于机床主轴的要求也越来越高, 其性能进一步向高转速、高精度、高刚度方向发展。而且在满足这些要求的同时, 还要考虑到环境问题并关注全球变暖的现象。
关键词：机床轴承,陶瓷,钢材
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