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贵州快3机床用高速主轴轴承技术

2020-11-16 04:12

  机床用高速主轴轴承技术_机械/仪表_工程科技_专业资料。机床用高速主轴轴承技术 1 高速主轴轴承发展情况 为了适应机床主轴的高速要求,一般多使用刚性和高速性能优良的角接触球轴承, 其次使用圆柱滚子轴承(见表 1)。 与此同时逐步开发出与之相适应的润滑系统。

  机床用高速主轴轴承技术 1 高速主轴轴承发展情况 为了适应机床主轴的高速要求,一般多使用刚性和高速性能优良的角接触球轴承, 其次使用圆柱滚子轴承(见表 1)。 与此同时逐步开发出与之相适应的润滑系统。从表述主轴轴承高速性能的 dmN 值 (dm 为轴承节圆直径 mm, N 为转速 r/min)来看, 脂润滑条件下 dmN 值在 50×104 以 下。开发出油气润滑后,dmN 值已达到 100×104 以上。此后在轴承方面又开发出了 滚动体为陶瓷的角接触球轴承,实现了 dmN 值为 200×104。到 90 年代开发出喷射 润滑后,dmN 值可达到 300×104。 表 1 主轴用滚动轴承特性比较 成对或 圆锥滚 子轴承 单列圆 双列圆 柱滚子 柱滚子 轴承 □ ? ? □ □ □ □ 轴承 ○ ? ? △ □ △ ○ 角接触 球轴承 成组安 装角接 触球轴 承 承 载 能 力 径向 轴向 联合 高速性能 高精度 低噪声 低力矩 刚性 □ □← ○ ▽ △ ▽ ○ △ △← □ ○ ○ ○ △ □ △→ □ □ ○ □ □ 接触角为 备注 2 套对 置使用 N(NN)型和 NU(NNU)型 C(15℃), AC(25℃),60℃, 2 套或 2 套以上 组合使用 ○□△▽ ? ← ? 优?劣 不可 单向 双向 表 2 陶瓷材料(Si3N4)与轴承钢(Gcr15)性能比较 项目 GCr15 Si3N4 比 耐热性(℃) 密度(g/cm ) 线/℃) 弹性模量(MPa) 维氏硬度(HV) 泊松比 热导率[W/(m·K)] 耐蚀性 磁性 导电性 3 180 7.8 12.5×10 -6 4 800 3.2 3.2×10 -6 4 4.44 0.41 0.26 1.52 0.87 — — — — 20.8×10 0.3 31.4×10 0.26 29.3 良 非磁 绝缘 700~800 4.9~50.2 不良 强磁 导电 1300~1800 2 高速主轴轴承技术 1) 高速角接触球轴承 从表 1 可以看出圆锥滚子轴承,单列、双列圆柱滚子轴承在高速性能方面均劣于角 接触球轴承。角接触轴承是具有接触角的轴承,接触角越大轴向刚度越好,但因为 球与滚道之间的陀螺滑动和自旋滑动也大,因此发热也会增加。为了提高速度性能, 方法是减小球的大小(或质量),改变沟道的曲率系数,以减小球的离心力,降低高 速运转时产生的内部载荷,同时增加球的数量以提高刚性。 2) 陶瓷球角接触球轴承 为了减少球质量以提高速度, 推出了仅滚动体系用氮化硅(Si3N4)陶瓷的混合型陶瓷 球轴承,其性能比较见表 2。 作为高速主轴轴承材料,陶瓷(Si3N4)有以下优点: · 重量轻。由于密度比轴承钢小,高速旋转时滚动体产生的离心力小,旋转力矩可以 减小,因此可以降低温升,提高寿命。 · 良好的导热性使陶瓷材料的滚动体在高速运转时不易与金属产生粘着。在润滑条件 较好的情况下耐烧伤。 · 热膨胀小。滚动体与内圈接触时不易发生预紧力增加而导致游隙减小,出现烧伤。 · 由于硬度高、刚性好,轴承的变形小,主轴的刚性也得到提高。 因此,综上所述,采用陶瓷材料(Si3N4)作为滚动体,与轴承钢滚动体相比速度可提 高约 25%~35%,寿命可提高约 3 倍。 3) 新型混合角接触球轴承 在高速旋转时,内圈由于离心力而产生膨胀,与滚动体接触应力变大,使内部预载 荷增加、游隙变小、发热增加。针对此问题,最近开发出内圈为不锈钢的新型混合 陶瓷球轴承。由于不锈钢的线%,因而能进一步控制轴承在 高速旋转时因内圈膨胀而造成的预载荷增加。在润滑条件充分,固定预载荷下 dmN 值可提高 1.2 倍。 4) 内圈为陶瓷的混合角接触球轴承 近来有资料介绍,在定位预载紧的情况下,内圈也使用陶瓷材料的混合型角接触球 轴承。因为内圈也使用陶瓷材料,轴承内径或滚道离心膨胀小,预紧的增加也较小, 加之刚性好,球和滚道的接触面积小,所以发热和膨胀也较小,可以比仅球为陶瓷 的轴承达到更高转速。但是,正是由于高速旋转时离心和膨胀小,它与金属制主轴 之间的配合应力如果过大就可能产生破坏甚至碎裂。 3 高速化主轴轴承的润滑 主轴轴承的高速化发展趋势对润滑提出了更高的要求。传统 dmN 值在 50×104 以下 的脂润滑,由于使用简单、经济而得到广泛应用,而且无需特别维护,也无需后续 补充,大多数为终身润滑。随转速提高,dmN 值达 100×104 以上时采用油气和油雾 润滑,与脂润滑相比,温度上升小,能够以更高速度旋转,因而成为主要的润滑方 法。而喷射润滑虽然 dmN 值可达到 250×104,但需要大量润滑油,因搅拌阻力使动 力损失较大,而且需要较复杂的附属设备,成本较高,所以一般不使用这种润滑方 式。 从第 18 届东京(1996 年)和第 19 届大阪(1998 年)国际机床博览会展出的机床看, 采 用陶瓷滚动体、油气和油雾润滑方式大功率电主轴的数控机床和加工中心已占整个 参展机床的 85%左右。 4 结束语 对于高效加工机床,提高主轴轴承的速度是实现高速实用主轴的关键。随着高速化 的发展,滚动体采用陶瓷材料,dmN 值在 200×104 左右,脂润滑条件下 dmN 值 100×104 左右的数控加工中心正在日益增加,已成为一种发展趋势,采用油气和油 雾润滑方式也将成为今后高速机床主轴轴承润滑的发展方向。 高性能机床主轴概述 机床主轴是机床的核心部件,其功能是带动刀具(砂轮)或工件旋转,实现高速精密加 工。 随着现代工业对机床加工精度和加工效率要求的不断提高, 机床对主轴性能的要求也越 来越高,传统的高速主轴概念已难以充分描述机床主轴的技术内涵。 高性能机床主轴是指在满足加工精度和加工效率的前提下,速度、精度、刚度、功率、 转矩匹配特性好,可靠性高,性能价格比高的机床主轴。 机床主轴按所采用的轴承类型可分为滚动轴承(角接触球轴承、滚子轴承) 、液体滑动 轴承(动压轴承、静压轴承、动静压轴承) 、气体轴承和磁悬浮轴承等,按照与电动机的连 接方式可分为机械主轴和电主轴。 电主轴是将机床主轴功能与电动机功能从结构上融为一体的新型主轴部件, 它省去了皮 带传动或齿轮传动环节,具有速度高、精度高、调速范围宽、振动噪声小、可快速起动和准 停等优点。用电主轴取代传统机械主轴是机床工业发展的大趋势。 电主轴按照电动机的类型又可分为异步型电主轴和永磁同步型电主轴。 从机床行业的客观需求来看,角接触球轴承电主轴、液体(动)静压轴承电主轴和气体 轴承电主轴既是市场开发的重点, 也是学术研究的热点。 角接触球轴承是最适宜高速化的滚 动轴承,具有摩擦阻力小、功耗小、成本低、便于系列化和标准化等优点,其极限转速高、 精度高、刚度高, 在加工中心、数控铣床、车床、内圆磨床和高速雕铣机中获得了广泛应用, 其主要技术难点在于提高精度寿命和可靠性。 液体(动)静压主轴以液态“油膜”作为支撑, 具有显着的“误差均化效应”和阻尼减振性,回转精度远高于滚动轴承式主轴,其刚度高, 磨损小,寿命长,在精密超精密机床上获得了广泛应用,其主要技术难点在于控制高速时主 轴的温升和热变形。 气体轴承电主轴以 “气膜” 作为支撑, 回转精度和极限转速高于液体 (动) 静压电主轴和滚动轴承式电主轴,其热稳定性好,是超精密机床和印刷电路板(PCD)钻床 不可或缺的核心部件,其不足之处在于承载能力低,工艺要求高。 磁悬浮轴承也是一类重要的主轴支撑方式,极限转速高,运转过程中无磨损,其技术难 点在于如何提高动刚度和阻尼减振性能, 在实现高速的同时保证高加工精度。 磁悬浮主轴的 核心研究内容是机械系统特性和电磁特性的控制问题。 高性能机床主轴的技术现状 1.角接触球轴承电主轴领域 国内现有水平: 在加工中心和数控铣床电主轴方面, 洛阳轴承研究所开发了油气润滑型 加工中心电主轴,额定功率和最高转速达 22kW、24000r/min;湖南大学研制的永磁同步型 加工中心电主轴,额定功率 35kW,最高转速 18000r/min,径向圆跳动 1.5μ m,动平衡精度 G0.4,配备 HSK-A63 刀柄,采用油气润滑和强制水冷方式。沈阳建筑大学开发高速大功 率陶瓷球轴承电主轴单元最高转速达到 30000r/min,功率达 20kW;研制开发的无内圈式全 陶瓷电主轴单元最高转速达到 30000r/min,最大功率达到 15kW,回转精度≤±1μ m。在磨 用电主轴方面,洛阳轴承研究所主轴产品 Dmn 值达到 170~200 万 mm·r/min;轴承套圈磨 用电主轴最大功率为达 32kW(S6~60%) ,最高转速为 120000r/min;高铁轨道板磨用电主 轴达 150kW(S1~100%) ,最高转速 2000r/min;工作寿命普遍在 1500~2000h。 国际先进技术水平: 在加工中心和数控铣床电主轴方面, 国际上油脂润滑型加工中心用 电主轴最高转速为 60000r/min,油气润滑型数控铣最高转速为 140000r/min,而大功率电主 轴的功率可达 80kW,转速为 10000r/min,其最大转矩可达 380N·m。在磨用电主轴方面, 国际主轴产品的轴承 Dmn 值高达 240 万 mm·r/min,选用油气润滑方式,输出功率普遍比 上一代产品增加 50%左右,其工作寿命亦普遍增长 50%左右。 国家数控机床重大专项技术目标:①额定功率和最高转速为 50kW、20000r/min(另两 款为 30kW、30000r/min 和 10kW、40000r/min) 。②具有轴承动态预紧调整功能。③平均无 故障运行时间≥5000h。④主轴回转精度<1.0μ m。⑤轴系统刚度≥300N·μ m。⑥动平衡 精度 G0.4 级。⑦恒功率14。⑧转速波动范围 0.04%以下。⑨C 轴位置控制精度 10″。⑩高 分辨率编码器接口最大可支持 17 位编码器(131072 脉冲/r) 。11.具有两种现场总线.液体(动)静压轴承电主轴领域 国内现有水平:上海原创精密机床主轴有限公司研制的液体(动)静压电主轴,额定功 率和最高转速达到 34kW、8500r/min,径向跳动 1μ m。东方精益公司生产的液体(动)静 压电主轴,额定功率/最高转速达到 17kW、8000r/min,径向跳动 1μ m,径向刚度500N·μ m。湖南大学针对超高速外圆/凸轮轴磨床开发了电动机内置式液体(动)静压电主轴,额 定功率和最高转速达 35kW、10000r/min,径向圆跳动 1μ m;同时还针对高速内圆磨床,开 发了 12kW、30000r/min 电动机内装式液体动静压电主轴。北京航空航天大学下属的北京北 航精密有限公司开发了系列(动)静压主轴产品,额定功率和最高转速达到 7.5kW 、 48000r/min,回转精度能达到 0.5μ m 以内。在内圆磨(动)静压主轴方面,国内已生产转 速达 20000r/min,主轴直径 28mm 的主轴产品。目前国内液体(动)静压主轴的回转精度最 高能达到 0.1μ m。 国际先进水平:德国 HYPOSTATIK 公司开发的外圆磨电主轴,最高工作转速为 7600r/min , 功率 为 50kW , 砂轮径向刚 度 320N · μ m ; 凸轮磨凹面磨削主 轴,转速 25000/35000r/min ,砂轮径向刚度为 120/60N · μ m;铣削静压电主轴,最高工作转速为 42000r/min,功率为 15kW,轴承刚度为 200/160N·μ m。英国 CranfieldPrecision 公司开发 的液体静压主轴最高转速为 15000r/min, 供油压力为 3.5MPa, 径向/轴向刚度为 200/440N· μ m,回转精度达 0.1μ m。 ? 产品名称 产品型号 行业应用 矿业、混 圆柱滚子轴承 NU2236\NJ1040 等等 主要用于电机、机床、石油油田、轧机装卸搬运机械、发电、和造纸机、 凝 土生产、齿轮驱动和轧机上和各类产业机械。 . 产品特点 列和四列。 圆柱滚子轴承由一个内圈和一个带有整套滚子及保持架的外圈组成。圆柱滚 子轴承结构的 选择根据应用条件、安装和装配需要决定。一些结构在内圈或外圈 上带有凸缘和可分离的环。 铁姆肯提供单列和多列圆柱滚子轴承结构。双列轴承有两套滚动部件,具有 更大的径向载荷能 力。四列轴承具有更高的径向载荷能力,应用于金属轧机中的 重载支承辊。这些根据轴承装用 滚动体的列数不同,圆柱滚子轴承可分为单列、双列和多列圆柱滚子轴承。 圆柱滚子轴承属分离型轴承,安装与拆卸非常方便。圆柱滚子轴承分为单列、双 . 其中应用较多的是有保持架的单列圆柱滚子轴承。此外,还有单列或双列满装 滚子等其它结构的圆柱滚子轴承。 . 单列圆柱滚子轴承根据套圈挡边的不同分为 N 型、NU 型、NJ 型、NF 型和 NUP 型等。圆柱 滚子轴承承受的径向负荷能力大,根据套圈挡边的结构也可承受一定的单向或 双向轴向负荷。NN 型和 NNU 型双列圆柱滚子轴承结构紧凑,刚性强,承载能 力大,受载荷后变形小,大多用于机床主轴的支承。FC、FCD、FCDP 型四列 圆柱滚子轴承可承受较大的径向载荷, 多用于轧机等重型机械上. 圆柱滚子轴承 承受的径向负荷能力大,根据套圈挡边的结构也可承受一定的单向或双向轴向 负荷。 . N 设计 内圈有两个整体式法兰,外圈不带法兰(内圈上有两个挡边,而外圈无挡边)。轴相 对于轴承座的轴向位移可在两个方向上在轴承内承受。因此,这些轴承用作非定位端轴承。 NU 设计 NU 设计的轴承外圈有两个整体式法兰,内圈不带法兰(外圈上有两个挡边,而内圈 无挡边)。轴相对于轴承座的轴向位移可在两个方向上在轴承内承受。因此,这些轴承用作非 定位端轴承。由于制造和维护上的原因,以图纸号表示的 NU 设计的大型轴承的两个外圈法兰 不一定是整体式的,而会采用松配合法兰圈的形式。 NU 型和 N 型的圆柱滚子轴承,在一定范围内允许轴相对于轴承箱作双向的轴向位移,即可以 承受轴由热膨胀引起的长度变化,故适用作为非定位轴承。 NJ 设计 外圈有两个整体式法兰,内圈有一个整体式法兰(外圈为双挡边、内圈为单挡边)。 因此,这些轴承适合轴在一个方向上的轴向定位 . NF 型圆柱滚子轴承,其外圈为单挡边,内圈为双挡边。 NJ 型和 NF 型的圆柱滚子轴承, 可限制轴或外壳的一个方向的轴向位移, 实现单向的轴向定位, 并能承受较小的单向轴向载荷。 NUP 设计 外圈有两个整体式法兰,内圈有一个整体式法兰和一个松配合法兰圈形式的非整体 式法兰。这些轴承可用作定位端轴承,即可提供轴在两个方向上的轴向定位 . FC、FCD、FCDP 型四列圆柱滚子轴承可承受较大的径向载荷,多用于轧机等重型机械上。 NUP 型圆柱滚子轴承,外圈为双挡边,内圈一侧有挡边,另一侧有挡圈。该类轴承可对轴作双 向的轴向定位,可以承受双向的轴向力。轴承的结构型式可选 NUP...N。有斜挡圈 HJ 的 NJ 型圆柱滚子轴承就象 NUP 型圆柱滚子轴承一样,可作为一个定位轴承。 . 无内圈或无外圈圆柱滚子轴承 : RNU 型,为无内圈轴承,外圈具有双挡边,就是无内圈的 NU 型圆柱滚子轴承。 RN 型、为无外圈轴承,内圈具有双挡边。 RNU 型和 RN 型的圆柱滚子轴承, 用于径向尺寸受限制的部件中, 轴颈或外壳孔表面直接作为 滚道面,滚道面的硬度,加工精度和表面质量应与套圈的滚道相仿。 . 单列圆柱滚子轴承是可分离轴承,便于安装和拆卸,两个套圈都可以采用紧配合,修正的滚子 和滚道之间的接触线可以减小应力集中。 . 满装滚子圆柱滚子轴承 一般采用外圈双挡边,贵州快3内圈单挡的结构,即 NJ...V、NUP...V、RNU...V 等,与带保持架的 类似结构的滚子轴承相比,具有额定载荷大、结构简单等优点。在转速及工作温度不是很高、 润滑条件较好,箱体清洁度相对较高的情况下,宜优先采用满滚子结构。 . 加强型圆柱滚子轴承 E 型圆柱滚子轴承的主要尺寸与普通型一致,但滚子直径、长度、个数有所增加,故承载能力 也相应增大。 该类轴承以基本型号后加“E”来区别于其它轴承, 其滚子内切圆直径与普通型轴承不同, 故不能 与普通型轴承互换。 . 圆柱滚子轴承:可在高速运行状态承受重的径向负荷,单列 EC 型设计的圆柱滚子轴承具优化 内部曲线,可提高轴承的径向和轴向负荷能力,同时提高对角度和对准误差的调节能力及改善 润滑情况,省略了保持架的满滚子轴承可具有最多数目的滚子。适用于非常重负荷和中等速度 的工况。 . 圆柱滚子轴承通常由一个轴承套圈的两个挡边引导 ,保持架,滚子和引导套圈组成一组合件, 一般 是可分离型的轴承。此种轴承安装、拆卸比较方便,尤其是当要求内、外圈与轴和壳体都有过 盈配合时更显示出其优点。此类轴承一般只用于承受径向负荷,只有内、外圈均带挡边的单列 轴承可承受较小的轴向载荷或较大的间歇轴向载荷。与外形尺寸相同的深沟球轴承相比,此种 轴承具有较大的径向载荷能力,从结构上看,也适用于高速旋转。 双列圆柱滚子轴承分两种形式: ?NN0000 型双列圆柱滚子轴承 该类轴承结构紧凑,承受载荷时变形较小,因此特别适用于机床主 轴的支承。因其外圈无挡边,因此可以分别安装外圈和内圈组件(带 滚子和保持架),不限制轴或外壳的轴向位移,与径向尺寸相同的单 列圆柱滚子轴承相比,能承受更大的径向载荷。 ?NN0000K 型圆锥孔双列圆柱滚子轴承 该种轴承结构紧凑,承受载荷时变形较小,因此适用于机床主轴的 支承。轴承内孔为锥形,可微量调整轴承的径向游隙。 该类轴承由于外圈无挡边,因此可分别安装外圈和内圈组件(带滚 子和保持架),不限制轴或外壳的轴向位移,与径向尺寸相同的单列 圆柱滚子轴承相比较,能承受更大的径向载荷。

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