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表1 主轴用滚动轴承特性比较
  圆锥滚子轴承 单列圆柱滚子轴承 双列圆柱滚子轴承 角接触球轴承 成对或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
备注 2套对置使用 N(NN)型和NU(NNU)型 接触角为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
耐热性(℃) 180 800 4.44
密度(g/cm3) 7.8 3.2 0.41
线膨胀系数(1/℃) 12.5×10-6 3.2×10-6 0.26
弹性模量(MPa) 20.8×104 31.4×104 1.52
维氏硬度(HV) 700~800 1300~1800  
泊松比 0.3 0.26 0.87
热导率[W/(m·K)] 4.9~50.2 29.3
耐蚀性 不良
磁性 强磁 非磁
导电性 导电 绝缘

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。

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:
    1. 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。
    2. 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。
    3. 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。
    4. 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。由于不锈钢的线膨胀系数比轴承钢小20%,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。

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