高速電主軸軸承的選用及使用
發(fā)布時(shí)間：2018-07-29 22:49:41 點(diǎn)擊率：
數(shù)控金屬切削高速主軸軸承的性能，在相當(dāng)程度上取決于主軸軸承及其潤滑。滾動(dòng)軸承由于剛度好、精度可以制造得較高、承載能力強(qiáng)和結(jié)構(gòu)相對簡單，不僅是一般切削機(jī)床主軸的首選，也受到高速切削機(jī)床的青睞。從高速性的角度看，滾動(dòng)軸承中角接觸球軸承最好，圓柱滾子軸承次之，圓錐滾子軸承最差。 
角接觸球軸承的球(即滾珠)既公轉(zhuǎn)又自轉(zhuǎn)，會(huì)產(chǎn)生離心力Fc和陀螺力矩Mg。隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加，離心力Fc和陀螺力矩Mg也會(huì)急劇加大，使軸承產(chǎn)生很大的接觸應(yīng)力，從而導(dǎo)致軸承摩擦加劇、溫升增高、精度下降和壽命縮短。因此，要提高這種軸承的高速性能，就應(yīng)想方設(shè)法抑制其Fc和Mg的增加。從角接觸球軸承Fc和Mg的計(jì)算公式得知，減少球材料的密度、球的直徑和球的接觸角都有利于減少Fc和Mg，所以現(xiàn)在高速主軸多使用接觸角為15°或20°的小球徑軸承?？墒?，球徑不能減小過多，基本上只能是標(biāo)準(zhǔn)系列球徑的70%，以免削弱軸承的剛度，更關(guān)鍵的還是要在球的材料上尋求改進(jìn)。與GCr15軸承鋼相比，氮化矽(Si3N4)陶瓷密度僅為它的41%，用氮化矽制作的球要輕得多，自然在高速回轉(zhuǎn)時(shí)所產(chǎn)生的離心力和陀螺力矩也要小得多。與此同時(shí)，氮化矽陶瓷的彈性模量和硬度是軸承鋼的1.5倍和2.3倍，而熱膨脹系數(shù)僅為軸承鋼的25%，這既可提高軸承的剛度和壽命，又使軸承的配合間隙在不同溫升條件下變化小，工作可靠，加之陶瓷耐高溫且不與金屬發(fā)生粘咬，顯然用氮化矽陶瓷制作球體更適合進(jìn)行高速回轉(zhuǎn)。實(shí)踐表明，陶瓷球角接觸球軸承與相應(yīng)的鋼球軸承相比速度能提高25%~35%，不過價(jià)格也要高一些。國外將內(nèi)外圈為鋼、滾動(dòng)體為陶瓷的軸承統(tǒng)稱為混合軸承。目前混合軸承又有新發(fā)展：一是陶瓷材料已用于制作圓柱滾子軸承的滾子，市場上出現(xiàn)了陶瓷圓柱混合軸承；二是用不銹鋼(比如FAG公司用氮化不銹鋼Crodinur30)代替軸承鋼制作軸承的內(nèi)外圈特別是內(nèi)圈，由于不銹鋼的熱膨脹系數(shù)比軸承鋼小20%，自然在高速回轉(zhuǎn)時(shí)，因內(nèi)圈熱膨脹所造成的接觸應(yīng)力增大趨勢會(huì)受到抑制。
眾所周知，dmh值是表達(dá)滾動(dòng)軸承高速性能的速度因子(dm是滾動(dòng)軸承內(nèi)、外圈的平均直徑，單位mm；h是軸承的轉(zhuǎn)速，單位r/min)。角接觸球軸承的高速性能不僅與球的接觸角、直徑和材料相關(guān)，而且與軸承的潤滑方式關(guān)系密切。目前滾動(dòng)軸承有脂潤滑、油霧潤滑和油氣潤滑三種方式，其中油霧潤滑雖然效果不錯(cuò)，但污染環(huán)境和危害工人健康，國外已很少采用。
高速主軸軸承的配置形式也有多種，但比較典型的是前、后軸承呈“O”型布局的兩對角接觸球軸承。由于后軸承也是角接觸球軸承，一般要設(shè)置滾珠套以便讓后軸承能沿殼體軸向移動(dòng)，使得主軸受熱后可自由向后方膨脹。一般說來，角接觸球軸承需要在軸向有預(yù)加負(fù)荷才能正常工作，預(yù)加負(fù)荷愈大，軸承的剛度愈高但溫升也愈大。比較簡單的辦法是，根據(jù)機(jī)床主軸軸承的轉(zhuǎn)速范圍和所要承受的負(fù)載，選定一個(gè)最佳的固定預(yù)加負(fù)荷值；更好的辦法則是預(yù)加負(fù)荷能隨主軸轉(zhuǎn)速改變而調(diào)整，在高轉(zhuǎn)速時(shí)減小預(yù)加負(fù)荷，在低轉(zhuǎn)速時(shí)增加預(yù)加負(fù)荷。
角接觸球軸承的球(即滾珠)既公轉(zhuǎn)又自轉(zhuǎn)，會(huì)產(chǎn)生離心力Fc和陀螺力矩Mg。隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加，離心力Fc和陀螺力矩Mg也會(huì)急劇加大，使軸承產(chǎn)生很大的接觸應(yīng)力，從而導(dǎo)致軸承摩擦加劇、溫升增高、精度下降和壽命縮短。因此，要提高這種軸承的高速性能，就應(yīng)想方設(shè)法抑制其Fc和Mg的增加。從角接觸球軸承Fc和Mg的計(jì)算公式得知，減少球材料的密度、球的直徑和球的接觸角都有利于減少Fc和Mg，所以現(xiàn)在高速主軸多使用接觸角為15°或20°的小球徑軸承?？墒?，球徑不能減小過多，基本上只能是標(biāo)準(zhǔn)系列球徑的70%，以免削弱軸承的剛度，更關(guān)鍵的還是要在球的材料上尋求改進(jìn)。與GCr15軸承鋼相比，氮化矽(Si3N4)陶瓷密度僅為它的41%，用氮化矽制作的球要輕得多，自然在高速回轉(zhuǎn)時(shí)所產(chǎn)生的離心力和陀螺力矩也要小得多。與此同時(shí)，氮化矽陶瓷的彈性模量和硬度是軸承鋼的1.5倍和2.3倍，而熱膨脹系數(shù)僅為軸承鋼的25%，這既可提高軸承的剛度和壽命，又使軸承的配合間隙在不同溫升條件下變化小，工作可靠，加之陶瓷耐高溫且不與金屬發(fā)生粘咬，顯然用氮化矽陶瓷制作球體更適合進(jìn)行高速回轉(zhuǎn)。實(shí)踐表明，陶瓷球角接觸球軸承與相應(yīng)的鋼球軸承相比速度能提高25%~35%，不過價(jià)格也要高一些。國外將內(nèi)外圈為鋼、滾動(dòng)體為陶瓷的軸承統(tǒng)稱為混合軸承。目前混合軸承又有新發(fā)展：一是陶瓷材料已用于制作圓柱滾子軸承的滾子，市場上出現(xiàn)了陶瓷圓柱混合軸承；二是用不銹鋼(比如FAG公司用氮化不銹鋼Crodinur30)代替軸承鋼制作軸承的內(nèi)外圈特別是內(nèi)圈，由于不銹鋼的熱膨脹系數(shù)比軸承鋼小20%，自然在高速回轉(zhuǎn)時(shí)，因內(nèi)圈熱膨脹所造成的接觸應(yīng)力增大趨勢會(huì)受到抑制。
眾所周知，dmh值是表達(dá)滾動(dòng)軸承高速性能的速度因子(dm是滾動(dòng)軸承內(nèi)、外圈的平均直徑，單位mm；h是軸承的轉(zhuǎn)速，單位r/min)。角接觸球軸承的高速性能不僅與球的接觸角、直徑和材料相關(guān)，而且與軸承的潤滑方式關(guān)系密切。目前滾動(dòng)軸承有脂潤滑、油霧潤滑和油氣潤滑三種方式，其中油霧潤滑雖然效果不錯(cuò)，但污染環(huán)境和危害工人健康，國外已很少采用。
高速主軸軸承的配置形式也有多種，但比較典型的是前、后軸承呈“O”型布局的兩對角接觸球軸承。由于后軸承也是角接觸球軸承，一般要設(shè)置滾珠套以便讓后軸承能沿殼體軸向移動(dòng)，使得主軸受熱后可自由向后方膨脹。一般說來，角接觸球軸承需要在軸向有預(yù)加負(fù)荷才能正常工作，預(yù)加負(fù)荷愈大，軸承的剛度愈高但溫升也愈大。比較簡單的辦法是，根據(jù)機(jī)床主軸軸承的轉(zhuǎn)速范圍和所要承受的負(fù)載，選定一個(gè)最佳的固定預(yù)加負(fù)荷值；更好的辦法則是預(yù)加負(fù)荷能隨主軸轉(zhuǎn)速改變而調(diào)整，在高轉(zhuǎn)速時(shí)減小預(yù)加負(fù)荷，在低轉(zhuǎn)速時(shí)增加預(yù)加負(fù)荷。
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