1 高速主軸軸承發(fā)展情況
為了適應(yīng)機(jī)床主軸的高速要求，一般多使用剛性和高速性能優(yōu)良的角接觸球軸承，其次使用圓柱滾子軸承(見(jiàn)表1)。
與此同時(shí)逐步開(kāi)發(fā)出與之相適應(yīng)的潤(rùn)滑系統(tǒng)。從表述主軸軸承高速性能的dmN值(dm為軸承節(jié)圓直徑mm，N為轉(zhuǎn)速r/min)來(lái)看，脂潤(rùn)滑條件下dmN值在50×104 以下。開(kāi)發(fā)出油氣潤(rùn)滑后，dmN值已達(dá)到100×104以上。此后在軸承方面又開(kāi)發(fā)出了滾動(dòng)體為陶瓷的角接觸球軸承，實(shí)現(xiàn)了dmN值為200×104。到90年代開(kāi)發(fā)出噴射潤(rùn)滑后，dmN值可達(dá)到300×104。
表1 主軸用滾動(dòng)軸承特性比較
| - | 圓錐滾子軸承 | 單列圓柱滾子軸承 | 雙列圓柱滾子軸承 | 角接觸球軸承 | 成對(duì)或成組安裝角接觸球軸承 |
| 承載能力 | 徑向 | □ | □ | ○ | △ | □ |
| 軸向 | □← | ? | ? | △← | △→ |
| 聯(lián)合 | ○ | ? | ? | □ | □ |
| 高速性能 | ▽ | □ | △ | ○ | □ |
| 高精度 | △ | □ | □ | ○ | ○ |
低噪聲
低力矩 | ▽ | □ | △ | ○ | □ |
| 剛性 | ○ | □ | ○ | △ | □ |
| 備注 | 2套對(duì)置使用 | N(NN)型和NU(NNU)型 | 接觸角為C(15℃)，AC(25℃)，60℃，2套或2套以上組合使用 |
| ○□△▽?←?優(yōu)?劣不可單向雙向 |
表2 陶瓷材料(Si3N4)與軸承鋼(Gcr15)性能比較
| 項(xiàng)目 | GCr15 | Si3N4 | 比 |
| 耐熱性(℃) | 180 | 800 | 4.44 |
| 密度(g/cm3) | 7.8 | 3.2 | 0.41 |
| 線膨脹系數(shù)(1/℃) | 12.5×10-6 | 3.2×10-6 | 0.26 |
| 彈性模量(MPa) | 20.8×104 | 31.4×104 | 1.52 |
| 維氏硬度(HV) | 700～800 | 1300～1800 | - |
| 泊松比 | 0.3 | 0.26 | 0.87 |
| 熱導(dǎo)率[W/(m·K)] | 4.9～50.2 | 29.3 | — |
| 耐蝕性 | 不良 | 良 | — |
| 磁性 | 強(qiáng)磁 | 非磁 | — |
| 導(dǎo)電性 | 導(dǎo)電 | 絕緣 | — |
2 高速主軸軸承技術(shù)
1) 高速角接觸球軸承
從表1可以看出圓錐滾子軸承，單列、雙列圓柱滾子軸承在高速性能方面均劣于角接觸球軸承。角接觸軸承是具有接觸角的軸承，接觸角越大軸向剛度越好，但因?yàn)榍蚺c滾道之間的陀螺滑動(dòng)和自旋滑動(dòng)也大，因此發(fā)熱也會(huì)增加。為了提高速度性能，方法是減小球的大小(或質(zhì)量)，改變溝道的曲率系數(shù)，以減小球的離心力，降低高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的內(nèi)部載荷，同時(shí)增加球的數(shù)量以提高剛性。
2) 陶瓷球角接觸球軸承
為了減少球質(zhì)量以提高速度，推出了僅滾動(dòng)體系用氮化硅(Si3N4)陶瓷的混合型陶瓷球軸承，其性能比較見(jiàn)表2。
作為高速主軸軸承材料，陶瓷(Si3N4)有以下優(yōu)點(diǎn)：
·重量輕。由于密度比軸承鋼小，高速旋轉(zhuǎn)時(shí)滾動(dòng)體產(chǎn)生的離心力小，旋轉(zhuǎn)力矩可以減小，因此可以降低溫升，提高壽命。
·良好的導(dǎo)熱性使陶瓷材料的滾動(dòng)體在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)不易與金屬產(chǎn)生粘著。在潤(rùn)滑條件較好的情況下耐燒傷。
·熱膨脹小。滾動(dòng)體與內(nèi)圈接觸時(shí)不易發(fā)生預(yù)緊力增加而導(dǎo)致游隙減小，出現(xiàn)燒傷。
·由于硬度高、剛性好，軸承的變形小，主軸的剛性也得到提高。
因此，綜上所述，采用陶瓷材料(Si3N4)作為滾動(dòng)體，與軸承鋼滾動(dòng)體相比速度可提高約25%～35%，壽命可提高約3倍。
3) 新型混合角接觸球軸承
在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，內(nèi)圈由于離心力而產(chǎn)生膨脹，與滾動(dòng)體接觸應(yīng)力變大，使內(nèi)部預(yù)載荷增加、游隙變小、發(fā)熱增加。針對(duì)此問(wèn)題，最近開(kāi)發(fā)出內(nèi)圈為不銹鋼的新型混合陶瓷球軸承。由于不銹鋼的線膨脹系數(shù)比軸承鋼小20%，因而能進(jìn)一步控制軸承在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)因內(nèi)圈膨脹而造成的預(yù)載荷增加。在潤(rùn)滑條件充分，固定預(yù)載荷下dmN值可提高1.2倍。
4) 內(nèi)圈為陶瓷的混合角接觸球軸承
近來(lái)有資料介紹，在定位預(yù)載緊的情況下，內(nèi)圈也使用陶瓷材料的混合型角接觸球軸承。因?yàn)閮?nèi)圈也使用陶瓷材料，軸承內(nèi)徑或滾道離心膨脹小，預(yù)緊的增加也較小，加之剛性好，球和滾道的接觸面積小，所以發(fā)熱和膨脹也較小，可以比僅球?yàn)樘沾傻妮S承達(dá)到更高轉(zhuǎn)速。但是，正是由于高速旋轉(zhuǎn)時(shí)離心和膨脹小，它與金屬制主軸之間的配合應(yīng)力如果過(guò)大就可能產(chǎn)生破壞甚至碎裂。
3 高速化主軸軸承的潤(rùn)滑
主軸軸承的高速化發(fā)展趨勢(shì)對(duì)潤(rùn)滑提出了更高的要求。傳統(tǒng)dmN值在50×104以下的脂潤(rùn)滑，由于使用簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)而得到廣泛應(yīng)用，而且無(wú)需特別維護(hù)，也無(wú)需后續(xù)補(bǔ)充，大多數(shù)為終身潤(rùn)滑。隨轉(zhuǎn)速提高，dmN值達(dá)100×104以上時(shí)采用油氣和油霧潤(rùn)滑，與脂潤(rùn)滑相比，溫度上升小，能夠以更高速度旋轉(zhuǎn)，因而成為主要的潤(rùn)滑方法。而噴射潤(rùn)滑雖然dmN值可達(dá)到250×104，但需要大量潤(rùn)滑油，因攪拌阻力使動(dòng)力損失較大，而且需要較復(fù)雜的附屬設(shè)備，成本較高，所以一般不使用這種潤(rùn)滑方式。
從第18屆東京(1996年)和第19屆大阪(1998年)國(guó)際機(jī)床博覽會(huì)展出的機(jī)床看，采用陶瓷滾動(dòng)體、油氣和油霧潤(rùn)滑方式大功率電主軸的數(shù)控機(jī)床和加工中心已占整個(gè)參展機(jī)床的85%左右。
4 結(jié)束語(yǔ)
對(duì)于高效加工機(jī)床，提高主軸軸承的速度是實(shí)現(xiàn)高速實(shí)用主軸的關(guān)鍵。隨著高速化的發(fā)展，滾動(dòng)體采用陶瓷材料，dmN值在200×104左右，脂潤(rùn)滑條件下dmN值100×104左右的數(shù)控加工中心正在日益增加，已成為一種發(fā)展趨勢(shì)，采用油氣和油霧潤(rùn)滑方式也將成為今后高速機(jī)床主軸軸承潤(rùn)滑的發(fā)展方向。
