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高速主轴角接觸球軸承选择技巧

[ 发布日期:2017-03-17 点击:2923 来源:洛陽彙普軸承有限公司 【打印此文】 【關閉窗口】]
  數控金切機床的高速主軸系統,顧名思義是具有高回轉速度,但這並無嚴格的界限。對作爲高速切削機床代表的加工中心和數控銑床而言,般是指轉速≥10,000r/min的主軸系統,並相應具有高的角加(減)速度,以實現主軸的瞬時升降速與起停。爲適應制造業對機床加工精度愈來愈高的要求,高速切削主軸還應有較高的回轉精度,通常要求主軸的徑向跳動小于1或2μm,軸向竄動小于1μm。此外,主軸也要有足夠的靜、動剛度,以承受定的切削負荷和保持高的回轉精度。
  

  傳統的主軸系統包含皮帶、齒輪等中間傳動環節,不僅轉動慣量大,難于實現高的角加(減)速度,而且高速時也難于解決中間傳動環節出現的振動和噪聲。因此,現在的高速主軸系統大多是把電動機與主軸“合二而”、將傳動鏈縮短爲零的電主軸單元,結構上基本是把主電動機置于主軸前後軸承之間。這樣的電主軸,軸向尺寸較短,結構緊湊,主軸剛度高,出力較大。


  
  現在,也有少數高速輕切削銑床,使用將主電機置于主軸後軸承之後的電主軸。這種結構的電主軸軸向尺寸長,但可改進散熱條件。此外,某些主軸轉速在10000r/min至15000r/min的加工中心和銑床,不是采用電主軸而是通過薄膜式之類的聯軸節,將主電動機與主軸直接連接,從而省去主軸冷卻系統。不過,此方式既增加了轉動慣量,影響角加(減)速度,而且兩者直連後的非直線性又會引起振動(轉速愈高對直線性的調准要求也愈高),故不宜用于主軸轉速更高的機床。
  
  當前的高速電主軸,幾乎都是內置異步交流感應電動機。異步型電主軸的優點是結構較簡單,制造工藝相對成熟和安裝方便,別是可以更大限度地減弱磁場,易于實現高速化。此種主軸電機也正在進步改進,比如日本三菱電機公司近開發出可減少電損耗和縮短定子長度的高速、高率內置感應主軸電動機。
  
  近,外正研討在電主軸中內置交流永磁同步電動機的問題。與異步感應電動機相比,永磁同步電動機有如下優點:用永磁材料制造的轉子在工作過程中不發熱,解決了目前內置的異步感應電動機轉子發熱且難于充分冷卻的問題;功率密度大,工作率高,即可用較小的尺寸得到較大的功率和扭矩;低速性能好,易于實現精密控制等。然而,永磁同步電動機也有其弱點,那就是功率容量有限,弱磁困難,不利于實現高速化。故迄今爲止,只有個別機床公司有內置永磁同步電動機的電主軸在展會上亮相,而業化的電主軸制造廠尚沒有此種産品出售。有不少人認爲,對在弱磁場運行的高轉速電主軸,似乎用異步感應電動機驅動更爲合適。
  
  高速主軸用的軸承
  
  数控金切机床高速主轴的性能,在相当程度上取决于主軸軸承及其润滑。滚动軸承由于刚度好、精度可以制造得较高、承载能力强和结构相对简单,不仅是般切削机床主轴的,也受到高速切削机床的青睐。从高速性的角度看,滚动軸承中角接觸球軸承,圆柱滚子軸承次之,圆锥滚子軸承差。
  

  角接觸球軸承的球(即滚珠)既公转又自转,会产生离心力Fc和陀螺力矩Mg。随着主轴转速的增加,离心力Fc和陀螺力矩Mg也会急剧加大,使軸承产生很大的接触应力,从而导致軸承摩擦加剧、温升增高、精度下降和寿命缩短。因此,要提高这种軸承的高速性能,就应想方设法抑制其Fc和Mg的增加。从角接觸球軸承Fc和Mg的计算公式得知,减少球材料的密度、球的直径和球的接触角都有利于减少Fc和Mg,所以现在高速主轴多使用接触角为15°或20°的小球径軸承。可是,球径不能减小过多,基本上只能是标准系列球径的70%,以免削弱軸承的刚度,更关键的还是要在球的材料上寻求改进。


  
  与GCr15軸承钢相比,氮化矽(Si3N4)陶瓷密度仅为它的41%,用氮化矽制作的球要轻得多,自然在高速回转时所产生的离心力和陀螺力矩也要小得多。与此同时,氮化矽陶瓷的弹性模量和硬度是軸承钢的1.5倍和2.3倍,而热膨胀系数仅为軸承钢的25%,这既可提高軸承的刚度和寿命,又使軸承的配合间隙在不同温升条件下变化小,工作可靠,加之陶瓷耐高温且不与金属发生粘咬,显然用氮化矽陶瓷制作球体更适合进行高速回转。实践表明,陶瓷球角接觸球軸承与相应的钢球軸承相比速度能提高25%~35%,不过价格也要高些。
  
  外將內外圈爲鋼、滾動體爲陶瓷的軸承統稱爲混合軸承。目前混合軸承又有新發展:是陶瓷材料已用于制作圓柱滾子軸承的滾子,市場上出現了陶瓷圓柱混合軸承;二是用不鏽鋼(比如FAG公司用氮化不鏽鋼Crodinur30)代替軸承鋼制作軸承的內外圈別是內圈,由于不鏽鋼的熱膨脹系數比軸承鋼小20%,自然在高速回轉時,因內圈熱膨脹所造成的接觸應力增大趨勢會受到抑制。
  
  高速电主轴滚动軸承的配置形式有多种,但比较典型的是前、后軸承呈“O”型布局的两对角接觸球軸承。由于后軸承也是角接觸球軸承,般要设置滚珠套以便让后軸承能沿壳体轴向移动,使得主轴受热后可自由向后方膨胀。般说来,角接觸球軸承需要在轴向有预加负荷才能正常工作,预加负荷愈大,軸承的刚度愈高但温升也愈大。比较简单的办法是,根据电主轴的转速范围和所要承受的负载,选定个的固定预加负荷值;更好的办法则是预加负荷能随主轴转速改变而调整,在高转速时减小预加负荷,在低转速时增加预加负荷。
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