机床主轴与轴承分析

优胜编程龚老师

机床主轴与轴承分析






近年来，机床主轴的性能进一步向高转速、高精度、高刚度方向发展。在满足这些要求的同时，还必须有利于环境保护并重视全球变暖等环保问题。

设计的特别之处      

余炯先生：NSK 的轴承设计以摩擦学为核心，依靠摩擦学的四大核心技术（解析技术、评价技术、润滑技术以及材料技术）。对于机床主轴轴承的设计更是如此，首先，NSK利用其最新技术开发出了长寿命、高性能的轴承材料。其次，对于滚动体的设计，我们开发了在高速和超高速的环境下，各方面性能优越的陶瓷材料，有效地实现了金属滚动体所达不到的超高速、超高精度的旋转要求，赢得了广大用户的好评。另外，NSK开发设计了独特结构形状的滚动体引导的树脂保持架，具有润滑脂磨合时间短，温升稳定，低摩擦低噪声，特别是在脂润滑的条件下能发挥更好的效果，而对于与精密圆柱滚子轴承，更是应用了超高性能的PPS和PEEK树脂材料，具有更优越的高速性和耐热性。      

陈士玮先生：主轴轴承的径向跳动、端面跳动、滚动体直径不一致等形位误差会严重影响主轴系统及其加工件的精度，因此用于精密机床主轴上的轴承精度应为 P5 及其以上级，而对于数控机床、加工中心等高速、高精密机床的主轴支承，则需选用 P4 及其以上级超精密轴承。      
主轴轴承的高速适应性也特别重要，特别是为了满足加工速度不断提升的要求，包括电主轴在内的高速主轴的开发和不断改进，对主轴轴承的高速适应性的要求越来越高。如果轴承的高速适应性不好，主轴系统的温升会很严重，甚至会烧死失效。      

叶军先生：作为关键基础件，机床主轴轴承是机床加工精度指标保证的基石。随着现代机床向高精、高速、高可靠性方向发展，对主轴轴承提出了更高的要求。如在传统机械或一般机械中，转速主要在几百转到几千转/分钟，而现代高速加工机床，主轴速度要求达到几万转到十几万转/分钟。在轴承行业内，用dmN值表示高速性能，它是直径与转速的乘积，机床主轴的指标一般在200万以内，最高的达400万，要求非常高。因此，对轴承的设计提出了全新的要求，以角接触球轴承为例，从材料的选择、结构的设计、引导方式、润滑方式设计、沟曲率系数选择等方面都需要针对主轴的要求进行分析、研究。 对于材料的研究      

叶军先生：由于机床主轴轴承高精度、高速、高可靠性要求，在材料上有一些特殊要求，套圈材料多选用优质精炼钢，国外有特殊专用钢。保持架材料有铜、塑料、专用自润滑材料。滚动体有轴承钢、陶瓷材料。        作为一种新材料，陶瓷材料在滚动轴承中的应用开辟了轴承材料的新天地。陶瓷材料的应用突破了传统钢轴承的许多应用极限，如高速性、耐磨性、绝缘性、耐温性。常用的氮化硅陶瓷比重仅仅是钢的1/3多，因此在高速下引起的滚动体对套圈的应力水平大大降低，同尺寸的轴承极限转速大幅提升；氮化硅陶瓷的硬度达 1500HV，是轴承钢的一倍，耐高温达1200℃是轴承钢的6倍，这些无疑扩展了传统钢制轴承的使用范围。因此，可以说，陶瓷材料的应用是滚动轴承材料的一次革命，陶瓷材料轴承是面向21世纪的最具发展前景的新材料轴承。      

陈士玮先生：对于一般的机床主轴，主轴轴承的材料没有特殊的要求。但伴随着数控机床主轴向高速化发展，主轴轴承的运转速度要求越来越高，其对材料的要求也越来越高。目前，陶瓷材料（主要指 Si3N4工程陶瓷）已成为制造高速精密轴承的理想材料。






与轴承钢相比，陶瓷材料具有下列优势：
1）密度小。可实现轴承的轻量化和高速化。

2）刚性高。受力后的弹性变形小，相对载荷的刚性高，大约可提高刚度 15％～20％，从而减轻了机床的振动。

3）热膨胀系数小。陶瓷轴承随温度变化的尺寸变化量小，且产生的热预载较低，从而避免了过多的热量聚集成疲劳剥落失效。

4）摩擦系数小。工作时产生的热量较小，大大降低了混合轴承中材料和润滑剂的应力。       陶瓷轴承已得到越来越广泛的应用，不过由于陶瓷材料的难加工性，精密陶瓷轴承多为滚动体是陶瓷、内外套圈仍由轴承钢制造的混合陶瓷球轴承。      

余炯先生：伴随着数控机床主轴向高速化发展，对主轴轴承提出了高速、高刚度、 低温升、长寿命的要求。而陶瓷材料（主要指Si3N4工程陶瓷）因具有密度小、弹性模量高、热膨胀系数小、耐磨、耐高温、耐腐蚀等优良性能，从而成为制造高速精密轴承的理想材料。      
具体来说，与钢球轴承相比，首先陶瓷的重量比钢球轻40%，所以作用于滚动体的离心力影响小，发热低；其次由于线膨胀系数低，高速旋转时随着轴承温度上升引起的预紧力相比钢球较低，发热低；另外其耐烧伤性能更强、刚度更高，可以实现更高精度的切削加工。      
除了陶瓷滚动体之外，NSK通过潜心研究刚才长寿命化技术，开发出长寿命、高性能的主轴轴承材料。他们分别是：超高速回转环境下耐用的SHX材，高负荷环境下高可靠性的EP钢，各种一般环境下实现长寿命化的Z钢。 极高导向精度和转速的实现      

陈士玮先生：针对主轴轴承要满足极高导向精度和转速的技术要求，FAG公司的解决方案主要体现在选用新的材料、产品设计优化、保证和提高机械加工质量等几个方面。      
通过不断的理论分析、试验以及应用反馈，不断地优化主轴轴承的内部参数，包括设计出如 TX 保持架。保持架的接触点对提高转速极为重要，这种 TX 保持架设计和润滑剂的流动使得 FAG TX 主轴轴承在高速运转时温升减小 10％，同时，这种新的轴承系列在相同的边界条件下可使转速最高提升 10％。      
此外，电主轴中由于温度场梯度较大，两个轴承的温度不同，从而导致运转过程中每个轴承的轴向和径向承载不均，这些不均的载荷影响轴承的刚度和串联布置轴承组的使用寿命。FAG 为电主轴选配的串联轴承组可大大减少这些问题。      

叶军先生：轴研科技可以提供机床主轴轴承P4～P2级需求的全套解决方案。为了满足主轴轴承的高精度、高转速，公司开发了高速塑料保特架材料、陶瓷材料滚动体、高精密轴承组配技术和万能配对技术，公司开发的精密机床主轴轴承荣获国家高新技术产品，“机床主轴轴承制造技术及应用技术”荣获省部级奖励，“高速轴承塑料保持架材料的研究”荣获国家级奖励。 磨损和发热问题的解决      

余炯先生：具体来说，NSK开发了具有机械强度更高长寿命的高性能钢材以及高精度高速性能优越的陶瓷滚动体，非常有效地解决了轴承运转时磨损和发热的问题。此外我们对保持架的结构和材料的改进，使得保持架对油脂的劣化影响小、润滑更充分、耐热性更好。      

同时，为了既能有效地保证轴承运转时的润滑条件，又可以尽量减少甚至防止灰尘的混入，解决磨损和发热的问题，NSK对轴承、润滑方法不断进行改进和设计，并率先实现了油气润滑方法，并逐渐被广大用户采用，获得了广泛地认可。近年来，随着环保时代的来临，NSK又开发出了高速主轴用润滑脂补给系统，向高速运转的轴承进行间歇性地补给微量的润滑脂，同时利用最佳形状的隔圈将使用过的润滑脂排到轴承座内设置的贮藏槽内，在世界上首次实现了高速领域的润滑脂润滑，同时还实现了长寿命，低温升。