高速加工对机床主轴轴承结构优化的要求

2018-05-12 12:50:50 admin 64

高速轴承20 世纪90 年代兴起的超高速加工,比一般加工有更高的转速、更快的进给速度,可提高生产效率,降低加工成本,改善表面加工质量,故需实现机床主轴的高速化和高效率化。机床主轴被称作机床的“心脏”,高速机床采用电动机与主轴融合在一起的电主轴,是一种直接依赖于高速轴承、电动机、精密数控与精密制造等技术的高度机电一体化的功能单元,由于省去了中间传动环节,其转速一般可达到每分钟几万甚至十几万转。

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电主轴内部的支承核心——主轴轴承,承受较大的径向和轴向载荷,需具有较高的回转精度和较低的温升,尽可能高的径向和轴向刚度,较长的、保持精度的使用寿命。因此,主轴轴承的性能对电主轴的使用功能极为重要。目前在高速主轴单元中采用较多的支承轴承是角接触球轴承。

角接触球轴承因制造精度高、极限转速高、承载能力强,能同时承受径向和一个方向的轴向载荷,在高速机床主轴的支承中被广泛地应用,主轴用滚动轴承技术主要有滚动轴承的结构优化、预紧和配置形式、材料技术、保持架研究和润滑技术等。

主轴用滚动轴承结构优化的期望目标之一是提高其高速性能。对于轴承的优化设计,首先要确定其目标函数,如轴承中球的旋滚比、刚度、接触应力及额定动载荷等,优化的变量有沟曲率系数、球组节圆直径、球径、球数等,根据重要程度对目标函数和优化变量进行优先排序,然后再设计内、外套圈及保持架的结构,实现既提高轴承的极限转速又能使温升尽可能低的高速性能。轴承的极限转速是轴承在一定工作条件下,达到所能承受的最高热平衡温度时的转速极限值。主轴轴承的极限转速与轴承的接触角、公差等级、工作状态、润滑方式、组配形式、预载荷以及材料种类等多种因素有关,同时还与工作环境的热载荷有关。由于滚动轴承的转速主要受轴承内部摩擦发热而引起的温升限制,当转速超过某一界限值后,轴承内部会因温度不断升高而发生热粘着,以致不能继续使用。电主轴也易受周围环境变化的影响( 如电动机发热、对轴套的冷却) ,尤其是在转速急剧变化过程中,这些变化使轴承处于严重的热载荷下,很容易引起轴承卡死,因此,要采取措施降低轴承对外部热载荷的敏感度。

具有良好高速性能的精密角接触球轴承是高速主轴常选用的轴承。角接触球轴承在工作时作用力与轴承径向面有一接触角,一般为15°,25°或40°,接触角越大,则轴向承载能力越大; 接触角越小,则越有利于高速旋转,通常采用15°和25°。接触角为25°的主轴轴承,其极限转速约为同结构15°接触角轴承的90%。另外,角接触球轴承内、外圈挡边的一面有一斜坡锁口,是为了装入比深沟球轴承更多的钢球。机床主轴精密轴承常用的公差等级有5,SP,4,4A,UP,2 和2A 级[4]。轴承的游隙、沟曲率系数、挡边形状等都要做适于高速性能的优化结构设计。

美国优异进口轴承公司开发了H70,H719,H718 系列高速主轴轴承,将球径缩小了30%,并增加了球数,制造的空心钢球可减小离心力和陀螺力矩。为减小外圈所受应力,外沟通使用“拱形”,在高速旋转时,球与外圈两点接触,因应力分散而提高轴承寿命。

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