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数控金切机床高速主轴的性能分析测量工具


2022年07月04日

数控金切机床高速主轴的性能分析

数控金切机床高速主轴的性能分析 2011年12月02日 来源: 数控金切机床高速主轴的性能,在相当程度上取决于主轴轴承及其润滑。滚动轴承由于刚度好、精度可以制造得较高、承载能力强和结构相对简单,不仅是一般切削机床主轴的首选,也受到高速切削机床的青睐。从高速性的角度看,滚动轴承中角接触球轴承最好,圆柱滚子轴承次之,圆锥滚子轴承最差。   角接触球轴承的球(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,使轴承产生很大的接触应力,从而导致轴承摩擦加剧、温升增高、精度下降和寿命缩短。因此,要提高这种轴承的高速性能,就应想方设法抑制其Fc和Mg的增加。从角接触球轴承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°的小球径轴承。可是,球径不能减小过多,基本上只能是标准系列球径的70%,以免削弱轴承的刚度,更关键的还是要在球的材料上寻求改进。   与GCr15轴承钢相比,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轴承钢的1.5倍和2.3倍,而热膨胀系数仅为轴承钢的25%,这既可提高轴承的刚度和寿命,又使轴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,陶瓷球角接触球轴承与相应的钢球轴承相比速度能提高25%~35%,不过价格也要高一些。   国外将内外圈为钢、滚动体为陶瓷的轴承统称为混合轴承。目前混合轴承又有新发展:一是陶瓷材料已用于制作圆柱滚子轴承的滚子,市场上出现了陶瓷圆柱混合轴承;二是用不锈钢(比如FAG公司用氮化不锈钢Crodinur30)代替轴承钢制作轴承的内外圈特别是内圈,由于不锈钢的热膨胀系数比轴承钢小20%,自然在高速回转时,因内圈热膨胀所造成的接触应力增大趋势会受到抑制。众所周知,dmh值是表达滚动轴承高速性能的速度因子(dm是滚动轴承内、外圈的平均直径,单位mm;h是轴承的转速,单位r/min)。角接触球轴承的高速性能不仅与球的接触角、直径和材料相关,而且与轴承的润滑方式关系密切。目前滚动轴承有脂润滑、油雾润滑和油气润滑三种方式,其中油雾润滑虽然效果不错,但污染环境和危害工人健康,国外已很少采用。   脂润滑是最简单和环保性最好的一种润滑方式。由于脂在超高速运转下容易变质,故其dmh值较低,轴承为钢球时仅达80×104,为陶瓷球时可达110×104(FAG公司开发的新一代低温轴承其dmh值还可以在此基础上增加10%左右)。现在高速主轴轴承用得最多的是油气润滑方式,它是定时、定量地供给轴承以油—气混合物,使轴承各部位获得最佳的微量润滑并把污染减至很小。采用油气润滑的钢球或陶瓷球角接触球轴承,其dmh值一般可分别达到到140×104和210×104,若采用比较特殊的油气润滑方式,陶瓷球角接触球轴承的dmh值可达250×104甚至更高一点(图3为特殊油气润滑方式的一种,在试验室内其dmh值已达280×104)。   高速电主轴滚动轴承的配置形式有多种,但比较典型的是前、后轴承呈“O”型布局的两对角接触球轴承(见图1)。由于后轴承也是角接触球轴承,一般要设置滚珠套以便让后轴承能沿壳体轴向移动,使得主轴受热后可自由向后方膨胀。一般说来,角接触球轴承需要在轴向有预加负荷才能正常工作,预加负荷愈大,轴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,选定一个最佳的固定预加负荷值;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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