機(jī)床主軸與軸承

近年來(lái)，機(jī)床主軸的性能進(jìn)一步向高轉(zhuǎn)速、高精度、高剛度方向發(fā)展。在滿足這些要求的同時(shí)，還必須有利于環(huán)境保護(hù)并重視全球變暖等環(huán)保問題。

設(shè)計(jì)的特別之處

    余炯先生：NSK 的軸承設(shè)計(jì)以摩擦學(xué)為核心，依靠摩擦學(xué)的四大核心技術(shù)（解析技術(shù)、評(píng)價(jià)技術(shù)、潤(rùn)滑技術(shù)以及材料技術(shù)）。對(duì)于機(jī)床主軸軸承的設(shè)計(jì)更是如此，首先，NSK利用其最新技術(shù)開發(fā)出了長(zhǎng)壽命、高性能的軸承材料。其次，對(duì)于滾動(dòng)體的設(shè)計(jì)，我們開發(fā)了在高速和超高速的環(huán)境下，各方面性能優(yōu)越的陶瓷材料，有效地實(shí)現(xiàn)了金屬滾動(dòng)體所達(dá)不到的超高速、超高精度的旋轉(zhuǎn)要求，贏得了廣大用戶的好評(píng)。另外，NSK開發(fā)設(shè)計(jì)了獨(dú)特結(jié)構(gòu)形狀的滾動(dòng)體引導(dǎo)的樹脂保持架，具有潤(rùn)滑脂磨合時(shí)間短，溫升穩(wěn)定，低摩擦低噪聲，特別是在脂潤(rùn)滑的條件下能發(fā)揮更好的效果，而對(duì)于與精密圓柱滾子軸承，更是應(yīng)用了超高性能的PPS和PEEK樹脂材料，具有更優(yōu)越的高速性和耐熱性。

    陳士瑋先生：主軸軸承的徑向跳動(dòng)、端面跳動(dòng)、滾動(dòng)體直徑不一致等形位誤差會(huì)嚴(yán)重影響主軸系統(tǒng)及其加工件的精度，因此用于精密機(jī)床主軸上的軸承精度應(yīng)為 P5 及其以上級(jí)，而對(duì)于數(shù)控機(jī)床、加工中心等高速、高精密機(jī)床的主軸支承，則需選用 P4 及其以上級(jí)超精密軸承。

    主軸軸承的高速適應(yīng)性也特別重要，特別是為了滿足加工速度不斷提升的要求，包括電主軸在內(nèi)的高速主軸的開發(fā)和不斷改進(jìn)，對(duì)主軸軸承的高速適應(yīng)性的要求越來(lái)越高。如果軸承的高速適應(yīng)性不好，主軸系統(tǒng)的溫升會(huì)很嚴(yán)重，甚至?xí)�燒死失效�?

    葉軍先生：作為關(guān)鍵基礎(chǔ)件，機(jī)床主軸軸承是機(jī)床加工精度指標(biāo)保證的基石。隨著現(xiàn)代機(jī)床向高精、高速、高可靠性方向發(fā)展，對(duì)主軸軸承提出了更高的要求。如在傳統(tǒng)機(jī)械或一般機(jī)械中，轉(zhuǎn)速主要在幾百轉(zhuǎn)到幾千轉(zhuǎn)/分鐘，而現(xiàn)代高速加工機(jī)床，主軸速度要求達(dá)到幾萬(wàn)轉(zhuǎn)到十幾萬(wàn)轉(zhuǎn)/分鐘。在軸承行業(yè)內(nèi)，用dmN值表示高速性能，它是直徑與轉(zhuǎn)速的乘積，機(jī)床主軸的指標(biāo)一般在200萬(wàn)以內(nèi)，最高的達(dá)400萬(wàn)，要求非常高。因此，對(duì)軸承的設(shè)計(jì)提出了全新的要求，以角接觸球軸承為例，從材料的選擇、結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、引導(dǎo)方式、潤(rùn)滑方式設(shè)計(jì)、溝曲率系數(shù)選擇等方面都需要針對(duì)主軸的要求進(jìn)行分析、研究。

對(duì)于材料的研究

    葉軍先生：由于機(jī)床主軸軸承高精度、高速、高可靠性要求，在材料上有一些特殊要求，套圈材料多選用優(yōu)質(zhì)精煉鋼，國(guó)外有特殊專用鋼。保持架材料有銅、塑料、專用自潤(rùn)滑材料。滾動(dòng)體有軸承鋼、陶瓷材料。

    作為一種新材料，陶瓷材料在滾動(dòng)軸承中的應(yīng)用開辟了軸承材料的新天地。陶瓷材料的應(yīng)用突破了傳統(tǒng)鋼軸承的許多應(yīng)用極限，如高速性、耐磨性、絕緣性、耐溫性。常用的氮化硅陶瓷比重僅僅是鋼的1/3多，因此在高速下引起的滾動(dòng)體對(duì)套圈的應(yīng)力水平大大降低，同尺寸的軸承極限轉(zhuǎn)速大幅提升；氮化硅陶瓷的硬度達(dá) 1500HV，是軸承鋼的一倍，耐高溫達(dá)1200℃是軸承鋼的6倍，這些無(wú)疑擴(kuò)展了傳統(tǒng)鋼制軸承的使用范圍。因此，可以說(shuō)，陶瓷材料的應(yīng)用是滾動(dòng)軸承材料的一次革命，陶瓷材料軸承是面向21世紀(jì)的最具發(fā)展前景的新材料軸承。

    陳士瑋先生：對(duì)于一般的機(jī)床主軸，主軸軸承的材料沒有特殊的要求。但伴隨著數(shù)控機(jī)床主軸向高速化發(fā)展，主軸軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)速度要求越來(lái)越高，其對(duì)材料的要求也越來(lái)越高。目前，陶瓷材料（主要指 Si3N4工程陶瓷）已成為制造高速精密軸承的理想材料。與軸承鋼相比，陶瓷材料具有下列優(yōu)勢(shì)：1）密度小�？蓪�(shí)現(xiàn)軸承的輕量化和高速化。2）剛性高。受力后的彈性變形小，相對(duì)載荷的剛性高，大約可提高剛度 15％～20％，從而減輕了機(jī)床的振動(dòng)。3）熱膨脹系數(shù)小。陶瓷軸承隨溫度變化的尺寸變化量小，且產(chǎn)生的熱預(yù)載較低，從而避免了過多的熱量聚集成疲勞剝落失效。4）摩擦系數(shù)小。工作時(shí)產(chǎn)生的熱量較小，大大降低了混合軸承中材料和潤(rùn)滑劑的應(yīng)力。

    陶瓷軸承已得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，不過由于陶瓷材料的難加工性，精密陶瓷軸承多為滾動(dòng)體是陶瓷、內(nèi)外套圈仍由軸承鋼制造的混合陶瓷球軸承。

    余炯先生：伴隨著數(shù)控機(jī)床主軸向高速化發(fā)展，對(duì)主軸軸承提出了高速、高剛度、 低溫升、長(zhǎng)壽命的要求。而陶瓷材料（主要指Si3N4工程陶瓷）因具有密度小、彈性模量高、熱膨脹系數(shù)小、耐磨、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)良性能，從而成為制造高速精密軸承的理想材料。

   具體來(lái)說(shuō)，與鋼球軸承相比，首先陶瓷的重量比鋼球輕40%，所以作用于滾動(dòng)體的離心力影響小，發(fā)熱低；其次由于線膨脹系數(shù)低，高速旋轉(zhuǎn)時(shí)隨著軸承溫度上升引起的預(yù)緊力相比鋼球較低，發(fā)熱低；另外其耐燒傷性能更強(qiáng)、剛度更高，可以實(shí)現(xiàn)更高精度的切削加工。

    除了陶瓷滾動(dòng)體之外，NSK通過潛心研究剛才長(zhǎng)壽命化技術(shù)，開發(fā)出長(zhǎng)壽命、高性能的主軸軸承材料。他們分別是：超高速回轉(zhuǎn)環(huán)境下耐用的SHX材，高負(fù)荷環(huán)境下高可靠性的EP鋼，各種一般環(huán)境下實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壽命化的Z鋼。

極高導(dǎo)向精度和轉(zhuǎn)速的實(shí)現(xiàn)

    陳士瑋先生：針對(duì)主軸軸承要滿足極高導(dǎo)向精度和轉(zhuǎn)速的技術(shù)要求，F(xiàn)AG公司的解決方案主要體現(xiàn)在選用新的材料、產(chǎn)品設(shè)計(jì)優(yōu)化、保證和提高機(jī)械加工質(zhì)量等幾個(gè)方面。

    通過不斷的理論分析、試驗(yàn)以及應(yīng)用反饋，不斷地優(yōu)化主軸軸承的內(nèi)部參數(shù)，包括設(shè)計(jì)出如 TX 保持架。保持架的接觸點(diǎn)對(duì)提高轉(zhuǎn)速極為重要，這種 TX 保持架設(shè)計(jì)和潤(rùn)滑劑的流動(dòng)使得 FAG TX 主軸軸承在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)溫升減小 10％，同時(shí)，這種新的軸承系列在相同的邊界條件下可使轉(zhuǎn)速最高提升 10％。

    此外，電主軸中由于溫度場(chǎng)梯度較大，兩個(gè)軸承的溫度不同，從而導(dǎo)致運(yùn)轉(zhuǎn)過程中每個(gè)軸承的軸向和徑向承載不均，這些不均的載荷影響軸承的剛度和串聯(lián)布置軸承組的使用壽命。FAG 為電主軸選配的串聯(lián)軸承組可大大減少這些問題。

    葉軍先生：軸研科技可以提供機(jī)床主軸軸承P4～P2級(jí)需求的全套解決方案。為了滿足主軸軸承的高精度、高轉(zhuǎn)速，公司開發(fā)了高速塑料保特架材料、陶瓷材料滾動(dòng)體、高精密軸承組配技術(shù)和萬(wàn)能配對(duì)技術(shù)，公司開發(fā)的精密機(jī)床主軸軸承榮獲國(guó)家高新技術(shù)產(chǎn)品，“機(jī)床主軸軸承制造技術(shù)及應(yīng)用技術(shù)”榮獲省部級(jí)獎(jiǎng)勵(lì)，“高速軸承塑料保持架材料的研究”榮獲國(guó)家級(jí)獎(jiǎng)勵(lì)。 

磨損和發(fā)熱問題的解決

    余炯先生：具體來(lái)說(shuō)，NSK開發(fā)了具有機(jī)械強(qiáng)度更高長(zhǎng)壽命的高性能鋼材以及高精度高速性能優(yōu)越的陶瓷滾動(dòng)體，非常有效地解決了軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)磨損和發(fā)熱的問題。此外我們對(duì)保持架的結(jié)構(gòu)和材料的改進(jìn)，使得保持架對(duì)油脂的劣化影響小、潤(rùn)滑更充分、耐熱性更好。

    同時(shí)，為了既能有效地保證軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的潤(rùn)滑條件，又可以盡量減少甚至防止灰塵的混入，解決磨損和發(fā)熱的問題，NSK對(duì)軸承、潤(rùn)滑方法不斷進(jìn)行改進(jìn)和設(shè)計(jì)，并率先實(shí)現(xiàn)了油氣潤(rùn)滑方法，并逐漸被廣大用戶采用，獲得了廣泛地認(rèn)可。近年來(lái)，隨著環(huán)保時(shí)代的來(lái)臨，NSK又開發(fā)出了高速主軸用潤(rùn)滑脂補(bǔ)給系統(tǒng)，向高速運(yùn)轉(zhuǎn)的軸承進(jìn)行間歇性地補(bǔ)給微量的潤(rùn)滑脂，同時(shí)利用最佳形狀的隔圈將使用過的潤(rùn)滑脂排到軸承座內(nèi)設(shè)置的貯藏槽內(nèi)，在世界上首次實(shí)現(xiàn)了高速領(lǐng)域的潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑，同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)壽命，低溫升。