高速加工中的機(jī)床主軸軸承技術(shù)探討

孟偉　吳非　燕萍

摘要：本文首先分析了高速加工技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)及其對(duì)機(jī)床主軸的要求，并在此基礎(chǔ)上對(duì)高速加工中的機(jī)床主軸軸承關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行論述。期望通過本文的研究能夠?qū)μ岣邫C(jī)床的加工效率有所幫助。

關(guān)鍵詞：高速加工技術(shù)；機(jī)床；主軸軸承

1.高速加工技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)及其對(duì)機(jī)床主軸的要求

1.1高速加工技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

高速加工技術(shù)采用精良的制造設(shè)備和材料刀具，可以加快切削毛坯余量的速度，加工出高質(zhì)量、高精度的復(fù)雜零件，同時(shí)還可以降低加工成本，提高加工效率。高速加工的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：大幅度縮短加工時(shí)間，1臺(tái)高速機(jī)床可替代4臺(tái)普通數(shù)控機(jī)床；發(fā)熱小，切削速度快，零件變形小，可對(duì)薄壁零件進(jìn)行加工；表面加工質(zhì)量高，且加工完畢后無需再用磨削機(jī)床加工；加工的零件具有較好重復(fù)性，能夠應(yīng)用于模具制造行業(yè)電極加工；機(jī)床占地面積小，僅需要少數(shù)工人；有利于縮短交貨期，加快投資成本回收。

1.2高速加工技術(shù)對(duì)機(jī)床主軸的要求

在高速加工的過程中，要求機(jī)床主軸應(yīng)具備足夠高的剛度和回轉(zhuǎn)精度，基于這一前提，機(jī)床的電主軸，需要采用內(nèi)徑較大、精度較高且高速性能良好的軸承，并且還要配備先進(jìn)的潤(rùn)滑系統(tǒng)。同時(shí)，電主軸除了要具備較高轉(zhuǎn)速之外，其低速段還應(yīng)具備較大的輸出轉(zhuǎn)矩，只有這樣才能夠滿足精加工和低速重切削的要求。此外，數(shù)控加工中心要求主軸能夠精度定位，以滿足自動(dòng)換刀等操作要求，故此，電主軸應(yīng)當(dāng)具備精確的切向準(zhǔn)停功能，而為了大幅度縮短輔助加工時(shí)間，并進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率，要求機(jī)床的電主軸應(yīng)當(dāng)具備快速啟停功能。為了滿足高速加工技術(shù)對(duì)機(jī)床主軸的要求，應(yīng)當(dāng)不斷加大對(duì)主軸軸承關(guān)鍵技術(shù)的研究力度，這也是本文研究的重點(diǎn)。

2.高速加工中的機(jī)床主軸軸承關(guān)鍵技術(shù)

機(jī)床主軸軸承的種類比較繁多，常見的有滾動(dòng)軸承、磁懸浮軸承、空氣軸承、動(dòng)靜壓軸承等等。其中滾動(dòng)軸承具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高速性能良好、成本低廉、剛度大、便于維護(hù)等特點(diǎn)，從而使其成為高速加工的機(jī)床主軸軸承首選。滾動(dòng)軸承的關(guān)鍵技術(shù)主要包括以下內(nèi)容：結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)、材料技術(shù)以及潤(rùn)滑技術(shù)等。下面本文就這三個(gè)方面展開詳細(xì)論述。

2.1主軸軸承結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)

對(duì)機(jī)床主軸軸承進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化的首要目的是提高軸承的高速性能，在具體優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程中，目標(biāo)函數(shù)的確定是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，主要包括球的滾動(dòng)比、接觸應(yīng)力、剛度、額定動(dòng)荷載等等，可供優(yōu)化的變化有球徑、溝曲率系數(shù)、球數(shù)等。在優(yōu)先排序的基礎(chǔ)上，對(duì)內(nèi)外套圈和保持架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，不但可使軸承的極限轉(zhuǎn)速大幅提高，而且還能使溫升顯著降低，由此便可以實(shí)現(xiàn)軸承的高速性能。對(duì)于主軸軸承而言，極限轉(zhuǎn)速的大小是決定其高速性能的關(guān)鍵性因素之一，所謂的極限轉(zhuǎn)速具體是指軸承在運(yùn)動(dòng)的過程中能夠承受最高熱平衡溫度時(shí)的轉(zhuǎn)速極限值。相關(guān)研究結(jié)果表明，軸承的極限轉(zhuǎn)速主要與以下因素有關(guān)：公差等級(jí)、潤(rùn)滑方式、預(yù)載荷、接觸角、軸承的工作狀態(tài)以及組配形式等。此外，軸承運(yùn)行環(huán)境中的熱載荷也會(huì)對(duì)極限轉(zhuǎn)速有所影響。因軸承轉(zhuǎn)速受內(nèi)部摩擦發(fā)熱引起的溫升限制，所以當(dāng)軸承運(yùn)行過程中的轉(zhuǎn)速達(dá)到某個(gè)界限值時(shí)，軸承便會(huì)由于內(nèi)部溫升過高出現(xiàn)熱粘著效應(yīng)，這樣一來，軸承便無法繼續(xù)工作。

2.2軸承潤(rùn)滑技術(shù)

油氣潤(rùn)滑是高速加工機(jī)床電主軸較為理想的潤(rùn)滑技術(shù)，該技術(shù)可根據(jù)實(shí)際潤(rùn)滑的需要，在不經(jīng)過霧化處理的情況下，直接將少量潤(rùn)滑油用壓縮空氣不斷地輸送到需要潤(rùn)滑的部位。油氣潤(rùn)滑技術(shù)在輸送潤(rùn)滑油時(shí)具備實(shí)時(shí)、定量、均勻的優(yōu)勢(shì)，這種供油方式能夠確保需潤(rùn)滑的部位始終不缺潤(rùn)滑油，并且有效防止因潤(rùn)滑油量過大而產(chǎn)生較大阻力，避免溫度上升。油氣在潤(rùn)滑的過程中處于相互分離的狀態(tài)，壓縮空氣不僅能夠?yàn)橛蜌廨斔吞峁﹦?dòng)能，還能夠?qū)S承進(jìn)行冷卻，清除軸承內(nèi)部雜質(zhì)。與油霧潤(rùn)滑相比，在相同工況、轉(zhuǎn)速的主軸軸承條件下，油氣潤(rùn)滑能夠降低軸承外圈溫度9-16℃，提高軸承速度因素25%以上。為保證油氣潤(rùn)滑裝置正常工作，一般情況下油氣潤(rùn)滑裝置由專業(yè)的電主軸公司制造，并且規(guī)定潤(rùn)滑油達(dá)到IS04406的13/10級(jí)清潔度標(biāo)準(zhǔn)。

2.3軸承材料技術(shù)

鋼制主軸軸承材料既要降低鋼中氧含量和夾雜物的數(shù)量，滿足長(zhǎng)壽命和超高潔凈的要求，又要改進(jìn)原有鋼種的化學(xué)成分，使其滿足不同使用場(chǎng)合對(duì)軸承高性能的要求。近年來，隨著軸承鋼冶煉技術(shù)的發(fā)展，真空脫氣GCrl5和GCrl5SiMo等材料已經(jīng)成為高速加工機(jī)床主軸軸承的主要材料。同時(shí)，由氮化硅陶瓷做滾動(dòng)體的混合陶瓷球軸承也正廣泛應(yīng)用于高速機(jī)床領(lǐng)域。與軸承鋼相比，陶瓷材料的密度是其40%，線膨脹系數(shù)不足鋼的25%。所以，在混合陶瓷球軸承高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，能夠減小離心力和摩擦力矩，緩和球與套圈的熱膨脹差所引起的軸承載荷，進(jìn)而降低軸承摩擦發(fā)熱量、減輕磨損程度、提高旋轉(zhuǎn)性能。陶瓷材料的縱向彈性模量是軸承鋼的1.5倍，因此陶瓷球軸承的剛性也會(huì)明顯大于鋼制軸承。此外，在相同結(jié)構(gòu)的前提下，陶瓷球軸承的極限轉(zhuǎn)速是鋼制軸承的1.2-1.3倍，如果進(jìn)一步優(yōu)化陶瓷球軸承的結(jié)構(gòu)，還能夠給予陶瓷球軸承極限轉(zhuǎn)速更大的提升空間。

3.結(jié)論

綜上所述，高速加工技術(shù)對(duì)機(jī)床主軸軸承的性能提出了較高的要求，為此，可以通過對(duì)軸承結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，并選用合理的潤(rùn)滑系統(tǒng)及優(yōu)選軸承材料等途徑，來提高主軸軸承的整體性能，使其符合高速加工技術(shù)的要求。這不但能夠提高機(jī)床的加工效率，而且還能延長(zhǎng)軸承的使用壽命。

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