機(jī)床中的高效滾動(dòng)軸承

機(jī)床的發(fā)展動(dòng)向

機(jī)床目前正在向幾個(gè)大的方向轉(zhuǎn)變，首先是5軸加工機(jī)和復(fù)合加工機(jī)應(yīng)用的增多。5軸加工機(jī)和復(fù)合加工機(jī)在1990年后半期左右開始在市場(chǎng)上出現(xiàn)，現(xiàn)在已經(jīng)在市場(chǎng)上廣泛普及了，特點(diǎn)是除了切削加工，還附加了研磨加工、檢測(cè)以及工件搬運(yùn)機(jī)器人等功能。另外，現(xiàn)在還有進(jìn)一步增加控制軸數(shù)量的動(dòng)向，一種更加復(fù)合化的傾向。其次是機(jī)床變得更加容易操作。比如在機(jī)床中設(shè)置自動(dòng)修正加工中的機(jī)械熱變位的功能;檢查磨具和工件互相干涉的功能;監(jiān)視運(yùn)行中的主軸狀態(tài)的功能(涉及溫度、振動(dòng)、變位等);以及設(shè)備的智能化。這些改變都將使機(jī)床變得更加容易操作。然后就是機(jī)床向高精度、微細(xì)加工的發(fā)展。這提高了DD電機(jī)或直線型電機(jī)等構(gòu)成要素的性能后，使副精密級(jí)的位置決定精度成為了可能。另外就是機(jī)床變得更加節(jié)省空間。目前，對(duì)于大批量生產(chǎn)線的緊湊機(jī)的高機(jī)能化的要求也很顯著。為了更加抑制設(shè)備的寬度，提高其維護(hù)性，設(shè)備寬度1000mm的5軸加工機(jī)現(xiàn)已問世。最后一點(diǎn)就是機(jī)床正在向減少環(huán)境負(fù)荷的方向發(fā)展。油氣潤(rùn)滑的空氣流量減少和從油氣潤(rùn)滑到脂潤(rùn)滑的切換等，市場(chǎng)上出現(xiàn)了很多意識(shí)到環(huán)境問題而設(shè)計(jì)的機(jī)床。

主軸用軸承的技術(shù)動(dòng)向

1.高速性和高剛性的并存

在機(jī)床向復(fù)合化發(fā)展的背景下，這種多品種少批量生產(chǎn)、變品種變批量生產(chǎn)以及工程總和的傾向變得更高。把在多個(gè)機(jī)械上加工多個(gè)工件總合成在一臺(tái)機(jī)床上，或把粗加工、精加工等多個(gè)工程總合成少數(shù)工程，來對(duì)提高生產(chǎn)性能和節(jié)省空間做貢獻(xiàn)。因此，對(duì)于機(jī)床主軸，有了從低速旋轉(zhuǎn)重切削開始向高速旋轉(zhuǎn)輕切削的廣范圍加工發(fā)展的需要，作為軸承，要求高速和高剛性的并存。對(duì)于高速，軸承單個(gè)的dmn值(軸承的P.C.D.×旋轉(zhuǎn)速度)，實(shí)現(xiàn)了角接觸球軸承為400~500萬(wàn)，圓柱滾子軸承為200~300萬(wàn)，適應(yīng)了機(jī)床的要求。但是，重視高速的話，對(duì)于剛性就會(huì)不利。為此主軸的設(shè)計(jì)，不得不同時(shí)重視高速性和高剛性的情況很多。從這里也能看出，維持高速性，并在重切削側(cè)具有必要的剛性是今后軸承開發(fā)的一個(gè)課題。

2.新潤(rùn)滑方式

潤(rùn)滑大致分為油潤(rùn)滑和脂潤(rùn)滑。一般重視高速加工的場(chǎng)合采用油潤(rùn)滑，低速旋轉(zhuǎn)且重視成本、使用性以及減少環(huán)境負(fù)荷的場(chǎng)合采用脂潤(rùn)滑。但是隨著機(jī)床的進(jìn)步，希望有一種能同時(shí)滿足兩種加工場(chǎng)合的潤(rùn)滑方式。

作為軸承廠商，對(duì)油潤(rùn)滑進(jìn)行改良，維持高速加工的同時(shí)又能節(jié)省能源和提高環(huán)保性能，或者改善脂潤(rùn)滑的技術(shù)的開發(fā)正在進(jìn)行中。也就是說，潤(rùn)滑技術(shù)是對(duì)軸承性能有很大影響的要素，今后需要展開的課題還有很多。

3.軸承的設(shè)計(jì)

機(jī)床主軸用軸承，根據(jù)高速、高剛性、減少環(huán)境負(fù)荷等各種要求性能，JTEKT公司目前提供R、C、D、F四種型號(hào)的高性能角接觸球軸承系列(圖)。R型球徑小球數(shù)多，為重視剛性的設(shè)計(jì);C型球徑大，使用陶瓷球，為重視壽命的設(shè)計(jì);D型為在油的供給方法上下功夫重視高速性的設(shè)計(jì);F型為考慮離心力，比D型更能適應(yīng)高速的設(shè)計(jì)。用戶可以根據(jù)使用需要選擇最合適的型號(hào)，各軸承的主尺寸都是按照ISO標(biāo)準(zhǔn)，軸或外殼的最低限度的設(shè)計(jì)變更可替換過去的產(chǎn)品，也能對(duì)應(yīng)提高已有設(shè)備的性能。

高性能軸承的性能相比較原來的高速型軸承(ACH系列)，R型軸承的高速界限提高到了原來軸承的約1.3倍，溫度上升減少了20%~30%。滾動(dòng)體采用陶瓷材料的R型軸承，C型軸承同樣，和原來軸承相比也有同樣的傾向，使根據(jù)使用時(shí)的旋轉(zhuǎn)速度重視剛性的R型設(shè)計(jì)和重視負(fù)荷能力的C型設(shè)計(jì)的選擇成為了可能。根據(jù)高性能軸承高速性能的提高和減少溫度上升的效果，高速旋轉(zhuǎn)主軸的采用剛性優(yōu)秀的定位預(yù)緊也成為了可能。

在脂潤(rùn)滑條件下，滾動(dòng)體使用陶瓷的R型軸承和油氣潤(rùn)滑條件下和原來軸承的升溫特性的比較試驗(yàn)結(jié)果是，高性能軸承在原來軸承需要油氣潤(rùn)滑的領(lǐng)域確認(rèn)可以使用脂潤(rùn)滑，有防止油的飛散導(dǎo)致的環(huán)境負(fù)荷下降，潤(rùn)滑裝置廢棄導(dǎo)致的成本降低等的效果。關(guān)于R型號(hào)，封入適量潤(rùn)滑脂的付密封圈型也已漸漸提升標(biāo)準(zhǔn)。

這些R、C型的軸承和原來軸承同樣有能使用脂潤(rùn)滑或油氣潤(rùn)滑這兩種潤(rùn)滑方法的標(biāo)準(zhǔn)型，但是能使用在更加高速旋轉(zhuǎn)的有油氣潤(rùn)滑專用型D、F兩種，這是采用了考慮這些軸承高速旋轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)生的風(fēng)障的影響而開發(fā)的軸承形狀。

D型軸承和R型軸承(球的材質(zhì)=陶瓷)的比較結(jié)果是，已確認(rèn)D型軸承有R型軸承約1.1倍的高速性能，并將溫度下降了5%~10%。由于D型軸承的軸承內(nèi)圈側(cè)面的槽開始至軌道部的油氣潤(rùn)滑為直接供給的構(gòu)造，不易受風(fēng)障的影響，和原來的油氣潤(rùn)滑相比能夠使空氣的流量減少20%。而且，減少球產(chǎn)生的風(fēng)聲也成為了可能，通過這些好的特征對(duì)于省能源或低噪聲有較大的貢獻(xiàn)。F型軸承為在原來軸承的側(cè)面裝上注油區(qū)，從外圈設(shè)置的注油嘴開始向保持架引導(dǎo)面供給油氣的超高速旋轉(zhuǎn)用軸承?；瑒?dòng)接觸的保持架引導(dǎo)面在急加減速或超高速旋轉(zhuǎn)時(shí)保持架的運(yùn)作有可能不太穩(wěn)定。但是，可通過從外圈噴嘴供給油氣使保持架運(yùn)作穩(wěn)定。

和現(xiàn)行高性能圓柱滾子軸承相比較，確認(rèn)提高了約1.5倍的高速性能并減少了約15%的溫度上升。圓柱滾子軸承的高速化帶來的優(yōu)點(diǎn)使主軸構(gòu)造能夠簡(jiǎn)單化。通常，主軸后側(cè)的支持構(gòu)造需要能夠根據(jù)溫度變化來吸收軸的伸縮。圓柱滾子軸承雖適合這個(gè)作用，但是由于至今為止圓柱滾子軸承的高速性能不是很完全，在高速主軸后側(cè)支持上一般還是采用“角接觸球軸承+副外殼”的構(gòu)造。但是這次開發(fā)的新高性能圓柱滾子軸承由于也可以對(duì)應(yīng)高速主軸，所以能夠使軸承周圍的構(gòu)造大幅簡(jiǎn)單化。

現(xiàn)行的高性能圓柱滾子軸承，在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)發(fā)生保持架的破損，使其高速性能有界限，但是只要改善這個(gè)缺點(diǎn)能使高速性能更加提高。首先，關(guān)于保持架的材料，和原來的聚酰胺樹脂相比采用了適合高速旋轉(zhuǎn)的輕量，高強(qiáng)度樹脂提高了強(qiáng)度。再者高速旋轉(zhuǎn)時(shí)成為類似頸部的構(gòu)造在保持架和滾子的接觸部，使保持架兜孔內(nèi)的滾子接觸形狀最合適化，實(shí)現(xiàn)了減少摩擦和低溫度上升。另外，套圈材料和原來產(chǎn)品同樣，采用容易入手的軸承鋼，通過適合高速旋轉(zhuǎn)的內(nèi)部設(shè)計(jì)提高了高速性能。

4.高可靠性

為了提高機(jī)床的可靠性，必須提高軸承的可靠性。為此根據(jù)檢測(cè)到的軸承溫度或振動(dòng)，來確立軸承的壽命，因此預(yù)測(cè)技術(shù)是不可缺少的。再者，若能檢測(cè)到軸承上承受的負(fù)荷的話，能根據(jù)加工狀態(tài)自我控制出最合適的預(yù)緊和潤(rùn)滑，這樣的結(jié)果，使同時(shí)具有高速性能和高剛性寬度很大的加工領(lǐng)域的對(duì)應(yīng)成為了可能?；诖?，JTEKT公司開發(fā)了根據(jù)轉(zhuǎn)速對(duì)軸承付加最合適預(yù)緊的獨(dú)自機(jī)構(gòu)，這個(gè)機(jī)構(gòu)能從低速至高速都有充足的剛性，和高輸出內(nèi)裝式電動(dòng)機(jī)組合能夠使高負(fù)荷的加工更加高效率地進(jìn)行。原來的定位預(yù)緊方式，隨著轉(zhuǎn)速的增加主軸剛性會(huì)增加，但是使用本機(jī)構(gòu)的場(chǎng)合，特別是高扭矩發(fā)生時(shí)低速旋轉(zhuǎn)領(lǐng)域的主軸剛性會(huì)飛躍性地增加，是適合高負(fù)荷加工的預(yù)緊方式。