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軸承知識

高速數控機床主軸軸承精度及其保持性分析

2022-12-28

1、國內外高速數控機床主軸軸承發展對比分析

受加工設備、制造工藝以及相關技術的限制,我國機床軸承行業整體水平與外國先進水平存在比較大的差異。雖然國外精密機床軸承產品性能優良、可靠性高,但存在價格昂貴、交貨期長的問題,且國外供應商可能會采取限制供應等措施,嚴重阻礙了我國重大裝備制造業的發展,并影響我國經濟的運行和國家的安全。同時,受國內高端數控機床行業發展整體的影響,目前高檔數控機床主軸軸承的市場亦主要被國外軸承生產企業所占有,國內只有為數不多的軸承企業研制開發了部分產品,但是依然難以在核心高檔數控機床中應用與實踐。

高端機床功能部件的缺失已成為中國高檔數控機床發展的最大掣肘。“中國制造2025”期間,機床行業的主要目標之一就是推進高端數控機床功能部件的產業化進程。因此,發展精密高端數控機床的重要功能部件(高可靠性、高速、超精密軸承),能有效提升我國高端數控機床重要功能部件的自主化率,滿足我國機械、航空航天等工業發展的需要,有助于實現“中國制造2025”產業目標以及我國振興裝備制造業的戰略目標。

經過多年的發展,我國機床軸承產業已經形成了相當大的規模,但國內高端機床軸承產品的壽命、精度與國際先進水平仍存在一定的差距。這主要體現在3個方面。

第一個方面是高轉速。歐美機床主軸用角接觸球軸承主要采用油氣潤滑,dmn值最高可達4X106 mm·r·min-1, 油潤滑dmn值平均可達2.0X106~2.5X106 mm·r·min-1,脂潤滑dmn值最高可達2.0X106 mm·r·min-1,圓柱滾子軸承采用油氣潤滑采用油氣潤滑dmn值可達2.0X106~2.5X106 mm·r·min-1。以角接觸球軸承為例,我國目前采用油氣潤滑的軸承dmn值為1.2X106~1.8X106 mm·r·min-1, 脂潤滑時dmn值為1.0X106 mm·r·min-1,在軸承轉速上尚有一定差距。

第二個方面是精度等級。機床主軸軸承的公差等級一般均為P5以上,用于數控機床、加工中心等高速、高精密機床的主軸軸承,則需選用P4及以上精度。SKF公司的機床主軸用角接觸球軸承“標準公差等級”是P4A或P7,即旋轉精度為P2,尺寸精度為P4,圓柱滾子軸承的“標準公差等級”是SP,即旋轉精度為P4,尺寸精度為P5。FAG公司的機床主軸用角接觸球軸承“標準公差等級”是P4S,部分指標高于P4。NSK用于高精度車床的主軸軸承“標準公差等級”高達P47。

第三個方面是長精度壽命。機床主軸軸承的使用壽命通常不是按疲勞壽命評定,而是按精度壽命或磨損壽命來評定。這是由于主軸軸承滾動體與滾道的接觸應力一般都低于其疲勞極限(如一般規定為1 500 MPa,球軸承可參考值為2 200 MPa),而且潤滑、密封等運轉條件都比較良好,即一般認為是處于“理想狀態”的軸承,而國產軸承的長精度壽命偏低。另外,在高端數控機床高可靠性高速超精密軸承的產品創新研發以及測試方面,我國的軸承也存在差距,如缺乏基礎理論共性技術研究,企業產品研發、檢測試驗水平低,在創新體系的建設和運行、研發資金的投入、人才開發等方面仍處于低水平。在實際制造工藝方面,我國的制造工藝技術發展緩慢,許多關鍵工藝的技術難題攻關未能取得實質性的突破。

2、高速角接觸球軸承精度的影響因素

高速角接觸球軸承精度主要受到3個方面的因素影響。第一個方面是軸承部件的外部幾何形狀導致的誤差。在軸承部件的加工制造過程之中,一般都會出現幾何形狀誤差,如內外圈滾道的圓度誤差、滾動體的球形誤差等,都會對軸承的振動、運行可靠性與磨損造成影響。在荷載的作用下,角接觸球軸承的旋轉精度會由于套圈滾道圓度誤差以及鋼球的球形誤差出現波動,這屬于較為常見的幾何形狀誤差。在這種情況下套圈的受力分布不均勻,一些部位的磨損會加快,軸承的精度因此下降。第二個方面是表面特征。零部件的表面特征包含許多方面,如波紋度、表面粗糙度、表面幾何形狀等,這主要取決于設備加工制造的過程。對于角接觸球軸承來說,其套圈滾道與鋼球表面的波紋度、表面粗糙度均會影響到軸承的精度。軸承表面的波紋度主要是在軸承加工制造過程中,由砂輪部分振動而在部件表面形成的有周期性的起伏,波紋度的波長會大于赫茲接觸寬度,因此在軸承進行高速旋轉的時候就會影響到軸承旋轉的精度。另外,表面粗糙度也是評價軸承質量的指標,粗糙度的實際波長通常需要小于赫茲接觸寬度,具體的粗糙度值以符合要求為準,太大太小都會影響到軸承精度。第三個方面是工況條件。滾動軸承所處的外部工況條件會影響到軸承的精度,如裝配的模式、受載的類型、潤滑等。在實際應用過程中,工況條件應該根據實際情況進行合理調試,以使軸承可以達到足夠的精度。

若要保障高速數控機床主軸的剛度,就需要使用較大尺寸的角接觸球軸承。在這種情況下,滾動體和內外圈滾道之間不會有很大的接觸應力。然而,軸承的失效常常是因為軸承滾道、滾動體與保持架之間磨損嚴重,致使軸承精度減小,所以其工作性能不符合要求。首先是角接觸球軸承接觸角的問題,一旦軸承內外圈接觸角差值變大,就會使保持架磨損更加劇烈,直到軸承損壞,因此要減小軸承內外圈接觸角的差值。其次是旋滾比,會致使鋼球和滾道接觸面產生滑動磨損。只有旋滾比越小,滑動磨損才會越低。再次是軸承剛度,需要參照不同型號的機床要求來選擇軸承剛度,以減少振動為標準,使軸承的臨界轉速遠離主軸系統的工作轉速。最后是接觸面的接觸應力。滾動面上的接觸應力越大,就會出現磨損越嚴重的狀況,因此需要在最大程度上降低接觸面的接觸應力。

高速數控機床主軸軸承通常配套使用工程塑料保持架,塑料保持架精密注塑成型工藝、試驗、應用技術研究等非常重要。

(來源:HZYmatic )

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