主轴高速化关键技术的动向

近年来,以机械加工为中心,主轴高速化的发展取得显著进步,不仅轴承不断改进,而且包括其周边技术也有很大的发展。

本文介绍主轴高速化技术和一些新技术。

1主轴高速化的变迁

图1所示为过去各届JIMTOF展出的机械中,主轴的最高转速的变化情况。到第十一届为止最高转速超过10000r/min的机械几乎没有。到第十二届以后,也是在机床技术的进步的前提下,主轴高速化开始显现。特别是到第十四届以后。超过10000r/min的超高速主轴也可以生产了,主轴的高速化技术的开发得到了全面加速。现将要实现主轴高速化的相关技术领域示于图2。

在这些领域中,作为对滚动轴承必需的技术,可以举出的实例有:预压调整技术、轴心冷却技术、内滚道润滑技术、油滴(油气)润滑技术等等。但是,在高速化呼声最高的第十九届JIMTOF上,展出的大部分机械都在10000r/min-25000r/min,多半都停留在15000r/min。另外,脂润滑具有的优点还未能作出高的评价结果,在有些方面,现在的高速化技术仅是图3所示的高速机械加工的一个技术侧面,也就是说,实现主轴高速旋转只不过是一个必要条件。

2脂润滑下的高速化

脂润滑虽然在提高高速性方面有困难,但它的优点在于可省去油润滑供油装置和给油的麻烦以及防止喷雾等引起的工作环境恶化,因此,重新评价脂润滑方式和研发适合脂润滑的高速化技术变得活跃起来了。

在这些技术中,譬如,也有将超硬球换成陶瓷球的。因为陶瓷球比重比超硬球低,高速旋转时,可以减小离心力的影响,所以,即使在脂润滑下,实现一定的高速性成为可能。虽然陶瓷球比超硬球价格高,但是,随着制造技术的提高和需要的扩大,现在的价格已变得很合理。

特别是将轴承保持架材料,由聚酷胺树脂或酚醛树脂换成PEEK树脂后,使得原来只有油润滑才能实现的旋转领域也可以使用脂润滑。

图4是角接触球轴承71916CD／P4ADBC(重预压)仅更换了保持架后的轴承温度比较。从图中可看出仅将保持架材料换成PEEK树脂,在10000r/min转速下,就产生了约6℃的温度差异。

同样,图5是圆柱滚子轴承N1013的滚子和保持架材质差别引起的轴承温度变化比较。结果,对于更换成陶瓷滚子和PEEK保持架的圆柱滚子轴承,在14000r/ndn下进行比较,就会明显地产生10℃多的温差。

另一方面,陶瓷滚子和PEEK保持架组合的圆柱滚子轴承经旋转试验后的脂变色情况示于图6。在通常试验后可以看到脂变色,但是在这次试验中变色和劣化都未发现。由此可见,随着上述材质的改进,对高速旋转的效果是明显的。

但是润滑脂是有寿命的,脂的寿命也常比轴承本身短。了解了这一不足后,选择合适的润滑方法是必要的。

3主轴高速化事例和其构成技术

在超越脂润滑领域的旋转速度下,作为实现高速且高刚性主轴的一般主轴构造,推荐采用角接触球轴承和圆柱滚子轴承的组合结构。

下面,在介绍这种组合结构时,应该同时使用本公司独立开发的特殊隔圈内滚道润滑技术和上油滴(油—气)润滑技术,来实现高刚性。

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