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工具机主轴用轴承-机能要求与高速化的最新技术

日期:2010-03-03  来源:台湾《机械资讯》    点击:

就工具机的加工效率,加工精度而言,基于装置结构设计,以及控制系统的改良,日新月异的不断进步。就这篇文章而言,针对工具机主轴用轴承的机能要求与高速化的最新技术相关加以介绍。

 

1. 工具机的必要机能与主轴用轴承之机能要求

为了让工具机的加工效率,加工精度向上提升,主轴用轴承是追求高速化、高刚性化、高精度化,如图1所示,最近亦被要求能够达到省能源,以及对应作业环境(即对应环保)

 

(1)高刚性

为了使加工物的精度向上提升,必须提高主轴的刚性值,因此支持主轴的轴承之刚性也必须随之提升。主轴用轴承主要是由俱备轴向(Axial),径向(Radial)这两个方向之刚性,斜角滚珠轴承的组合来加以使用的情形,进而为了能够对应高刚性的要求,施与提高预压负荷,特殊内部设计,预压切换机构等。特别在面对高径向刚性场合时,使用圆筒轴承。

 

(2) 高精度

为了使加工物的精度向上提高,除了前述的刚性之外,主轴的回转精度(偏摆精度)也是十分的重要。为了维持主轴很高的回转精度,支持主轴之轴承回转精度,就非常的重要,通常是使用JIS 4级以上的精度产品,或者非反复偏摆精度NRRO之轴承管理。

 

(3) 对应环保

面对装置的省能源化与作业者的负担减轻,因此轴承的对应环保要求亦很高。就省能源化而言,试图让轴承扭力减低,关于作业环保对应方面,其油润滑是朝着空气、油之供给量减少,减少油雾的飞散量,低噪音化。以往工具机用轴承,以油润滑为主流,最近基于主轴的结构能够简素化,洗净、润滑油等封入作业,变得不需要情况下,被客户要求拥有附加上Sell的斜角滚珠轴承之润滑油来润滑情形。

 

2. 主轴用轴承的高速化技术

工具机制造厂在设计开发上,为了让工具机的加工效率向上提高,以及加工精度向上提高,最常导入的组合方式为主轴的高速化。伴随主轴的高速化,不可欠缺的是追求安定性优异之轴承。

 

(1)轴承高速化的问题

伴随主轴的高速化,轴承存在着如下几项问题:

从轴承产生的热。

高速回转时,预压过大。

选择最佳润滑方法。

 

(2) 轴承的高速化对应技术

关于前面叙述的问题,列举NTN公司的Ultage系列例子,轴承的高速化对应技术,如下做介绍。如图2所示,为NTN公司的Ultage系列的高速规格轴承之断面图。

 

从轴承开始减少发热

就轴承内部来看,伴随回转使得运动体与轨道面之间产生摩擦发热。此外,在高速回转时,轴承的转动体,基于离心力押附于轨道面上,若是回转速度越高,这个发热量就越大。

 

针对压抑发热量之对策而言,若与高速主轴用轴承转动体之标准Type比较时,采用直径1~2 Rank Zise Down比重较小的陶瓷球轴承。基于此、在转动体之作用情况下,能够压抑离心力与降低轴承的发热量。Ultage系列的高速HSE Type与标准70U Type比较时,采用小的转动体。除此之外、高速主轴用轴承,也采用了轨道轮、保持器的最佳设计与耐烧酌性优异的特殊材料,在高速回转时,试图提高信赖性。

 

高速回转时,预防预压过大

如图3所示,代表运转时预压量的变化(映像)示意图。在主轴导入的斜角滚珠轴承之内部,一般有施予预压荷重。如图4所示,在定位置预压方式,基于回转时的发热,或者离心力,使得内轮膨胀,轴承的预压量进而向上提升。这时造成预压量过大,以及轨道面与转动体的接触面增大,带给轴承烧损,或者寿命降低的情况。

 

如前面叙述过的Ultage系列,基于发热量的降低,因此压抑了预压值升高,在定位置预压方式的高速回转,能够做到(油气润滑:dmn=220万,油脂润滑dmn=140)。进而能够对应主轴追求的机能(回转速度、刚性、润滑方式等),选择最佳轴承Type与预估主轴回转时的预压上升,在初期选择Set Axial间隙,能够防止预压量过大的情形。

 

定压预压方式,能够压抑轴承内部预压的上升,若与定位置预压比较时,能够进行高速回转(油气润滑:dmn=260)。其反面,伴随回转速度的变化,使得主轴的轴方向产生变位,必须在事前对刀具尖端进行变位补正。

 

选择最佳润滑方法

E领域来看,油润滑方式透过大量的润滑油,为了让轴承冷却进行的喷射润滑,区分为微量的润滑油压抑发热之油气润滑,或者B领域之油雾润滑。就喷射润滑而言,虽然能够十分有效的获得轴承冷却效果,但是动力的损失也很大,故适用于高出力的驱动装置。另一方面油气润滑,或者油雾润滑,其温度上升与动力损失的理想关系图,能够达到B领域那样,最近使用喷射润滑方式,也多有被使用的情形。油气润滑专用的环保对应形轴承HSL/N10HSL Type基于附加了喷嘴特殊的间座,若与以往比较,空气量削减到1/2~1/4,油的使用量削减到1/5~1/4,透过低噪音化,最佳油量,让低发热与低动力损失两者成立,成功的压抑了资源消费量。

 

就油脂润滑轴承的场合来看,存在着高速回转时的油脂无法长寿命化的问题。BNSType在轴承两侧采用非接触Sell,并且采用特殊内部设计,进而封入能够保持长寿命的特殊油脂,达到高速长寿命(dmn=140万,使用2万小时以上),并且累积了许多在高速主轴上应用的实绩。

 

3 . 更加让轴承高速化的新技术~MQCJ润滑~

在前面的章节,伴随主轴用轴承所面对的问题,以及目前为止的对策加以叙述。接下来就针对最新的轴承高速化技术之应用,商品化的NTNMQCJ(Minimum Quantity andCooling Jet)之润滑斜角球轴承做介绍。代表MQCJ之润滑斜角球轴承的结构。

 

这个轴承积极的采用内轮冷却方法与微量润滑机构,在斜角滚珠球轴承定位置预压方式,当高速回转时(dmn=360),实现了动力损失小的情况。此外由于润滑油与外筒冷却油兼用的情况下,针对主轴全体而言,能够削减成本。

 

关于MQCJ之润滑斜角球轴承的特长来看,详细如下所述。

(1) 积极的内轮冷却

由于轴承在高速回转时,基于发热,以及离心力的影响,使得内轮膨胀,预压量增加。对外筒实施冷却处理场合,积极的对外轮进行冷却,这与不断放热的内轮之间,形成了很大的温度差,故造成预压量增加的结果。

 

针对于此的MQCJ润滑,从附加喷嘴之间座,而设置的内轮,俱备了Scoop,能够经常供应润滑油,积极的对内轮进行冷却。由于内轮的发热,内外轮温度差,能够压抑预压的增加,在油气润滑,或者油雾润滑的定位置预压方式,面对较为困难的高速领域,能够获得安定温度,以及长时间的运转。

 

(2)动力损失小的微量润滑机构

以往的喷射润滑是对轴承内部,将多量的润滑油进行喷射的作法。因此若与油气润滑比较时,冷却效果优异,但是由于搅拌抵抗值很大,存在着动力损失的问题。采用MQCJ润滑轴承的微量润滑机构,限制进入轴承内部润滑油量,将动力损失压抑到与油气润滑同等程度。在内轮Scroop喷射后的润滑油,附着于内径表面上,基于离心力与表面张力,移动到内轮外径的推拔面,故能够进入轨道面。但是内轮外径的推拔面与附加喷嘴之外轮间座之间,设定适当的间隙,针对到达轨道面的润滑油量进行限制。其结果是从喷嘴喷射到Scroop的润滑油,大部份用于对内轮进行冷却,只有需要的最小量油到达轨道面进行润滑。

 

基于这个微量润滑机构,能够让内轮冷却与动力损失得以压抑之两者同时成立,实现更加有效率的高速回转。

 

(3)外部装置的简素化

采用油气润滑,或者是油雾润滑的主轴用轴承场合,外筒冷却油的供给装置与润滑油,以及空气供给装置,必须各别的进行设置。MQCJ润滑的外筒冷却油与润滑油兼用的情形。基于油供给装置省略后,让成本得以削减。

 

基于以上的叙述,透过MQCJ润滑斜角滚珠轴承的预压确保,能够达到拥有高刚性与高速性主轴用轴承。

 

4.透过油脂润滑的高速化技术

MQCJ润滑方式来看,基于兼用做外筒冷却油之油润滑,让高速性能向上提升。

 

但是如今不仅油润滑,外部装置被要求不要油脂的润滑轴承之高速化呼吁很高。目前为止油脂润滑附加SellBNS Type能够对应这样的要求,进而对应高速、长寿命化,NTN公司在2006年日本国际工作机械JIMTOF展会场上有展出,如今朝着新的油脂润滑系统商品化迈进。(dmn=180:定位置预压方式)。这个轴承是由油脂蓄留间座与轴承来构成,从油脂蓄留间座,将油脂的基油供给到轨道面。让新鲜的润滑剂(基油)能够连续供应到轨道面,试图让轴承长寿命化。

 

为了提升工具机的性能,主轴使用的轴承被要求高速性能,环保性能,高信赖性。基于轴承的基本性能与润滑等的周边技术之提升,今后朝着对应这些要求迈进。

 

 

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