超高速主轴轴承
随着机床技术的发展,主轴的转速越来越高。目前,一般高速主轴多用角接触球轴承,接触角有15°和25°两种。其中15°接触角的轴承允许的转速要高一些,但轴向承载能力和刚度要低些。通常,15°接触角的角接触球轴承多用于磨床、铣床和高速加工中心。随着主轴转速的进一步提高,这类轴承已往往不能满足要求
一般的15°接触角的单个角接触球轴承,在轻预紧、脂润滑下,
d
m
n
值可达1×10
6
mm•r/min;油气润滑下,可达1.4×10
6
mm•r/min。如果
d
m
n
值过高,由于很大的离心力,球与外圈滚道间的接触压力会很大,从而降低轴承的寿命。在很大的离心力作用下,球与外圈滚道的接触角减小了,甚至可降至零;球与内圈滚道的接触角加大了。前者使轴承的轴向刚度降低,后者使径向刚度降低。此外,转速过高将在球上作用一个很大的陀螺力矩,使发热增加和保持架产生额外的应力。
因此,为了进一步提高轴承的转速,必须减小球的质量。国外近来研发了两种超高速轴承,接触角都是15°。一种是小球轴承,球径比一般的轴承小;一种是陶瓷球轴承,不仅球径小,而且材料为陶瓷(内、外圈仍为钢制)。轮廓尺寸则与一般角接触轴承xx相同,可以互换。当然近期来还研发了内外圈皆用陶瓷的全陶瓷轴承。
球的直径小了,球的质量可以减小。在保持离心力基本不变的条件下,转速约可提高40%。SKF公司这类轴承的代号为CE。有特轻和超轻系列两种,代号分别为7000CE和71900CE。脂润滑的{zd0}
d
m
n
值为1.4×10
6
mm•r/min;油气润滑的为2.1×10
6
mm•r/min。日本NSK公司,特轻系列称BNC10型(如d=70mm,称70BNC10),超轻系列称BNC19型(如d=70mrn,称70BNC19)。
d
m
n
值脂润滑可达1.2×10
6
mm•r/min;油气润滑的为1.7×10
6
mm•r/min。
陶瓷球的材料为氮化硅(Si
3
N
4
),白色。它的密度为3.2×10
3
kg/m
3
,仅为钢(7.8×10
3
)的40%。采用小直径的陶瓷球可以进一步减小球的质量,从而进一步提高转速。SKF公司的代号为CE/HC,脂润滑时
d
m
n
值可达1.7×10
6
mm•r/min;油气润滑时可达2.5x10
6
mm•r/min。
这类轴承的预紧力有轻预紧和中预紧两种,SKF代号分别为A和B。
这类轴承往往是多联的,即几个轴承成组使用。这时,前述的
d
m
n
值应乘以下表修正系数。
例如陶瓷球轴承,若内径为80mm,特轻系列,则外径为125mm,中径为102.5mm。油气润滑时,单个轴承的
d
m
n
值为2.5×10
6
mm•r/min,则转速可达2.5×10
6
/102.5=24000r/min。如为四联组合,轻预紧,则转速可达24000×0.55=12000r/min。可见,这类轴承能达到的转速是很高的。
超高速轴承由于球较小,承载能力下降了。比之一般轴承,额定动负荷约下降40%左右。但是,想到机床主轴负荷不大,高速主轴负荷更轻,因此不致发生问题。球小了,球数却增加了。球轴承的刚度,与球径的1/3次幂,球数的2/3次幂成正比。因此,这种轴承的刚度还有所提高。特别是陶瓷球的轴承,由于陶瓷的弹性模量约为3.14×10
5
MPa,比钢(2.08x10
5)
约高50%,故刚度将更高一些。
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