高性能机床主轴轴承开发借鉴

 新闻资讯     |      2020-05-20 07:55

 

为进一步提高机床性能,必须提高主轴单元(影响机床性能的主要单元之一)的性能,而主轴轴承起着关键作用。
随着对高精度加工需求的日益增长,轴承需要具备高速、高刚度和低温升性能。主轴轴承广泛采用脂润滑和油气润滑,事实上,为了易于操作和简化主轴结构,通常采用脂润滑。在高速场合以及高刚度很重要的场合,油气润滑则是首选方法。首先介绍JTEKT开发的两种脂润滑主轴轴承。

对机床和轴承的性能需求

主轴轴承润滑方式和速度、刚度的关系



1、脂润滑、高刚度、低温升双列圆柱滚子轴承

车床主轴单元的典型轴承布局如图1所示,为了保证径向刚度,车床主轴前轴承通常采用脂润滑圆柱滚子轴承。原来采用黄铜保持架,但在运行过程中有时保持架与滚子接触会产生金属屑,降低润滑脂性能,因此,在某些高速运行应用中使用了树脂保持架。最初使用聚酰胺树脂,然而随着主轴运行条件越来越苛刻,保持架又出现了断裂。

图1 车床主轴单元的轴承典型布局   

1.1 保持架断裂分析

快速加速、减速和重载引起滚子超前或滞后,从而产生沿保持架梁周向的拉、压载荷,造成了保持架的断裂。

保持架断裂分析

1.2保持架结构改进

1)保持架形状:由原来的窗形保持架改为爪形保持架;保持架材料:由聚酰胺改为超级工程塑料(具体材料不详,材料性能见表1)。


设计比较
表1 保持架材料性能比较

通过采用爪形保持架,可减少拉、压载荷作用于保持架梁周向产生的应力。FEM分析得出,当滚子超前或滞后产生周向载荷时,新型保持架产品的最大主应力约为常规产品的1/3。

最大主应力分析结果

2)对于滚子引导的爪形保持架,由于轴承旋转时作用在保持架的离心力使爪径向变形(膨胀),导致旋转时保持架引导间隙变大,结果使保持架与滚子的接触应力增加,从而引起发热。因此,在材料方面,选择超级工程塑料作为抗断裂有效防止爪变形;为了减轻爪的质量,缩短了爪的长度

转速与引导间隙的关系(有限元分析结果)

通过耐久性和温升试验证明了新开发轴承的良好性能(耐久性提高3倍以上,温升降低24%)。

2、脂润滑、低温升角接触球轴承

为了进一步降低温升,需要降低润滑脂的搅拌阻力和保持架与球的接触阻力,通过增大保持架与内圈的间隙,改善脂的流动性,降低搅拌阻力;改变保持架兜孔内球的接触点(兜孔形状改变),由常规产品的保持架兜孔内球有3个接触点改为保持兜孔内球仅有1个接触点。

设计比较

温升试验表明,与常规产品相比,温升降低15%。

3、超高速角接触球轴承

SURSAVE™保持架,实现了低NRRO(非重复性跳动)(高速运转时NRRO减小50%),低转矩(力矩减小20%),高速(dm.n值达到300万)。

该保持架采用PPS(聚苯硫醚)增强材料,结构强度更好。


改进前、后的保持架结构

高速旋转下的变形量分析

特殊举例的3种主轴轴承的设计开发都主要是通过对保持架结构、材料进行了改进,以提高保持架刚性、减小摩擦,在保持保持架基本作用的前提下,满足轴承的高性能需求。也反映了高速轴承设计中保持设计的关键性和重要性