陶瓷轴承已得到越来越广泛的应用,不过由于陶瓷材料的难加工性,精密陶瓷轴承多为滚动体是陶瓷、内外套圈仍由轴承钢制造的混合陶瓷球轴承。
余炯先生:伴随着数控机床主轴向高速化发展,对主轴轴承提出了高速、高刚度、低温升、长寿命的要求。而陶瓷材料(主要指Si3N4工程陶瓷)因具有密度小、弹性模量高、热膨胀系数小、耐磨、耐高温、耐腐蚀等优良性能,从而成为制造高速精密轴承的理想材料。
具体来说,与钢球轴承相比,首先陶瓷的重量比钢球轻40%,所以作用于滚动体的离心力影响小,发热低;其次由于线膨胀系数低,高速旋转时随着轴承温度上升引起的预紧力相比钢球较低,发热低;另外其耐烧伤性能更强、刚度更高,可以实现更高精度的切削加工。
除了陶瓷滚动体之外,NSK通过潜心研究刚才长寿命化技术,开发出长寿命、高性能的主轴轴承材料。他们分别是:超高速回转环境下耐用的SHX材,高负荷环境下高可靠性的EP钢,各种一般环境下实现长寿命化的Z钢。
极高导向精度和转速的实现
陈士玮先生:针对主轴轴承要满足极高导向精度和转速的技术要求,FAG公司的解决方案主要体现在选用新的材料、产品设计优化、保证和提高机械加工质量等几个方面。
通过不断的理论分析、试验以及应用反馈,不断地优化主轴轴承的内部参数,包括设计出如TX保持架。保持架的接触点对提高转速极为重要,这种TX保持架设计和润滑剂的流动使得FAG TX主轴轴承在高速运转时温升减小10%,同时,这种新的轴承系列在相同的边界条件下可使转速最高提升10%。
此外,电主轴中由于温度场梯度较大,两个轴承的温度不同,从而导致运转过程中每个轴承的轴向和径向承载不均,这些不均的载荷影响轴承的刚度和串联布置轴承组的使用寿命。FAG为电主轴选配的串联轴承组可大大减少这些问题。
叶军先生:轴研科技可以提供机床主轴轴承P4~P2级需求的全套解决方案。为了满足主轴轴承的高精度、高转速,公司开发了高速塑料保特架材料、陶瓷材料滚动体、高精密轴承组配技术和万能配对技术,公司开发的精密机床主轴轴承荣获国家高新技术产品,“机床主轴轴承制造技术及应用技术”荣获省部级奖励,“高速轴承塑料保持架材料的研究”荣获国家级奖励。
磨损和发热问题的解决
余炯先生:具体来说,NSK开发了具有机械强度更高长寿命的高性能钢材以及高精度高速性能优越的陶瓷滚动体,非常有效地解决了轴承运转时磨损和发热的问题。此外我们对保持架的结构和材料的改进,使得保持架对油脂的劣化影响小、润滑更充分、耐热性更好。
同时,为了既能有效地保证轴承运转时的润滑条件,又可以尽量减少甚至防止灰尘的混入,解决磨损和发热的问题,NSK对轴承、润滑方法不断进行改进和设计,并率先实现了油气润滑方法,并逐渐被广大用户采用,获得了广泛地认可。近年来,随着环保时代的来临,NSK又开发出了高速主轴用润滑脂补给系统,向高速运转的轴承进行间歇性地补给微量的润滑脂,同时利用最佳形状的隔圈将使用过的润滑脂排到轴承座内设置的贮藏槽内,在世界上首次实现了高速领域的润滑脂润滑,同时还实现了长寿命,低温升。