主轴高速化关键技术的动向

作者：三桥重昭

欢迎访问e展厅 展厅 1 加工中心/FMS展厅 车铣加工中心, 铣削加工中心, 钻铣加工中心, 镗铣加工中心, 五轴加工中心, ... 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。 3．1 内滚道润滑技术 从外部向轴承给油通常通过输油管进行，但是，用这种简单的油管送油方式，若超过一定的转速时，就在轴承的内外圈之间产生因旋转随之转动的空气层，润滑油常常不能到达球和滚道面的接触部位。特别是从油管喷出的空气流，因在球的行星旋转时断续地产生断流，也成为发生高频噪声的原因。为了消除这些问题，本公司采用图7所示的加隔圈的办法，采用这种方式，可实现在滚道面上均匀且有效地给油。 在本结构中，因为不用输油管，而是通过滚道面的全部周面节流喷出方式能显著改善由球引起的风切音，也就能够降低整体噪声水平。 将代表性的润滑方式和其性能比较示于表1。 同样将新开发润滑系统的简图示于图8。 3.2 油滴（油气）润滑技术 现在市场上出售的润滑装置，每一次的最小喷出量为 0.01ml以上，一次喷出量显然太多，这一说法是由相关部门提出的。这就是因为球与滚道面之间的油膜厚度在喷出前后变化，随着这一变化，轴承的发热量也发生变化，这一结果与周期性的轴向位移有关。 本公司综合了这些意见，开发出每一次喷射的最小喷出量为0.001ml，同时缩短喷射间隔，这种能够减小油膜厚度变化的润滑装置的外观如图9所示，同市售的油一气装置的比较数据示于图10。 据此，在确保高速时的稳定润滑状态的同时，满足更高精度的加工也成为可能，特别在高速机械加工领域获得很高的评价。 3.3 试验装置的主轴构造 本文试验的主轴结构中，前部使用7014CE／HCP4ADBA角接触球轴承，后部使用N1013KTNHA／HC5SP圆柱滚子轴承。而且，考虑在离心力的影响下内圈扩大，主轴和轴承的过盈量有必要按一定的比例增大。另一方面，由于注意到配合和轴承的预压也应该增大，所以，预估预压调整是必要的。 同样，即使圆柱滚子轴承，如果在外圈和柱滚子之间一但发生间隙，就会成为异常声和温度上升的原因，所以控制适当的间隙是很重要的。 3.4 试验结果 本文试验装置的刚性试验结果示于图11。该图是前后配置角接触球轴承的原构造与后部配置圆柱滚子轴承的比较试验结果。考虑到前者在热位移下轴承间的位置变化这一事实，通常，为了使后部轴承外圈与机架之间配合为动配合，所以，径向预压下的圆柱滚子轴承要具有高刚性。 其次，将旋转试验结果示于图12。很明显随着转速升高，温度上升越迅速，但是，圆柱滚子轴承比角接触球轴承温升低，这对今后轴承结构的选择具有重要的指导作用。 4 今后的课题 不仅本公司，其它一些机械制造厂和轴承制造厂都在进行用旋转轴冷却替代预紧的技术开发，但许多技术仍在开发之中。 转轴冷却由于是提高效率的另一方面，所以反应非常敏感，应该有必要把冷却水温度控制在 0.01℃水平。其他方面，对机械加工中心的主轴，如何供给冷却水，这一方面的设计课题仍未解决。 替代按转速进行预紧的新的预紧机构不必采用依据外部信号进行主动式预紧调节技术，即使是转速转换预压这一预压转换机构，也不用采用从外部的信号到能动的预压调整的技术。旋转时即使受到离心力和温度上升的影响，机构也能够维持与静止状态同样保持力。采用两面限制的技术确实在前进，可是，未解决的部分也留了下来。 这些为实现高速化的课题仍有许多，目前主要是缩短生产周期和高附加值产品的生产。为此，或在主轴刚性提高下能做重切削，或在低振动水平下实现高精度加工，成为高速化的一个侧面。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (12/18/2006)