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性能 机能 机床 主轴 发展

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高性能机床主轴的发展 摘要： 主轴系统在现代机床中的一个重要要求是实现更高的转速从而提高加工效率。此外，要使主轴系统在一个给定的转速范围内免受不正当的操作条件且具有较好的稳定性。本文提出了有助于主轴轴承在不同的领域的改进研究系统。首先，提出了替代主轴轴承运动学四触点的新结果。其次，对于浮动轴承的配置进行了新的解决方案的讨论。提出一种改进的圆柱滚子轴承，可以在更高的速度下操作。最后，讨论了在改进后的涂层轴承组件的故障安全性能下的潜能。在本文中介绍了这两个的分析研究和实验测试。 关键词： 机械，主轴，轴承 现代机床的生产率主要取决于转速限制和主轴单元的负荷能力。 一方面，现代切削刀具采用铝或镁，并配有立方氮化硼（ 多晶金刚石（ 刀片，这样的切削加工工具，使得切削速率从 5000m/达10000m/削刀具应用 20 至 30 毫米的直径来实现非常高的切削速度，从而达到主轴速度超过 100000 据滚动轴承的技术在本领域的实际状态，这种需求目前只能用平均直径为 30 毫米的主轴轴承来实现。然而，由于这些极端工作条件下，主轴单元的所有功能部件主轴轴承、电动机旋转转子会加载到其 物理极限。 另一方面，主轴还被应用于通用机床。这些特点是由不同的需求所决定的。例如，具有高的切割力和力矩适中的转速的钢的粗加工，在这种情况下，大直径的主轴和轴承来承受这些载荷。 主轴设计方法的不同是源于需求的不同。为了满足这些需求，速度特性系数 06mm/充分确保主轴本身和主轴轴承的刚度和稳定性。 图 1 铣刀电机主轴滚动轴承 3P， 4P）主轴轴承 轴承被主要应用在现代主轴机床中，必须履行最高要求 运行精度和刚度。在过去，为了提高轴承的性能开发了各种修改方法。其中，通过给较小的陶瓷球以及优化的外圈使用特殊润滑剂。尽管如此，高速运转还是极大地降低乐轴承的使用寿命。在操作过程中底层的主要作用是由不同的用途来决定的。尤其是，高速运转的内圈和外圈上的接触角的依赖性偏差导致轴向和径向刚度的减少。另外，在外圈上的接触区域的离心力作用下，陶瓷球受到强烈的负荷。 轴承之所以具有不同的内部几何形状是为了减少作用在滚珠上离心力所带来的负面影响。此外，对轴承的稳定性也有所提高，并对传统轴承的内圈和外圈滚道提供额外的接触点。 因此，滚珠的轴向和径向移动被阻止，恒定的接触角和轴向位移使内圈可以保证在很宽的速度范围内运动。上述这种思想被引入到轴承的设计概念中，如图 2所示（ a）和（ b）。图 2中的第三个（ c）这种新概念的设计方法在文中也介绍了。 图 2 轴承的不同多点 (3 p,4 p)选择 4P）轴承 表一主要研究多点（ 3P）轴承的操作过程及理论和实践调查。 实验室测试 的轴承制造机床和生产工程 (在 传统主轴轴承 的基础上的。也有一些通过数值计算分析特性的多点（ 4P)轴 承。 随后 ,关于新轴承的发展 有了 进一步的结果 ,运动学和四个接触分球正在考虑被使用。 所有的计算都是在轴承 型号为 7014、 直径 为 完成 的 。下面的图中使用缩略语 ，在 表 1的中列出。 表 1 3.、 4、 5使用的是缩用词 在 1的计算中表明，内圈的轴向位移可以减少不到两个微米，接触角的变化依赖速度是可以预防的。但是，多点轴承 (4 p)的安装与径向间是有间隙的。因此，他们对热有非常敏感的影响，特别是过度的高温使得轴承的内圈可能会引起相互干扰。这些影响也发生在高 速旋转的圆柱滚子轴承。图 3说明了多点（ 4P）轴承的内圈和外圈在 1赫兹和 4赫兹下的接触压力。这些直接接触直接传递到轴向荷载（见图表）和最大程度所受压力上。轴承的径向间隙显示为 22 微米的。为了防止内圈弹出，应选择合适的内圈并与轴之间有 35 微米的间隙量。因此，轴承是提前被安装上的。曲线 1和 2不考虑轴承计算的热效应。高应力值在内圈滚道曲率的结果上是很广的。赫兹压力的增加造成的内圈离心的扩张以及作用在球上的离心力增大。 图 3 在多点（ 4P）轴承在赫兹压力下速度和温 度 相反，曲线 3和 4显示内圈结合离心力超温（线性增加）的影响。通过假设并计算一个梯度为 1K/2000 内部应力显著增加，这是可以注意到的。在最大转速 30000 环上升超过限制值为 2000 N/除了这些理论结果，还要必须考虑到内部应力的热增加和过载的耦合效应。因此，人们可以看到一点对多点（ 4P）轴承的干扰在高速运转的情况下内圈温度明显过剩。这个假设将在第 图 2（ c）显示出第三个概念的新轴承几何形状的。它是为了防止在多点（ 4P）轴承的内部超载而开 发的。概念的特征是分割内环，它是一半固定在主轴体面向主轴的刀具侧面的环。于是，它可以承受从加工过程中产生的力。环下半部分可沿轴轴向移动，并通过碟形弹簧压向球，形成轴承的内部预压功能。 图 4中说明了假设多余的温度高达 15 图 3），多点（ 4P）轴承的内圈在计算速度依赖性和运动学预装中的发展，内部弹簧预紧量为 370N。 图 4 内部弹簧预紧为 3704P）轴承 4P）轴承的试验及研究 该试验台用于实验研究如图 6，其直接驱动可 实现高达 40,000 定扭矩达 定转速为 23,000 试主轴和驱动由一个爪式离合器相连接，试验轴承可沿轴向由一个液压活塞被加载，外圈的回火是通过水的循环在凸缘上实现的。由此，引起的附加滚动接触的外圈的加热可被减小。内轴承的温度是由一个接近内圈旋转的非接触式传感器来测量的。 图 6 试验台 图 7中显示的是实验结果为对多点（ 4P）轴承的一个刚性和一个弹性点。起初，刚性轴承（概念 (b)，图 2 所示）是测试的，在测试中 进行不回火的外圈。接着，将柔性轴承（概念 (c)，图 2 所示）与所述外圈的回火进行了测试，测得的温度显示相关的环境温度。在测试过程中的扭矩值来自电动机的电流。在图 7中使用的缩写在表 2中说明。 表 2 在图 7中使用的缩写 曲线 明第一个试验轴承的内圈和外圈的温度，如概念 (b)所示。轴向载荷达 1,000 N， 5克的轴承转速高达 19000转，每 2小时增加 2000转。 图 7 多点（ 4P)轴承的行为操作 最高转速主轴单元通常是基于角接触球轴承的弹性装置设计的。这种主轴由一个固定和移动轴承单元，以补偿热运动的主轴伸长率来设计的。主轴在温度梯度的情况下，轴承套圈的外壳的轴向运动可减少甚至避免造成主轴故障。 在这种情况下，圆柱滚子轴承可称为一个 “理想 ”的移动轴承。轴向相对的内、外环是由一个螺旋滚筒的旋转来运动的。然而，由于径向干扰温度及离心力作用于轴承组件而造成可达到的旋转速度。因此，对高速圆柱滚子轴承的方法是减少基于功率损失而造成内部产生的热量和增加在线接触赫兹压力。 障安全特性功率的优化 除了轴承设计的开发，更多的研究工作集中在传统主轴轴承的故障安全性能的最优化上。主轴故障往往是由润滑不足造成的，特别是润滑脂的润滑，润滑剂的供给不足，这些都可能会导致轴承的保持架破损或过热。 根据所设计的主轴角接触球轴承以及圆柱滚子轴承的现有技术的状态，被广泛用于高速主轴的应用程序中。然而，这两种类型的轴承的旋转速度是有限的，特别是通过物理作用如热和离心载荷。在本文中，一些方法都瞄准在轴承上的提高稳定性和速度性能。 然而，由于不充分的滑动轴承衬套，可动轴承可能也会失败。因此， 适应于高速运转的圆柱滚子轴承的开发工作尤为重要。轴承比传统的圆柱滚子轴承表现出更高的合规性。这个属性是通过提供狭窄水道或外圈和内圈与地面形成凹槽来实现的。在实际测试中，这些轴承比传统类型达到更高的转速。最后，介绍了涂层下故障安全特性的主轴轴承润滑不足的情况的优化。 1 M., G., 2003, 3- of 52/1: 3112 B., 2006, 3 2001, 4 4 Y., Y., 2004, A 126: 1089 5 W. et 2004, of a a 45: 233 of 56/1/2007 . ), G. 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