机床主轴用高速圆锥滚子轴承.pdf

3 6 轴承技术 2 0 0 8 年第 1 期 机床主轴用高速圆锥滚子轴承 日本 森正继Ma s a t s u g u Mo il 高刚性圆锥滚子轴承用于机床主轴， 难点 在于圆锥滚子轴承的高速旋转性差， 为克服这 个难点设计出了新轴承结构及空气油雾润滑结 构。新开发了降低给内外圈滚道给油的I同时充 分给挡边给油的结构， 从而达到轴承内部动力 损失极小化和高速化。内径为 1 0 0 m m的圆锥 滚子轴承的实验结果显示， 空气油雾润滑 d m n 值达到 1 2 5万， 超过了过去的实际成绩， 取得了 成功。 1 前言 机床主轴一般都要求高速旋转性和高刚 性， 这在很大程度上依赖于支撑主轴的轴承性 能。作为主轴轴承， 除滚动轴承外还有油或者 气体润滑的动压、 静压轴承或磁力轴承， 但是广 泛采用易维修、 成本低以及综合平衡好的滚动 轴承。滚动轴承用于加工中心， 就要重视高速 旋转性， 在这种情况下， 大多在主轴前面排列四 列高速角接触球轴承， 即使是定位予压 疗 式也 能够高速旋转， 但是刚性不一定很高。从另一 方面说 ， 复合机床的旋转主轴等重视刚性， 前侧 轴承大多选择双列圆柱滚子轴承和轴向负荷用 角接触球轴承的组合结构。这种情况下， 轴向 负荷用角接触球轴承的接触角为3 0 。 以上， 在 高速旋转时容易产生由旋转力矩引起的滑动， 因此高速旋转性能就差了。 但是， 目前机床都追求进一步提高加工效 率， 也就期望着复合机床的旋转主轴等的高速 性和高刚性能进一步提高。在滚动轴承疗面不 管径向还是轴向， 如果只要刚性极好的轴承， 那 么圆锥滚子轴承是最合适的。实际上， 圆锥滚 子轴承由于其高刚性， 已经被用于一部 分 大型 车床和通用车床， 但是目前机床又要求高速旋 转性， 由于圆锥滚子高速旋转性能很差， 所以使 用的越来越少。于是 ， N T N开发了新 的圆锥滚 子轴承， 提高了圆锥滚子轴承的高速旋转性， 结 合原有的高刚性， 在两方面都超过了双列圆柱 滚子轴承和轴向负荷用角接触球轴承的组合。 过去也研究过机床主轴用圆锥滚子轴承高 速化， 曾报告与 3 2 0 2 0相当的圆锥滚子轴承 d m n 值达到 1 2 5万的例子。但是在这个例子 中， 每分钟强制循环给油4 L以上， 作为代替润 滑脂或空气油雾润滑的双列圆柱滚子轴承和轴 向负荷用角接触球轴承组合， 含润滑成本和润 滑油系统的轴承系统全部的动力损失成为难 点。本文就有关油雾润滑的圆锥滚子轴承的高 速化进行研究、 试制、 实验， d m n值达到 1 2 5 万 ， 至今还无先例。 2 高速化的条件 滚动轴承高速化， 重要的课题是随着旋转 速度上升， 尽可能控制温度上升。如果温度上 升过高， 由于热膨胀压力增大， 会使温度进一步 上升。这在通常用于要求高刚性轴承系列的定 位予压方式上很 明显。 要控制温度上升， 就要供给大量的润滑油， 由于油的粘性， 轴承的发热量增大，．为了驱除轴 承热量而强制循环给油或喷气润滑， 在这里是 不能采用的。用压缩空气以油雾润滑方式供给 少量润滑油， 使轴承自身的发热量极小化， 这才 是达到高速化的要点。 因此， 认为如图 1 所示的圆锥滚子轴承发 热的主要原因， 也就是扭矩发 生 的主要原 因。 圆锥滚子的滚子母线和内外圈轨道的延长线在 旋转轴上交于一点， 这种结构不会产生因滚子 和滚道之间自转而引起的滑动摩擦。另外， 滚 子和滚道的接触形态为线接触， 不会产生差动 滑动， 弹性滞后作用的损失一般也很小。因此， 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 轴承技术 2 0 0 8 年第 1 期 3 7 以下列出了几项应该考虑的重要原因。 ① 滚子和滚道之间的 E H L 弹性流体润 滑 滚动粘性阻力 ② 滚子大端面和挡边面之间的滑动摩擦 阻力 ③ 滚子和保持架兜孔之间的摩擦阻力 ④ 轴承内部的油及空气的搅拌阻力 图 1 标准圆锥滚子轴承剖面图 图 2 滚子大端面和内圈挡边 干涉 模式图 首先， 有关①滚子和滚道之间的 E H L 弹 性流体润滑 滚动粘性阻力， 用以下的式子表 示 。 ．眦 z ⋯ 1 在此 ， 。 是指油量不 足的 E H L的贫 油 系数 ， 取值范围为0到 1 。 是 E H L人口处剪 断发热的修正系数， 由负荷、 旋转速度及润滑油 的物性决定。仪为润滑油粘 度一压 力系数。2 为滚子接触部分的长度。G 、 H、 w 为各个无因 次的材料、 速度、 负荷参数， 由轴承的几何形状、 旋转速度、 负荷 以及轴承和润滑油的物性来决 定。因此， 如果给定轴承的几何形状、 运转条件 和使用的润滑油， 要降低滚动粘性阻力， 就要在 E H L油膜的保护范围内， 尽量减小滚子和滚道 之间的给油量， 产生贫油， 瑚 的值越接近于 0越好， 同时减少人口处的剪断发热， 使 t 值 变小。 其次， 研究有关②滚子大端面和挡边面之 间的滑动摩擦阻力。这个部分的接触面压力 低， 流体润滑形式是等粘度一刚性或者粘度变 化一弹性体 E H L 形式。于是为了定性的调 查缺油给摩擦阻力带来的影响， 尝试用等粘 度一刚体形式进行数值解析。 ■ 霜 图 3 标准圆锥滚子轴承 3 2 0 2 0挡边部分 粘性摩擦扭矩的数值解析结果 内圈旋 转 速 度 5 0 0 0 m i n ～， 轴 向负 荷 1 k N， 润滑油粘度 0 ． 0 1 P a ． S 具体地说 ， 在极 坐标系 中用缓和法解 二元 流的雷诺方程式， 由得 出的油膜压力分 布求油 膜反 作用 力 和 压 力 中 心 位 置 ， 用 N e w t o n R a p h s o n 法 牛顿拉夫逊迭代法 进行反复计 算 ， 直到前者等于施加的负荷 ， 并且后者满足通 过滚子中心位置这个条件式。在雷诺方程式的 空蚀边界条件下使用雷诺 的条件。由最终从得 出的滚子大端面的浮上量和在歪斜角 的压力分 布， 算出挡边 的粘性磨擦扭矩 。图 2是模 拟这 时的滚子大端面和内圈挡边的流体润滑 的干涉 部分 ， 斜线部分是没有发 生贫油时 00 m i n 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 8 轴承技术 2 0 0 8年第 1 期 的流体润滑解析范围， 角 0为油膜压力发生开 始位置， 挡边贫油系数用下式定义。 机． 曲 ⋯ ⋯⋯ ⋯ ⋯ 2 - 曲 ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ z J 采用挡边贫油系数， 汇集一共 2 9 个滚子的 各挡边的粘性摩擦扭矩 ， 结果如图3所示。压 力大部分是 0 在 ,rr／ 2以下的范围内产生的， 因 此认为 机 ．r i b不到 5 0 ％。由图 3可 以看 出 。 m 为4 5 ％时， 扭矩则约为2 倍。这就是说， 虽然压 力发生范围， 即摩擦扭矩发生范围较窄， 但是因 为需要支撑同样的负荷， 所以挡边的油膜厚度减 小， 再加上范围减小的影响， 扭矩将增大。实际 上如果认为不仅是圆周方向， 半径方向也 会 发生 贫油， 那么估计扭矩会进一步增大。 按照上面所讲的要减小滚道的滚动粘性阻 力， 就要尽可能减少油量 ， 相反要减小挡边的摩 擦阻力， 就要确保充足的油量。另外， 如果减少 滚道的油量， 由上述③、 ④产生的扭矩也同时会 降低。 表 l 试验轴承扭矩的技术要求和试验条件 轴 承 名称 3 2 0 2 0 X U P 4 尺寸 内径 4 , 1 o o 外径 4, 1 5 o 总宽度 3 2 m m 接触角 1 7 。 滚子 钢制， 2 9 个 保持架 钢制冲压保持架滚动体引导 试 验 条 件 轴承负荷 轴向负荷 l k N 轴承润滑 油雾润滑 轴承两侧给油 油嘴直径 1 ． 2 1 一侧 使用的油 I S O V G 3 2 外壳冷却 没有 实际上， 应该确定油雾润滑油量和扭矩的 关系， 如表 l 所示标准圆锥滚子轴承3 2 0 2 0 ， 总 扭矩和挡边扭矩分开进行测量。和平常一样， 利用离心泵作用， 从背面 内圈小挡边面 给 油， 结果如图4所示。 在图4里， 总扭矩和挡边扭矩的差， 与上述 ①、 ③、 ④的总和相等， 但是在不到 4 0 0 3 m in 0 ． 。0 5 0 0 t 0 0 0 t 5 0 0 2 0 0 0 2 5 0 0 3 0 0 0 3 5 0 0 4 0 0 0 旋转次数 - i ‘ 图 4 标准圆锥滚子轴承 2 0 2 0的扭矩 测量结果 的比较低的速度范围内， ④的影响就非常小。 另外， 在滚子轴承上因为①与③相比是处于支 配地位， 所以认为主要是①滚道 E H L滚动粘性 阻力。从式①中可知， 滚动粘性阻力， 如果没有 贫油和发热的影响， 以旋转速度的0 ． 6 5次方的 比例增加。但是推测从被认为发热影响极小的 3 0 0 m i n 附近总扭矩开始减小， 是因为贫油的 影响很明显。另外， 降低油量， 使贫油的影响进 一 步加大， 确定能减小滚动粘性阻力。另一方 面， 因为挡边扭矩也是在流体润滑条件下， 与旋 转速度成 比例 ， 随着油量减少而增加 ， 证实了上 述的解析结果。 综上所述， 要使圆锥滚子轴承高速化， 有必 要设计成尽可能减少给滚道给油， 同时给挡边 充分给油的结构。 图5 新开发圆锥滚子轴承结构 3 新开发轴承的结构和性能 3 ． 1 基本结构 试制、 评价各种润滑、 内部结构的轴承， 结 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 轴承技术 2 0 0 8 年第 1 期 3 9 果如图 5所示。参照图 5 ， 依次表示其特点。 首先废除通常的内圈挡边， 并在外圈侧面配置 挡边。内圈旋转， 产生的离心力使挡边部分的 油飞溅 出去 ， 配置外圈挡边可以防止油量不足。 为了准确润滑挡边， 在挡边面设计至少两个直 喷油嘴， 从那里供给油雾润滑油。另一方面， 再从背面给油， 停止从上述直喷油嘴通过滚 之间向滚道给油。另外 ， 像标准件那样 的滚 引导保持架， 在高速情况下， 兜孔和滚子容易 f 涉受损， 因此， 采用外圈挡边引导的形式。而且 保持架材料采用轻量、 含油性的酚醛树脂， 滚 子 采用轻量、 热膨胀率小的陶瓷原料。 3 ． 2 试 验和 轴承性 能 试验主轴的结构如图6所示， 主轴通过联 轴节驱动外部的变频电机。只有新开发的轴承 设计成双列背 面组合。基本尺寸 与 3 2 0 2 0相 当， 内径为 1 0 0 ram。但是 ， 和标准件 的钢制 冲 压保持架不同， 兜孔的宽度增大了， 滚子的个数 从 2 9个减少到 2 3个。对座圈施行 外壳冷却 。 予压方式是初期游隙为 0的定位予压， 主要的 试验条件见表 2 。 试验是在一定的主轴 内圈 旋转速度下 测量内外圈温度和扭矩。在变频电机上按照指 定的各旋转速度设定主轴旋转速度， 在温度和 扭矩的值都稳定时测量这两个值。扭矩用主轴 上带的扭矩计测量， 新开发轴承的两个扭矩相 加， 也包括旋转部分的气流损失。新开发轴承 的油雾润滑供给量为每个轴承 1 ． 8 e e ／ h 。 图 6 试验主轴结构 表 2 主轴试验轴承的技术要求和试验条件 名称 3 2 0 2 0 X U P 4 轴 尺寸 内径 b l 0 0外径 b 1 5 0总宽度 3 4 m m 接触角 1 7 。 承 滚子 s i 3 N 4 、 2 3个 保持架 酚醛树脂制冲压保持架外圈引导 轴承游隙 机内予压为0 试 轴承润滑 油雾润滑 验 挡边给油 条 使用油嘴直径4 ， D ． 6 1 2 轴承1 列 使用油 I S O V G 3 2 件 给油量 0 ． 0 1 e c ／ 2 0 s 轴承 1 列 外壳冷却油温度 室温 1 麓转速度 ‘ l r ’ 1 内外 ■汪度 麓转运度 ’ b 扭矩 轴承一列 图7 新开发轴承的试验结果 测量得出结果， 内外圈温度如图7 a 所 示， 扭矩的值如图7 b 所示。图7 b 所示扭 矩值被换算成每一个轴承的扭矩值。如图所 示， 新 开 发 轴 承 内 圈 旋 转 速 度 达 到 1 0 0 0 0 mi n ～， 温度和扭矩也没有发现急剧上升 ， 此轴承用油雾润滑， d m n 值被证实达到 1 2 5 万。 在各旋转速度下， 用闪频观测器证实保持架旋 转速度， 但没有发现滑动， 确认是正常的滚动运 动。试验后各轴承要素的调查结果显示没有发 现变色或磨耗等损伤。另外， 由于油量减少， 为 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 0 轴承技术 2 0 0 8 年第 1 期 了防止滚道的油膜断裂， 特别是不要降低润滑油 的粘度。机床润滑油用标准的I S O V G 3 2 ， 由于粘 度降低认为可以进一步抑制扭矩温度上升。 还有， 也用标准轴承 3 2 0 2 0做其他用途， 但 是当润滑油粘度、 供给油量变化达到最高旋转 6 0 0 0 m i n 的时候， 轴承温度急剧上升， 不能继 续运转。 这种新开发轴承， 追求高速旋转性同时也 追求刚性。因此， 用原来前侧轴承使用的双列 圆柱滚子轴承和轴向负荷用角接触球轴承的组 合， 假设把荷重负荷时主轴变位量比较纳入机 床主轴的情况下， 通过计算， 可以确认荷重负荷 时主轴变位量比较。新开发圆锥滚子轴承结构 如图8 a 所示， 双列圆柱滚子轴承和轴向负荷 用角接触球轴承的结构如图 8 b 所示。新开 发圆锥滚子轴承技术要求和试验条件与表 2一 样。双列圆柱滚子轴承 N N 3 2 0 2 0 ， 轴向负荷用 角接触球轴承 N T A 0 2 0 A D B ， 共 同都作为标准 件。后侧配备单列圆柱滚子轴承 N 1 0 1 6 。给主 轴的前端纯轴向负荷以及纯径向负荷时， 前端 的变位量分别如图 9 a b 所示。例如， 在 4 K N的轴向负荷下， 新开发轴承的轴向变位与 原来的轴承相比减少将近 5 0 ％。从另一方面 说， 在4 K N的径向负荷下 ， 前端轴承间距尽管 圆锥滚子轴承间距大约短 3 0 ％， 还是变位约少 了8 0 ％以上。也就是说， 可以确定无论是径向 还是轴向哪个方向刚性都有很大提高。在图8 b 原来类型轴承结构中， 轴向负荷用角接触 球轴承的高速旋转性能不足， 用油雾润滑．， d m n 值达到 1 0 0万就到极限了。因此， 用新开发的圆 锥滚子轴承支撑主轴， 在高速性和刚性两方面都 比用原来的双列圆柱滚子轴承和轴向负荷用角 接触球轴承结构支撑主轴更能发挥高性能。 4 结论 要在机床主轴上使用刚性优 良的滚子轴 承， 就要克服圆锥滚子轴承高速旋转性的难点， 为此开发了新的轴承结构以及油气润滑结构。 通过试验， 新开发的内径 1 0 0 ra m的圆锥滚子轴 承在油雾润滑中 d m n值成功地达到了史无前 例的 1 2 5万。作为支撑机床主轴的轴承来说， a 新开发圆柱滚子轴承结构 图 8 机床主轴的轴承结构 轴向负葡k N ． 轴 向变位 图9 新开发轴承和原来轴承 结构的变位比较 为了提高工件的表面质量等级， 高速旋转性和 高附性在今后也是课题。N rI ．N为了对应这种 要求， 打算把进一步提高技术作为目 标。 摘译 自N T N技术评论№． 7 4 2 0 0 6 论文 翻译 张娜 审译 武俊生 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m