机床用精密NTN轴承--上海海久NSK轴承

2019年09月23日
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机床在国民经济现代化的建设中起着重大作用。为了支持机床技术的进步,NTN致力于精密轴承的开发、制造与销售,这些轴承也在全球支持着汽车制造业和非汽车制造业(例如医疗、能源、运输及航空航天行业)的发展。本文介绍NTN机床用精密轴承方面的技术。

1 引言

机床(Machine Tool)是指制造机器的机器,亦称工作母机或工具机,习惯上简称机床。机床的发展程度影响着国民经济的发展程度。而作为机床的关键组件,轴承的发展也制约着机床的发展。

NTN在关注机床发展的同时,也努力研发与机床配套的轴承产品,特别是机床用精密轴承产品。本文根据NTN近年来发布的机床用精密轴承产品的情况,分析并总结出近期NTN在机床用精密轴承方面的技术。

2 机床用精密轴承产品

2.1 研发背景

近年来,为了满足以汽车、飞机、IT等各种行业的多样化发展需求,机床的性能不断提高。在“机床”的“高速、高刚性、高精度”基本性能基础上添加了以下性能:(1)工序复合化;(2)为实现曲面等复杂且高精度加工的五轴化;(3)小型化满足节能、节省空间的需求;(4)为了提高操作性,NC(数控)设备多功能化;(5)为了提高可靠性,向机床加入状态监控结构,并不断开发出具有新功能和概念的机型。

2.2 研发情况

根据机床的技术动向,将机床用精密轴承产品的发展分为三个时期:

第一个时期:到2000年左右,人们需求的专业机床基本性能是提高轴承技术与产品的速度、刚性、精度等。出现了钢球轻量化、适用于高速、高表面压力的陶瓷球,同时还有为了抑制高速运行时的离心力的小直径滚动体,控制润滑油搅拌产生的热量、提高润滑可靠性的空气油润滑等,使超高速运转成为可能。

第二个时期:2001年到2014年持续提高了速度、刚性、精度等性能,此外,人们重视长寿命和环保的重要性。这里的长寿命是指,低成本(特别是和空气油润滑相比)、环境负荷少的油润滑轴承的耐久性提高。例如,专为脂润滑设计的高速精密轴承,如高速长寿命润滑脂;增强润滑脂保持力的轴承,如在两侧安装密封件,在滚道表面安装润滑脂袋(保持尽可能多的润滑脂)等。

“环保型”指的是节省能源和对地球环境好。具体来说,如上所述,扩大环境负荷少的脂润滑轴承高速区域的适用范围;在空气油润滑方面,润滑油与压缩空气的消耗量少,喷雾(油烟)的飞散量也很少。同时噪音低,意味着机械操作者的身体负荷少。例如,出现了使用专用喷嘴的环保型空气油润滑轴承(将空气油供应到内圈的外径表面,并通过离心力将其供应到轴承内部)与外圈带润滑孔的角接触球轴承。

第三个时期:最近(2015年以来),小型机床的开发盛行起来。其中对使用的小直径轴承的技术要求也越来越严格。例如,小型机床中,为了节省主轴上的空间,不使用一般的外壳冷却(外管冷却)方法。向主轴中供应压缩空气,也用作空气冷却和空气密封。对于脂润滑轴承,压缩空气可能使润滑脂流出轴承。因此有必要考虑这些因素。

3 NTN机床用精密轴承技术

3.1 高速、高刚性、高精度   

为了提高轴承的刚性,安装时增加预载,可以有效增加轴承的载荷能力。但是,运行时产生的热量增加,阻碍高速运行,主轴的热膨胀导致加工精度降低。因此,为了提高轴承的刚性,实现更快的操作,减少运行时产生的热量至关重要。减少运行过程中产生的热量的具体方法有:使用陶瓷滚动体元件、小直径滚动元件、轴承接触角的优化、改进内外圈滚道面形状等。在这方面,NTN的研究人员已经提出了将空气冷却技术应用于轴承的“机床主轴用的气冷垫片轴承”。

另外,轴承套圈使用耐磨损、抗胶合性能优异的特殊轴承钢。还改进了高速运行、高负载、高预紧力条件下,抵抗滚道表面产生的高接触表面压力的能力。保持架材料由传统的高强度黄铜制成,改为PEEK(聚醚醚酮)树脂制成,保持架重量减少到1/4或者更少。对于空气油润滑下的供油和排水,考虑到油脂润滑时油脂的滞留情况,设计了专用的保持架形状。

空气冷却喷嘴偏移,延长了冷却空气留在内圈隔圈表面附近的时间,随之冷却空气和内环垫片表面的热交换时间变长,内圈垫片的冷却效果也会增加。

通过冷却内圈垫片,相邻的轴承环也被冷却。这样,轴承内圈与外圈的温度差,可以抑制滚道表面的接触应力的增加。由此可以实现高速度和高刚性的兼容性。

此外,关于提高机床用精密轴承的精度,NTN设计出一种超高精度的轴承。使用1个轴承滚动体直径的相互差,管控轴承套圈圆度的角度分量,减少轴承的非重复性跳动精度(N.R.R.O:Non-Repetitive Run-Out)。NTN将支持0.3μm或更小的非重复性跳动精度轴承,用于超高精度加工中心和车床主轴。

3.2 长寿命、环保型

如上所述,这里的长寿命特别指,与油气润滑相比,油脂润滑轴承的耐用性提高,成本低,环境影响小。“高速密封的角接触球轴承BNSxxxLLB”,满足上一节中提到的高速、高刚性轴承、高速长寿命润滑脂等要求。该轴承采用双面密封,提高润滑脂保持力,同时添加一个油脂袋,以在滚动表面附近保持尽可能多的油脂。超高速dmn值为140万,实现了超过20000小时的耐久性。

此外,为了应对环境问题,开发了环保型空气油润滑轴承。减少润滑油和压缩空气的消耗量并减少雾(油烟)散射,同时使低噪音成为可能。

最近,常规的从外圈隔圈进行空气油润滑的方式被取代,出现了从外圈润滑孔供给空气油的带外圈润滑孔的角接触球轴承。由于不需要处理垫片中的喷油孔,所以垫片宽度可以减少。紧凑的主轴设计,将轴承配置在工具尖端面,也能够提高主轴的刚性。“外圈带润滑孔的轴承HSEW”中,来自外圈的空气 - 油润滑,可以抑制润滑油和压缩空气的消耗。另外,通过优化润滑孔的直径等,可以减少运行过程中的噪音和雾气散射。

此外,进一步扩大了高速范围内、低环境负荷的脂润滑轴承的适用范围,还出现了平稳主轴用“自供电润滑装置”。该装置位于与轴承相邻的外圈垫片之间,内部配有发电装置、泵、以及内置润滑剂。配备的自发电装置利用轴承运行过程中产生的内圈与外圈的温度差,具有在不提供外部电源或润滑油的情况下,为轴承提供额外润滑的功能。目前正在努力使其实用化。

3.3 小型化、技术支持服务型

 加工包括智能手机在内的小型工件、医疗设备零件等精密微制造的需求正在增加。随着新兴国家低成本要求的出现,节省空间的小型机床蓬勃发展起来,小型主轴的需求正在增加。

小型主轴中,为了节省空间,使用非一般的壳体冷却(外管冷却)。将一些压缩空气供应到主轴中,也用作空气冷却和空气密封。对于油脂润滑轴承,考虑密封是必要的。因为使用这种压缩空气,润滑脂可能流出轴承。为了防止润滑脂泄漏,为轴承配备了有效的密封条。但另一方面,压缩空气几乎不在主轴内部流动,因而冷却及防止外部异物侵入的能力下降。因此,NTN开发了“ULTAGE系列小直径高速角接触球轴承”。

近年来,NTN开发出用于机床主轴的精密滚动轴承的“机床主轴轴承技术计算系统”,客户可以在短时间内自动计算特征值,如主轴刚性和轴承寿命。还可以在不受时间限制的情况下使用。有了这个系统,到目前为止可以缩短设计过程,有助于缩短主轴和机床的开发周期。

4 结论

NTN锁紧机床的技术动向,研制市场需求的精密轴承产品,支持着全世界机床及其相关产业的发展。NTN机床用精密轴承技术在高速、高刚性、高精度、长寿命、环保、小型化等方面不断发展。此外,又研发诸如“机床主轴轴承技术计算系统”等技术支持服务型产品,有助于缩短机床的研发周期,同时提高轴承设计与制造的精度。NTN认真对待客户需求,及时做出精准的回应,为全世界贡献NTN智慧与技术,推动着工业现代化的不断发展。

 

 
来源:上海海久轴承有限公司