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用於機床主軸的Timken®超精密角接觸球軸承

  

機床主軸是整個機床的心髒,是實現工件加工精度,直接影響機床性能的關鍵部位。當今高速、高效的生產方式對主軸的速度、精度、負載能力和運行噪音提出了更高的要求,因此主軸的設計製造者麵對巨大的挑戰,而正確的軸承選型分析可幫助主軸製造商應對上述挑戰。不同類型的軸承都有各自適用的應用環境,因此很難製定出一個通用的選型規則。對於精密軸承的選擇,需要綜合考慮以下各種因素:精度、剛度、轉速及載荷等。根據具體的應用要求,確定哪種因素更為重要,再進行有針對性的選型。下文將分別介紹鐵姆肯公司不同類型的超精密角接觸球軸承以及它們所適用的應用環境。

     
  總體來說,鐵姆肯公司的精密角接觸球軸承都是萬能配對的形式,可以與其它品牌相同類型及尺寸的軸承進行成組任意互換。同時鐵姆肯公司將每列軸承的軸向預緊量偏差控製在更小的範圍內,多列軸承配組使用時,會進一步控製每列的內圈微米代碼,得到更加一致的緊配量,因此安裝後的接觸角可以近似相等,最終實現更精準的預緊力和剛性。

      
  一.標準係列的主軸軸承

     
  此係列分為P4和P4S級,內外圈及滾動體一般采用 52100全淬透鋼。在一定條件下,脂潤滑的轉速可達到 650,000DN,油潤滑可達到1,000,000DN。與高速係列相比,標準係列的滾動體直徑較大、預緊力較高,適用於切削載荷大且係統動態剛性要求高的場合。

      
  此外,潤滑脂的添加量是選型中需要考慮的重要條件。潤滑脂添加過多,會嚴重影響軸承散熱,運行溫度將急劇上升,從而導致潤滑脂壽命迅速下降,也縮短軸承使用壽命;潤滑脂添加過少,無法形成一定的潤滑油膜來分離軸圈和滾動體,彼此之間的摩擦會造成較高的溫升,同樣影響軸承壽命。對於不同轉速,推薦的加脂量也相應不同。當轉速低於 500,000DN時,加脂量應為軸承內部自由空間的25%- 40%;當轉速高於500,000DN時,加脂量應為軸承內部自由空間的15%-20%。需要注意的是標準係列的保持架有兩種類型:滾動體引導的尼龍保持架和外圈引導的膠木保持架。兩類軸承的內部自由空間不同,計算加脂量時應該予以區分。

     
  二.陶瓷球係列的主軸軸承

         
  此係列為P4S級,內外圈一般為52100全淬透鋼,滾動體為陶瓷材料。在一定條件下,脂潤滑的轉速可達到750,000DN,油潤滑可達到1,500,000DN。動態徑向和軸向承載能力與標準係列相當,但剛性提高 50%;陶瓷的重量比鋼材輕60%,降低了滾動體離心力的作用,從而減少了打滑與自旋現象,與滾道之間的發熱量也相應減少,軸承壽命延長;同時陶瓷球熱膨脹係數低,高速運行溫度上升時,比標準係列的鋼球預緊力小,發熱量小。經過比較,陶瓷球係列的轉速約為標準係列的1.5倍,理論運行壽命可高達3-5倍,當高轉速和高承載能力、高剛性同時需要被滿足時,應該考慮選用陶瓷球係列,並將加脂量控製在軸承內部自由空間的15%-20%。

    
  圖1、2、3分別展示了標準係列與陶瓷球係列主軸軸承的壽命對比、溫升對比和滾動體材料特性對比。

 

   

                圖1 標準係列與陶瓷球係列的壽命對比

 

       

         圖2 標準係列與陶瓷球係列的溫升對比

 

 

             圖3 滾動體材料特性對比

    
  三.高速係列的主軸軸承

   
  此係列為P4S級,內外圍一般為52100全淬透鋼,滾動體可選擇52100全淬透鋼或者陶瓷材料,並且具有開放式和雙側非接觸密封式兩種類型。在一定條件下,脂潤滑的轉速可達到850,000DN-1,000,000DN,油潤滑可達到1,700,000 DN-2,000,000DN。

     
  高速係列通常應用於高轉速加工設備,例如高速加工中心、高速銑床,因其能夠滿足低發熱、低運行溫度及高剛性的使用要求。這一係列的主要優點是:第一,滾動體直徑減小且數目增多,精密設計的滾道外形,使滾動體與滾道的接觸區域減小,摩擦發熱減少;第二,高速運轉時小尺寸滾動體所受離心力減小,打滑與自旋現象減弱,接觸區域的發熱量減少;第三,內外圈均有高低擋肩,為潤滑劑提供了更加開放的通道,可以及時帶走運行中產生的熱量;第四,潤滑劑對滾動體的剪切影響變小,發熱量減少,當轉速要求更高時,還可以選擇極限轉速和動態剛性更高的Timken 陶瓷球高速係列,進一步減少運行中的發熱量,從而實現更低的運行溫度。

      
  圖4為Timken 高速密封軸承 2MMV9114HXVVSUL(鋼球)和 2MMVC9114HXVVSUL(陶瓷球)與其它品牌高速係列70mm內徑產品的發熱量對比圖。測試轉速為11500rpm,輕級預緊力為445N,徑向載荷89N,軸向載荷178N。如圖表所示Timken 小滾珠高速係列憑借其卓越的結構設計、先進的生產工藝和嚴格的精度控製,實現了同類最佳的發熱量控製,在競爭中脫穎而出。

 

 

   

 

                圖4 高速係列軸承產品的內部發熱量對比

  
  四.Wear Ever超精密抗磨損主軸軸承

     
  Wear Ever高性能軸承的內外圈采用壓縮屈服強度和硬度更高的高氮鋼,並采用陶瓷材料作為滾動體,因此能夠抵抗堅硬的汙染物,是傳統52100軸承鋼耐磨性的100倍;其次,Wear Ever材料的內外圈能夠承受高於傳統軸承30%的滾動接觸應力,從而保證了更長的運行壽命(如圖5所示)。同時,此種軸承擁有高於其它所有產品係列的材料剛性、陶瓷滾動體,再結合高速係列的特殊幾何設計,使得這一類軸承能夠達到高於傳統產品40%的轉速和傳統軸承無法實現的加速度。

 

 

         

        

                   圖5 52100與Wear Ever測試結果對比

     
  鐵姆肯公司以其卓越的產品品質、高於行業標準的精度控製以及一流的技術和服務而享譽全球。Timken 品牌可為日趨高端化的中國機床領域應用提供完整的產品線選擇。鐵姆肯公司也將一如既往地開發可支持更高轉速、更準確精度和更好穩定性的軸承,幫助客戶獲得更長的設備使用壽命、更高的運行可靠度以及加工生產效率,最終實現利潤最大化的核心目標。

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