機床中的高效滾動軸承

機床的發展動向

機床目前正在向幾個大的方向轉變，首先是5軸加工機和復合加工機應用的增多。5軸加工機和復合加工機在1990年后半期左右開始在市場上出現，現在已經在市場上廣泛普及了，特點是除了切削加工，還附加了研磨加工、檢測以及工件搬運機器人等功能。另外，現在還有進一步增加控制軸數量的動向，一種更加復合化的傾向。其次是機床變得更加容易操作。比如在機床中設置自動修正加工中的機械熱變位的功能;檢查磨具和工件互相干涉的功能;監視運行中的主軸狀態的功能(涉及溫度、振動、變位等);以及設備的智能化。這些改變都將使機床變得更加容易操作。然后就是機床向高精度、微細加工的發展。這提高了DD電機或直線型電機等構成要素的性能后，使副精密級的位置決定精度成為了可能。另外就是機床變得更加節省空間。目前，對于大批量生產線的緊湊機的高機能化的要求也很顯著。為了更加抑制設備的寬度，提高其維護性，設備寬度1000mm的5軸加工機現已問世。最后一點就是機床正在向減少環境負荷的方向發展。油氣潤滑的空氣流量減少和從油氣潤滑到脂潤滑的切換等，市場上出現了很多意識到環境問題而設計的機床。

主軸用軸承的技術動向

1.高速性和高剛性的并存

在機床向復合化發展的背景下，這種多品種少批量生產、變品種變批量生產以及工程總和的傾向變得更高。把在多個機械上加工多個工件總合成在一臺機床上，或把粗加工、精加工等多個工程總合成少數工程，來對提高生產性能和節省空間做貢獻。因此，對于機床主軸，有了從低速旋轉重切削開始向高速旋轉輕切削的廣范圍加工發展的需要，作為軸承，要求高速和高剛性的并存。對于高速，軸承單個的dmn值(軸承的P.C.D.×旋轉速度)，實現了角接觸球軸承為400~500萬，圓柱滾子軸承為200~300萬，適應了機床的要求。但是，重視高速的話，對于剛性就會不利。為此主軸的設計，不得不同時重視高速性和高剛性的情況很多。從這里也能看出，維持高速性，并在重切削側具有必要的剛性是今后軸承開發的一個課題。

2.新潤滑方式

潤滑大致分為油潤滑和脂潤滑。一般重視高速加工的場合采用油潤滑，低速旋轉且重視成本、使用性以及減少環境負荷的場合采用脂潤滑。但是隨著機床的進步，希望有一種能同時滿足兩種加工場合的潤滑方式。

作為軸承廠商，對油潤滑進行改良，維持高速加工的同時又能節省能源和提高環保性能，或者改善脂潤滑的技術的開發正在進行中。也就是說，潤滑技術是對軸承性能有很大影響的要素，今后需要展開的課題還有很多。

3.軸承的設計

機床主軸用軸承，根據高速、高剛性、減少環境負荷等各種要求性能，JTEKT公司目前提供R、C、D、F四種型號的高性能角接觸球軸承系列(圖)。R型球徑小球數多，為重視剛性的設計;C型球徑大，使用陶瓷球，為重視壽命的設計;D型為在油的供給方法上下功夫重視高速性的設計;F型為考慮離心力，比D型更能適應高速的設計。用戶可以根據使用需要選擇最合適的型號，各軸承的主尺寸都是按照ISO標準，軸或外殼的最低限度的設計變更可替換過去的產品，也能對應提高已有設備的性能。

高性能軸承的性能相比較原來的高速型軸承(ACH系列)，R型軸承的高速界限提高到了原來軸承的約1.3倍，溫度上升減少了20%~30%。滾動體采用陶瓷材料的R型軸承，C型軸承同樣，和原來軸承相比也有同樣的傾向，使根據使用時的旋轉速度重視剛性的R型設計和重視負荷能力的C型設計的選擇成為了可能。根據高性能軸承高速性能的提高和減少溫度上升的效果，高速旋轉主軸的采用剛性優秀的定位預緊也成為了可能。

在脂潤滑條件下，滾動體使用陶瓷的R型軸承和油氣潤滑條件下和原來軸承的升溫特性的比較試驗結果是，高性能軸承在原來軸承需要油氣潤滑的領域確認可以使用脂潤滑，有防止油的飛散導致的環境負荷下降，潤滑裝置廢棄導致的成本降低等的效果。關于R型號，封入適量潤滑脂的付密封圈型也已漸漸提升標準。

這些R、C型的軸承和原來軸承同樣有能使用脂潤滑或油氣潤滑這兩種潤滑方法的標準型，但是能使用在更加高速旋轉的有油氣潤滑專用型D、F兩種，這是采用了考慮這些軸承高速旋轉時發生的風障的影響而開發的軸承形狀。

D型軸承和R型軸承(球的材質=陶瓷)的比較結果是，已確認D型軸承有R型軸承約1.1倍的高速性能，并將溫度下降了5%~10%。由于D型軸承的軸承內圈側面的槽開始至軌道部的油氣潤滑為直接供給的構造，不易受風障的影響，和原來的油氣潤滑相比能夠使空氣的流量減少20%。而且，減少球產生的風聲也成為了可能，通過這些好的特征對于省能源或低噪聲有較大的貢獻。F型軸承為在原來軸承的側面裝上注油區，從外圈設置的注油嘴開始向保持架引導面供給油氣的超高速旋轉用軸承。滑動接觸的保持架引導面在急加減速或超高速旋轉時保持架的運作有可能不太穩定。但是，可通過從外圈噴嘴供給油氣使保持架運作穩定。

和現行高性能圓柱滾子軸承相比較，確認提高了約1.5倍的高速性能并減少了約15%的溫度上升。圓柱滾子軸承的高速化帶來的優點使主軸構造能夠簡單化。通常，主軸后側的支持構造需要能夠根據溫度變化來吸收軸的伸縮。圓柱滾子軸承雖適合這個作用，但是由于至今為止圓柱滾子軸承的高速性能不是很完全，在高速主軸后側支持上一般還是采用“角接觸球軸承+副外殼”的構造。但是這次開發的新高性能圓柱滾子軸承由于也可以對應高速主軸，所以能夠使軸承周圍的構造大幅簡單化。

現行的高性能圓柱滾子軸承，在高速旋轉時，會發生保持架的破損，使其高速性能有界限，但是只要改善這個缺點能使高速性能更加提高。首先，關于保持架的材料，和原來的聚酰胺樹脂相比采用了適合高速旋轉的輕量，高強度樹脂提高了強度。再者高速旋轉時成為類似頸部的構造在保持架和滾子的接觸部，使保持架兜孔內的滾子接觸形狀最合適化，實現了減少摩擦和低溫度上升。另外，套圈材料和原來產品同樣，采用容易入手的軸承鋼，通過適合高速旋轉的內部設計提高了高速性能。

4.高可靠性

為了提高機床的可靠性，必須提高軸承的可靠性。為此根據檢測到的軸承溫度或振動，來確立軸承的壽命，因此預測技術是不可缺少的。再者，若能檢測到軸承上承受的負荷的話，能根據加工狀態自我控制出最合適的預緊和潤滑，這樣的結果，使同時具有高速性能和高剛性寬度很大的加工領域的對應成為了可能。基于此，JTEKT公司開發了根據轉速對軸承付加最合適預緊的獨自機構，這個機構能從低速至高速都有充足的剛性，和高輸出內裝式電動機組合能夠使高負荷的加工更加高效率地進行。原來的定位預緊方式，隨著轉速的增加主軸剛性會增加，但是使用本機構的場合，特別是高扭矩發生時低速旋轉領域的主軸剛性會飛躍性地增加，是適合高負荷加工的預緊方式。