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谈谈数控机床高速主轴的性能分析


谈谈数控机床高速主轴的性能分析
数控(英文名字:Numerical Control 简称:NC)技术是指用数字、文字和符号组成的数字指令来实现一台或多台机械设备动作控制的技术。数控一般是采用通用或专用计算机实现数字程序控制,因此数控也称为计算机数控(Computerized Numerical Control ),简称CNC,国外一般都称为CNC,很少再用NC这个概念了。 数控机床 它所控制的通常是位置、角度、速度等机械量和与机械能量流向有关的开关量。数控的产生依赖于数据载体和二进制形式数据运算的出现。

数控机床高速主轴的性能,在相当程度上取决于主轴轴承及其润滑。滚动轴承由于刚度好、精度可以制造得较高、承载能力强和结构相对简单,不仅是一般切削机床主轴的首选,也受到高速切削机床的青睐。从高速性的角度看,滚动轴承中角接触球轴承最好,圆柱滚子轴承次之,圆锥滚子轴承最差。
   角接触球轴承的球(即滚珠)既公转又自转,会产生离心力Fc和陀螺力矩Mg。随着主轴转速的增加,离心力Fc和陀螺力矩Mg也会急剧加大,使轴承产生很大的接触应力,从而导致轴承摩擦加剧、温升增高、精度下降和寿命缩短。因此,要提高这种轴承的高速性能,就应想方设法抑制其Fc和Mg的增加。从角接触球轴承Fc和Mg的计算公式得知,减少球材料的密度、球的直径和球的接触角都有利于减少Fc和Mg,所以现在高速主轴多使用接触角为15°或20°的小球径轴承。可是,球径不能减小过多,基本上只能是标准系列球径的70%,以免削弱轴承的刚度,更关键的还是要在球的材料上寻求改进。
  与GCr15轴承钢相比,氮化矽(Si3N4)陶瓷密度仅为它的41%,用氮化矽制作的球要轻得多,自然在高速回转时所产生的离心力和陀螺力矩也要小得多。与此同时,氮化矽陶瓷的弹性模量和硬度是轴承钢的1.5倍和2.3倍,而热膨胀系数仅为轴承钢的25%,这既可提高轴承的刚度和寿命,又使轴承的配合间隙在不同温升条件下变化小,工作可靠,加之陶瓷耐高温且不与金属发生粘咬,显然用氮化矽陶瓷制作球体更适合进行高速回转。实践表明,陶瓷球角接触球轴承与相应的钢球轴承相比速度能提高25%~35%,不过价格也要高一些。
  国外将内外圈为钢、滚动体为陶瓷的轴承统称为混合轴承。目前混合轴承又有新发展:一是陶瓷材料已用于制作圆柱滚子轴承的滚子,市场上出现了陶瓷圆柱混合轴承;二是用不锈钢(比如FAG公司用氮化不锈钢Crodinur30)代替轴承钢制作轴承的内外圈特别是内圈,由于不锈钢的热膨胀系数比轴承钢小20%,自然在高速回转时,因内圈热膨胀所造成的接触应力增大趋势会受到抑制。众所周知,dmh值是表达滚动轴承高速性能的速度因子(dm是滚动轴承内、外圈的平均直径,单位mm;h是轴承的转速,单位r/min)。角接触球轴承的高速性能不仅与球的接触角、直径和材料相关,而且与轴承的润滑方式关系密切。目前数控机床滚动轴承有脂润滑、油雾润滑和油气润滑三种方式,其中油雾润滑虽然效果不错,但污染环境和危害工人健康,国外已很少采用。

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