機(jī)床主軸是整個機(jī)床的心臟，是實現(xiàn)工件加工精度，直接影響機(jī)床性能的關(guān)鍵部位。當(dāng)今高速、高效的生產(chǎn)方式對主軸的速度、精度、負(fù)載能力和運行噪音提出了更高的要求，因此主軸的設(shè)計制造者面對巨大的挑戰(zhàn)，而正確的軸承選型分析可幫助主軸制造商應(yīng)對上述挑戰(zhàn)。不同類型的軸承都有各自適用的應(yīng)用環(huán)境，因此很難制定出一個通用的選型規(guī)則。對于精密軸承的選擇，需要綜合考慮以下各種因素：精度、剛度、轉(zhuǎn)速及載荷等。根據(jù)具體的應(yīng)用要求，確定哪種因素更為重要，再進(jìn)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(yīng)用環(huán)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(jìn)行成組任意互換。同時鐵姆肯公司將每列軸承的軸向預(yù)緊量偏差控制在更小的范圍內(nèi)，多列軸承配組使用時，會進(jìn)一步控制每列的內(nèi)圈微米代碼，得到更加一致的緊配量，因此安裝后的接觸角可以近似相等，最終實現(xiàn)更精準(zhǔn)的預(yù)緊力和剛性。
一、標(biāo)準(zhǔn)系列的主軸軸承
此系列分為P4和P4S級，內(nèi)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(zhuǎn)速可達(dá)到650,000 DN，油潤滑可達(dá)到1,000,000 DN。與高速系列相比，標(biāo)準(zhǔn)系列的滾動體直徑較大、預(yù)緊力較高，適用于切削載荷大且系統(tǒng)動態(tài)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(yán)重影響軸承散熱，運行溫度將急劇上升，從而導(dǎo)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?xí)斐奢^高的溫升，同樣影響軸承壽命。對于不同轉(zhuǎn)速，推薦的加脂量也相應(yīng)不同。當(dāng)轉(zhuǎn)速低于500,000 DN時，加脂量應(yīng)為軸承內(nèi)部自由空間的25% - 40%；當(dāng)轉(zhuǎn)速高于500,000 DN時，加脂量應(yīng)為軸承內(nèi)部自由空間的15% - 20%。需要注意的是標(biāo)準(zhǔn)系列的保持架有兩種類型：滾動體引導(dǎo)的尼龍保持架和外圈引導(dǎo)的膠木保持架。兩類軸承的內(nèi)部自由空間不同，計算加脂量時應(yīng)該予以區(qū)分。
二、陶瓷球系列的主軸軸承
此系列為P4S級，內(nèi)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(zhuǎn)速可達(dá)到750,000 DN，油潤滑可達(dá)到1,500,000 DN。動態(tài)徑向和軸向承載能力與標(biāo)準(zhǔn)系列相當(dāng)，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(xiàn)象，與滾道之間的發(fā)熱量也相應(yīng)減少，軸承壽命延長；同時陶瓷球熱膨脹系數(shù)低，高速運行溫度上升時，比標(biāo)準(zhǔn)系列的鋼球預(yù)緊力小，發(fā)熱量小。經(jīng)過比較，陶瓷球系列的轉(zhuǎn)速約為標(biāo)準(zhǔn)系列的1.5倍，理論運行壽命可高達(dá)3-5倍；當(dāng)高轉(zhuǎn)速和高承載能力、高剛性同時需要被滿足時，應(yīng)該考慮選用陶瓷球系列，并將加脂量控制在軸承內(nèi)部自由空間的15% - 20%。
圖1、2、3分別展示了標(biāo)準(zhǔn)系列與陶瓷球系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(biāo)準(zhǔn)系列與陶瓷球系列的壽命對比
圖2 標(biāo)準(zhǔn)系列與陶瓷球系列的溫升對比
圖3 滾動體材料特性對比
三、高速系列的主軸軸承
此系列為P4S級，內(nèi)外圈一般為52100全淬透鋼，滾動體可選擇52100全淬透鋼或者陶瓷材料，并且具有開放式和雙側(cè)非接觸密封式兩種類型。在一定條件下，脂潤滑的轉(zhuǎn)速可達(dá)到850,000 DN-1,000,000 DN，油潤滑可達(dá)到1,700,000 DN-2,000,000 DN。
高速系列通常應(yīng)用于高轉(zhuǎn)速加工設(shè)備，例如高速加工中心、高速銑床，因其能夠滿足低發(fā)熱、低運行溫度及高剛性的使用要求。這一系列的主要優(yōu)點是：第一，滾動體直徑減小且數(shù)目增多，精密設(shè)計的滾道外形，使?jié)L動體與滾道的接觸區(qū)域減小，摩擦發(fā)熱減少；第二，高速運轉(zhuǎn)時小尺寸滾動體所受離心力減小，打滑與自旋現(xiàn)象減弱，接觸區(qū)域的發(fā)熱量減少；第三，內(nèi)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(chǎn)生的熱量；第四，潤滑劑對滾動體的剪切影響變小，發(fā)熱量減少。當(dāng)轉(zhuǎn)速要求更高時，還可以選擇極限轉(zhuǎn)速和動態(tài)剛性更高的Timken?陶瓷球高速系列，進(jìn)一步減少運行中的發(fā)熱量，從而實現(xiàn)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）與其它品牌高速系列70mm內(nèi)徑產(chǎn)品的發(fā)熱量對比圖。測試轉(zhuǎn)速為11500 rpm，輕級預(yù)緊力為445 N，徑向載荷89 N，軸向載荷178 N。如圖表所示Timken?小滾珠高速系列憑借其卓越的結(jié)構(gòu)設(shè)計、先進(jìn)的生產(chǎn)工藝和嚴(yán)格的精度控制，實現(xiàn)了同類最佳的發(fā)熱量控制，在競爭中脫穎而出。
圖4 高速系列軸承產(chǎn)品的內(nèi)部發(fā)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(nèi)外圈采用壓縮屈服強(qiáng)度和硬度更高的高氮鋼，并采用陶瓷材料作為滾動體，因此能夠抵抗堅硬的污染物，是傳統(tǒng)52100軸承鋼耐磨性的100倍；其次，Wear Ever材料的內(nèi)外圈能夠承受高于傳統(tǒng)軸承30%的滾動接觸應(yīng)力，從而保證了更長的運行壽命（如圖5所示）。同時，此種軸承擁有高于其它所有產(chǎn)品系列的材料剛性、陶瓷滾動體，再結(jié)合高速系列的特殊幾何設(shè)計，使得這一類軸承能夠達(dá)到高于傳統(tǒng)產(chǎn)品40%的轉(zhuǎn)速和傳統(tǒng)軸承無法實現(xiàn)的加速度。
鐵姆肯公司以其卓越的產(chǎn)品品質(zhì)、高于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的精度控制以及一流的技術(shù)和服務(wù)而享譽(yù)全球。 Timken?品牌可為日趨高端化的中國機(jī)床領(lǐng)域應(yīng)用提供完整的產(chǎn)品線選擇。鐵姆肯公司也將一如既往地開發(fā)可支持更高轉(zhuǎn)速、更準(zhǔn)確精度和更好穩(wěn)定性的軸承，幫助客戶獲得更長的設(shè)備使用壽命、更高的運行可靠度以及加工生產(chǎn)效率，最終實現(xiàn)利潤最大化的核心目標(biāo)。
【注】鐵姆肯公司使用的DN值是軸承內(nèi)徑與轉(zhuǎn)速的乘積，不同于軸承節(jié)圓直徑與轉(zhuǎn)速的乘積PDN值。
