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很全面的精密机床轴承知识

作者:德润轴承来源:www.drzbearing.cn 浏览次数: 日期:2016年11月11日 08:33
很全面的精密机床轴承知识
 
一、P4、P2级高速、精密数控机床轴承技术
 
1、轴承概述
 
 轴承作为各类机电产品配套与维修的重要机械基础件,具有摩擦力小、易于启动、升速迅速、结构紧凑、“三化”(标准化、系列化、通用化)水平高、适应现代各种机械要求的工作性能和使用寿命长以及维修保养简便等特点,其性能、水平和质量对主机的精度和性能有着直接的影响。机床主轴轴承轴承供应商地址。广泛应用于国民经济的各个领域。
 
基本额定动载荷
 
  为比较轴承抗点蚀的承载能力,规定轴承的额定寿命为一百万转(106)时,所能承受的最大载荷为基本额定动载荷,以C表示。
 
  也就是轴承在额定动载荷C作用下,这种轴承工作一百万转(106)而不发生点蚀失效的可靠度为90%,C越大承载能力越高。
 
 
定义:用于确定旋转轴与其他零件相对运动位置,起支承或导向作用的零部件。轴承(bearing)是机械中的固定机件。当其他机件在轴上彼此产生相对运动时,用来保持轴的中心位置及控制该运动的机件,就称之为 轴承。
 
作用:究其作用来讲应该是支撑,即字面解释用来承轴的,但这只是其作用的一部分,支撑其实质就是能够承担径向载荷。也可以理解为它是用来固定轴的。就是固定轴使其只能实现转动,而控制其轴向和径向的移动。
 
分类:
 
滚动轴承尺寸大小分类分为:
 
(1) 微型轴承----公称外径尺寸范围为26mm以下的轴承;
 
(2) 小型轴承----公称外径尺寸范围为28-55mm的轴承;
 
(3) 中小型轴承----公称外径尺寸范围为60-115mm的轴承;
 
(4) 中大型轴承----公称外径尺寸范围为120-190mm的轴承
 
(5) 大型轴承----公称外径尺寸范围为200-430mm的轴承;
 
(6) 特大型轴承----公称外径尺寸范围为440-2000mm轴承。
 
(7) 重大型轴承----公称外径尺寸范围为2000mm以上的轴承。
 
按其所能承受的载荷方向分类可分为:
 
①径向轴承,又称向心轴承,承受径向载荷。②止推轴承,又称推力轴承,承受轴向载荷。③径向止推轴承,又称向心推力轴承,同时承受径向载荷和轴向载荷。按轴承工作的摩擦性质不同可分为滑动摩擦轴承(简称滑动轴承)和滚动摩擦轴承(简称滚动轴承)两大类。
 
 NN型和NNU型双列圆柱滚子轴承 结构紧凑,刚性强,承载能力大,受载荷后变形小,大多用于机床主轴的支承。
 
 
 
二、P4、P2级高速、精密数控机床轴承介绍(关键技术、指标)
 
1、滚动轴承在机床上的使用主要用于下列三个部位:主轴、滚珠丝杠和一般传动轴。
 
   主轴轴承作为机床的基础配套件,其性能直接影响到机床的转速、回转精度、刚性、抗颤振动切削性能、噪声、温升及热变形等,进而影响到加工零件的精度、表面质量等。因此,高性能的机床必须配用高性能的轴承。特别是高速精密数控机床轴承
 
   滚动轴承的精度一般分为P0、P6、P5、P4和P2五个等级,用于精密机床主轴上的轴承精度应为P5及其以上级,而对于数控机床、加工中心等高速、高精密机床的主轴支承,则需选用P4及其以上级超精密轴承。
 
   机床用主轴轴承通常包括深沟球轴承、角接触球轴承、圆柱滚子轴承、双向推力角接触球轴承、圆锥滚子轴承和推力轴承等六种结构类型。
 
   随着数控技术的快速发展,'复合、高速、智能、精密、环保'已成为当今机床工业技术发展的主要趋势。其中,高速加工可以有效地提高机床的加工效率、缩短工件的加工周期。这就要求机床主轴及其相关部件要适应高速加工的需求。目前,数控机床主轴轴承基本上限定在角接触球轴承、圆柱滚子轴承、双向推力角接触球轴承和圆锥滚子轴承等四种结构类型。
 
   伴随着数控机床主轴向高速化发展,陶瓷材料(主要指Si3N4工程陶瓷)因具有密度小、弹性模量高、热膨胀系数小、耐磨、耐高温、耐腐蚀等优良性能,从而成为制造高速精密轴承的理想材料。陶瓷轴承得到越来越广泛的应用,鉴于陶瓷材料的难加工性,精密陶瓷轴承多为滚动体是陶瓷、内外套圈仍由铬钢制造的混合陶瓷球轴承。
 
   滚珠丝杠副作为精密、高效、灵敏的传动元件,除了应采用高精度的丝杠、螺母和滚珠外,还应注意选用轴向刚度高、摩擦力矩小、运转精度高的轴承。滚珠丝杠支承过去常用双向推力角接触球轴承、圆锥滚子轴承、滚针和推力滚子组合轴承、深沟球轴承和推力球轴承等。目前,滚珠丝杠支承采用最多的是60°接触角的单列推力角接触球轴承,而且,精度等级也是以P4及其以上级为主
 
   机床用装于一般传动轴上的滚动轴承,其要求和选用与普通机械传动轴承相同,只需满足强度和寿命要求,转速不超过所规定的轴承极限转速即可。
 
在通常情况下,我们所提到的机床轴承是指机床主轴轴承以及滚珠丝杠轴承,精密机床轴承则是指精度为P5及其P5以上级的主轴轴承和丝杠轴承。
 
精密机床轴承的生产情况
 
   精密机床轴承技术含量高、附加值高、加工难度大,世界各大轴承公司都投入了极大的精力开展精密机床轴承的开发和研制。目前,国外生产精密机床轴承的生产厂家主要有德国fag公司、法国snfa公司、日本nsk公司、瑞典skf公司、日本ntn公司等。 
 
   我国轴承行业整体水平与发达国家相比存在较大差距,特别是在精密轴承的开发和研制方面,由于受加工设备、制造工艺以及相关技术的限制和制约,目前,国内能批量、配套生产精密机床轴承的生产厂家只有洛阳轴研科技股份有限公司、哈尔滨轴承集团公司等少数几家公司。 
2、机床主轴轴承
 
  主轴轴承
 
  主轴轴承是精密机床及类似设备的主轴轴承,它对保证精密机床的工作精度和使用性能。
 
  精密主轴轴承:双向推力角接触球轴承
 
1.范围:内径80 mm 到外径 600mm
 
2.精度:UP, SP , P4, P5
 
3.尺寸系列:BS1747TN1 BS2047TN1 BS2562TN1 BS3062TN130TAC62BSUC10PN7B等。
 
  4.轴承的公称接触角为60度。
 
  5.轴承装配后预加载荷。
 
  6.高的旋转精度
 
  7.机床主轴用精密轴承
 
  推荐配合:
 
  双向推力角接触球轴承
 
  内圈和轴的配合,以没有过盈量,也没有游隙的状态为目标(Line to Line)。外圈与外壳孔的配合为动配合。
 
  与双列圆柱滚子轴承并列使用于同一内径的外壳的情况下,外径尺寸公差为f6,以便成为动配合。
 
  滚珠丝杠支承架用的推力角接触球轴承
 
  作为轴尺寸公差推荐h5,作为外壳孔的尺寸公差推荐H6
 
  轴承的游隙与预负荷
 
  安装轴承时,为给予施加适宜的预负荷,作为轴向游隙,规定如下。
 
  双向推力角接触球轴承-------------------------------------------C7游隙
 
  滚珠丝杠支承架用的推力角接触球轴承---------------------C10游隙
 
 
 
三、国内外研究现状(公司、技术)
 
   尽管近几年我国机床工具行业已经取得了很大进步,但在当前国内外机床市场竞争极其激烈的形势下,我国的机床工具行业则显得竞争力不强,主要表现在我国是机床消费大国还不是机床强国、机床拥有量大但水平低、产品构成依然落后、产品创新能力差、机床可靠性还有待提高等方面。 
 
   当今世界机床制造业的水平集中表现在数控机床的开发、生产能力上,数控机床已成为制造业的主流设备,一个国家所拥有的数控机床多少、水平高低已成为衡量一个国家综合实力的重要标志。要实现我国从一个机床大国转变为机床生产强国的目标,必须加快调整步伐,加大新产品开发力度。为此,机床工具行业“十五”规划提出了以发展数控机床为重点,从而带动行业整体水平的提高。
 
   相比之下,中国强劲的市场需求,使其2009年保持了较快的增长,全球中国滚动轴承产量达125.1亿套,同比增长15.1%,表观消费量111.3亿套,同比增长21.8%;进口额也有5%的增长。
 
   2009年,受全球金融危机的影响,世界轴承销售额同比下滑12.5%,至340亿美元;汽车轴承在汽车产业持续低迷的影响下,销售额占比降至30%一下;机械设备用轴承2009年销售额占比则超过240%。与此同时,全球八大轴承企业销售额均出现下滑,详见下表:
 
   瓦轴的强项是生产大型精密轴承;
 
   哈轴以精密、高精密轴承为主,在航空航天轴承市场的份额高达60%-70%;
 
   洛轴则以铁路轴承见长,市场份额约30%;
 
   人本集团优势在小型、精密型家用、办公用轴承领域;
 
   天马股份在短圆柱滚子轴承和铁路货车轴承领域具有较强的优势,近年开始进入风电轴承、铁路轴承领域;
 
   万向钱潮的轮毂轴承和轮毂轴承单元在国内市场居于首位,市场份额在30%左右,未来将重点发展等速驱动轴和轮毂单元等产品;
 
   襄阳轴承是中国汽车轴承重点企业,近年来重组之路一波三折,2009年终于与三环集团达成重组协定;
 
   龙溪股份是中国唯一一家专业生产关节轴承的企业,国内市场份额60%以上,国际市场份额约12%左右;
 
   西北轴承是中国石油机械轴承龙头,其国内市场份额高达80%,同时也是中国唯一高速铁路轴承生产商,近年来开始涉足风电轴承;
 
   轴研科技拥有中国轴承行业唯一的国家一类综合研究所,现已在高、精、密轴承领域具有很强的竞争地位。
 
   机床主轴轴承和滚珠丝杠轴承作为机床的精度控制零件,p4及其以上级超精密轴承和配对轴承的比例将大幅度上升,比重将由2002年的20%提高到2005年的40%~50%左右,总量约为70万套。 
 
目前机床行业对p4及其以上级超精密角接触球轴承约15万套的需求量中,一半左右来自诸如fag、nsk、skf、snfa等国外著名轴承公司。除了心理因素和品牌效应以外,轴承的技术性能和可靠性是机床客户选择进口轴承的主要原因。如果国产超精密轴承的技术指标和可靠性水平能够与进口轴承相当,未来两年的市场潜力巨大。 
 
为此,国内主要机床轴承配套企业,如:洛阳轴研科技股份有限公司、哈尔滨轴承集团公司等,已经开始加快技术改造步伐,在加工条件、检测手段、配对技术和可靠性研究方面加大资金投入,主要型号的小批试制产品和一些型号的批量生产产品已经达到国际先进水平,替代进口只是个时间和规模问题。 
 
国外精密机床轴承产品虽然性能优良、可靠性高,但存在着价格昂贵、交货期长、售后服务滞后等不足。另外,精度等级为p2级的超精密轴承,属于尖端技术,这类产品还归为国外向我国限制出口产品之列。国内轴承生产企业应抓住我国机床市场快速发展的机遇,上规模、上精度、提高产品质量的稳定性,在满足机床行业对轴承高精度、高转速、低噪音、高可靠性等严格要求的同时,提高自身的研发能力、加工能力、销售网络等综合竞争实力。
 
新中国成立后,特别是20世纪70年代以来,在改革开放的强大推动下,轴承工业进入了一个崭新的高质快速发展时期。建国以来,中国轴承工业已取得举世瞩目的辉煌成就。
 
  2007年1-11月,中国轴承制造规模以上企业实现累计工业总产值77,627,946,000元,比上年同期增长了29.35%;实现累计产品销售收入73,824,360,000元,比上年同期增长了27.07%;实现累计利润总额4,238,615,000元,比上年同期增长了23.95%。
 
  2008年1-11月,中国轴承制造规模以上企业实现累计工业总产值98,300,239,000元,比上年同期增长了27.53%;实现累计产品销售收入94,560,264,000元,比上年同期增长了27.22%;实现累计利润总额5,773,170,000元,比上年同期增长了34.71%。
 
  虽然中国轴承行业的发展有所增长,但与世界轴承工业强国相比,中国还存在较大差距,其主要表现为高精度、高技术含量和高附加值产品比例偏低、产品稳定性差、可靠性低、寿命短。反映在市场上,就是我们对高品质轴承的需求要靠进口来满足。
 
纵观国际国内,2008年经济运行的不确定因素增加,为中国的轴承行业带来了新的挑战,也带来了新的机遇,4万亿投资计划对轴承行业发展有一定的拉动作用。根据“十一五”规划,中国将继续加大对基础建设的投入,钢铁、汽车、家电等轴承相关行业也面临发展的新机遇,同时随着生活水平的提高,汽车行业的发展也带动了汽车轴承的发展。未来轴承的需求将会出现稳定增长局面,轴承行业会迎来一个持续发展的时期。
 
国外优秀厂商
 
  SKF:SKF集团总部设立于瑞典哥特堡,是轴承科技与制造的领导者。SKF轴承就是SKF所生产的轴承,在全球的轴承行业,保持领导地位
 
  NSK:日本精工株式会社(NSK LTD.)成立于1916年,是日本国内第一家设计生产轴承的厂商。几十年来,NSK开发出无数新型轴承,满足世界各地用户的需求,并为产业发展和技术进步做出了极大的贡献。
 
  FAG:FAG轴承长久以来一直被公认为滚动轴承技术先驱,今天,FAG轴承已成为在机械制造业、汽车工业和航空航天技术中的领导品牌之一。在世界主要工业国家,都有FAG轴承的公司、分支机构和销售代理。
 
  TIMKEN: 1895年,TIMKEN铁姆肯公司的创办人亨利·铁姆肯先生为当时的车轴发明了一种使用圆锥形滚子的轴承,即是圆锥滚子轴承(Tapered Roller Bearings),公司由此成立。
 
  NTN: NTN是世界综合性精密机械制造厂家之一,该公司于1918年成立于日本,总部设在大阪市西区,
 
轴承的国际技术现状及发展趋势
 
  轴承工业作为机械基础工业,其技术水平高低,对一个国家的工业技术发展水平具有一定的代表意义。如果说,一个不具有轴承工业的国家,不是一个完整意义上的工业化国家的话,那么,一个不具有先进轴承技术水平的国家,则很难说是一个拥有了先进制造技术的国家。目前,目、欧、美占据了世界轴承市场的大半壁江山。
 
  1.国际先进轴承特点介绍
 
  (1)日本NSK轴承
 
  NSK成立于1916年,是日本国内第一家设计生产轴承的厂商。几十年来,NSK开发出无数新型轴承,满足世
 
 
界各地用户的需求,并为产业发展和技术进步做出了极大的贡献。同时NSK凭借其在精密加工方面的技术优势,不断开发汽车零部件、精密机械组件等高、精、尖产品,在电子应用等领域积极开展多元化经营。NSK在全球20多个国家和地区建立了销售网络,并拥有30多家工厂,行业排名在世界范围内稳居榜首。
 
  (2)瑞典SKF轴承
 
  SKF优秀的工程师们经常组队到各工厂稽核生产流程的工序。美国福特汽车对其供应商的质量评估系统范围不单包括产品、工作表现,设计及制造;更对供应商提供技术支援的能力、及时供货、市场领导地位、价格定位、适应力和灵活性及创新几方面的表现评估,并对最佳表现者颁赠“Q1质量第一奖座”,作为福特汽车供应商的20家SKF工厂全数获得此奖项。
 
  SKF也曾荣获通用汽车、大众汽车、墨西哥日产、佳士拿、劳斯莱斯、奥迪、英国铁路、Black&Decker、亚特拉科普柯颁赠的同类殊荣。
 
  (3)德国FAG轴承
 
  象征德国工业技术的最高成就,广泛应用于各行各业中,其它品牌轴承不能胜任的地方,其代表作有高速、
 
 
   高精度主轴轴承,极限转速高于任何其它品牌。而这种优良特性普遍反映在FAG的所有轴承上,即具有较高的极限转速和承载力。
 
  相比这些国外进口轴承,我国的哈尔滨轴承,洛阳轴承,瓦房店轴承则要逊色一些,但现在国内轴承的生产水平也在日益进步。
 
轴承制造中的关键技术
 
  (1)现代仿真技术
 
  现代仿真技术随着计算机的广泛应用而迅速发展。该技术的具体做法是将某应用工况下轴承的载荷方向、大小、润滑方式,旋转速度及环境参数,以及轴承主参数等同时输入计算机,通过演算,了解轴承可能达到的寿命,从而评价轴承设计是否合用。这种试验方法可以大幅度缩短试验时间,减少人力和试验资金,可以在轴承未制造完成之前,预先知道其应用效果,是一种又快又省心的试验方法。国外先进轴承工业公司SKF、NTN在轴承仿真试验技术的研究上已经达到先进水平。
 
  目前,国内外轴承试验方法主要有4种:摩擦磨损试验、试验台架试验、试验室(试验场)模拟试验、实际工况运行试验。国外对上述4种试验方法均有使用,但应用目的不一样,例如,开发一种全新的产品,首先须做摩擦磨损试验。但如果磨擦磨损形式无多大变化,仅产品尺寸、受载工况变化,则仅需做台架、模拟或实际运行试验即可。国外对一些关键部位的新产品(如轿车轮毂轴承等)考核极为严格,必须经实际运行试验,才能获准进行配套使用。瑞典SKF、日本NTN新近研究轴承仿真试验技术、只能替代台架、模拟或实验,以缩短产品设计的时间,加快产品开发的进度,但距实际运行情况还有所差距。现在,我国轴承行业已开展摩擦磨损试验的,只有洛阳轴承研究所一家;已开展轴承台架试验的,有洛阳轴承研究所、上海轴研所、杭州轴承试验中心和瓦房店、哈尔滨等20余家国有轴承企业;可以展开模拟试验的有洛阳轴承研究所、杭州轴承试验中心以及襄轴等。而要实际进行试验,只有在配套主机企业提出此方面要求时轴承生产企业才予以进行。总之,国内在开展模拟和实际运行试验方面还不广泛,应进一步扩大主机范围或实际工况范围,为仿真试验早日提到同程做好充分的软、硬件准备。
 
  (2)润滑技术
 
  滚动轴承在运动中由于阻力使轴承不断磨损而失效,润滑脂(油)和润滑方式的不同,对降低轴承摩擦磨损效果不同。因此润滑技术己成为轴承技术研究的重要组成部分。有人把润滑脂(油)称为“轴承的第五个零件”(其他为内圈、外圈、滚动体、保持架)。
 
  阻碍滚动轴承旋转的阻力由滚动磨擦、滑动磨擦和润滑剂磨擦组成。当滚动体在滚道上滚动时会出现滚动磨擦;滑动磨擦出现在保持架中滚动体的引导面上、保持架的挡边引导面上以及滚子轴承中滚子端面和套圈挡边上。润滑剂磨擦则由润滑剂在接触处的内部磨擦以及润滑剂的搅拌和挤压所组成。一套轴承的总磨擦即滚动磨擦、滑动磨擦和润滑剂磨擦的总和就是阻抗轴承运动的阻力。研究润滑技术的任务就是开发不同润滑脂(油)及其润滑方式,使其轴承阻力最小,寿命最长。
 
  对常见工况下的轴承润滑脂(油),国外先进工业国家在技术和生产上已完全过关,已形成系列品种和批量生产能力,当前主要趋势是研究提高一些特殊情况下润滑脂的性能,如正在研究提高宇航用全氟醚润滑脂的真空稳定性,爬移性以及粘温性能等;又如低温脂,虽在应用中有较好效果,但其润滑机理未能有很好的理论阐述。再如,研究在高温(200~4000度)下使用气态润滑剂等。我国当前轴承润滑的研究任务极重,如果经费允许,应重点解决以下几个问题:其一,提高现有密封轴承润滑脂在常温环境下的使用寿命;其二,提高低噪声轴承润滑脂振动性能;其三,研究开发常见工况下轴承润滑脂新品种。
 
  (3)密封技术
 
  新近发展的滚动轴承,在两端面都安装有相应的密封装置。其作用一方面是保护轴承内部的润滑脂(油)在使用中不会流失,保证轴承处于润滑状态;另一方面是保护轴承,使外界的尘埃或有害气体不会进入轴承内腔,以免对轴承造成损伤。常见的有橡胶或工程塑料的密封圈,也有钢板冲制的密封圈(或称防尘盖)。密封结构多种多样,密封的效果不一样。密封技术主要是研究开发应用于不同工况下的相应密封装置,以及该密封圈材料与相应润滑脂的共融性等。
 
  日本的几大轴承公司(精工、东洋等)代表了轴承密封技术发展的方向。他们在开发密封技术发展方向和轴承装置技术方面历史较早,研究有深度,目前密封技术较为成熟。从单密封唇发展到多密封唇,从接触式密封开发出非接触密封等;从产品类型看,球轴承、滚子轴承均有。我国跟随国际发展趋势,也开发出了具有密封圈的深沟球轴承、水泵轴承、铁路(圆锥滚子)轴承、滚针轴承以及短圆柱滚子轴承几大类轴承,其中深沟球轴承产量最大,应用面最广。根据国家技术监督局近期对我国密封轴承质量检测结果来看,我国密封轴承结构设计问题较大,密封效果不好,漏脂现象较严重,用户反应强烈。经分析,主要的原因是我国现行的密封圈设计结构不合理,内圈不带密封槽,再加上制造精度不高等。
 
  (4)降噪技术
 
  轴承噪声是环境的重要污染源,也是轴承行业需要控制的重要指标,特别是对家电、办公机械、仪器仪表用轴承噪声限值更为突出。近十多年,我国轴承行业在降低轴承噪声方面做了许多工作,使轴承降噪水平有很大提高,但与国外相比,仍有一定的差距,用户反映突出的是“异音”问题,即轴承运转中出现一种不规则的突发声,甚至尖叫声。轴承噪声影响因素很多,也很复杂,需要从轴承的整体设计,轴承的每一个零件——内圈、外圈、保持架、滚动体和润滑油(脂)去分析研究,也需要从轴承每个零件所用的材料、加-1-212艺过程乃至工程中采用的设备、工艺材料等方面去分析研究。这是轴承噪声技术所涉及的基本内容。