領(lǐng)導(dǎo)工具機(jī)主軸高速化－精密回轉(zhuǎn)軸承

在以往，工具機(jī)是以提高加工性能為目標(biāo)，主軸的高速化、高精度化等可以得到提升，但隨著近年來(lái)復(fù)合加工機(jī)的銷售臺(tái)數(shù)的增加，裝卸時(shí)間的縮短、加工時(shí)間的縮短等，加工效率的提高愈來(lái)愈受到重視。為了提高加工效率，從低速重荷重切削到高速輕荷重切削等，希望一臺(tái)機(jī)器就能達(dá)到這些性能，要達(dá)到這樣的性能，則必須搭配高速性和高剛性兼顧的主軸才行。特別是到目前為止，高速性能為必要的性能，伴隨著高剛性重視的主軸，是被要求高速化，為了對(duì)應(yīng)今后的要求，對(duì)應(yīng)的主軸軸承就必須要進(jìn)行。

 

NTN公司從數(shù)年前開(kāi)始，為了對(duì)應(yīng)工具機(jī)主軸的高速化、高精度化、高效率化的市場(chǎng)需求，便開(kāi)始了軸承的、導(dǎo)入的改良、ULTAGE系列的再組合等等。在這篇文章中，我們將作相關(guān)的介紹，包括：具有高剛性的工具機(jī)主軸，做廣泛的利用；在ULTAGE系列中，最新生產(chǎn)線量產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)斜角滾珠軸承；復(fù)列圓柱軸承；以及軸荷重用之斜角滾珠軸承等等。另外，關(guān)于ULTAGE系列名稱， 其主要意思為「ULTIMATE」和「STAGE」兩個(gè)字結(jié)合起來(lái)的新名詞，為本公司想要繼續(xù)追求工具機(jī)所使用的精密回轉(zhuǎn)軸承，而能作為代表的新名詞。

 

1.斜角滾珠軸承之高速化(ULTAGE「79U/70U型」)

斜角滾珠軸承(如圖1、2)和采用較小半徑的滾珠的高速產(chǎn)品的斜角滾珠軸承比較起來(lái)，其剛性、負(fù)荷容量(針對(duì)軸承疲勞壽命之耐性，所表現(xiàn)出來(lái)的量)等方面，是比較具有優(yōu)勢(shì)，但另一方面，其適用范圍則會(huì)受到速度上的制約。ULTAGE系列是以提高高速性，來(lái)擴(kuò)大適用的范圍為主要目標(biāo)，重新檢討內(nèi)設(shè)計(jì)，并把具有相反關(guān)系的高速性及剛性，使其兩者能夠同時(shí)存在。商品(接觸角為15°之規(guī)格)若使用黃油，和以前相比約1.5倍的*dmn95萬(wàn)的高速化；使用Air Oil的話，和以前相比約1.8倍的*dmn150萬(wàn)的高速化，剛性方面，則可以和以前所設(shè)計(jì)的維持在同樣的水平(如圖3所示)。

 

* dmn值是軸承的轉(zhuǎn)動(dòng)體中心直徑dmn[mm]，和主軸回轉(zhuǎn)速度n[rpm]的乘積，此值可以用來(lái)作為主軸的高速性能的指針。

 

(1)新形狀的成形保持器

(a) Air Oil潤(rùn)滑之特性

軸承的轉(zhuǎn)動(dòng)體和軌道面的接觸面之間，其潤(rùn)滑油的供給是很容易的(容易對(duì)準(zhǔn))，同時(shí)，促進(jìn)軸承外的排油(容易被排出去)，其目的是針對(duì)保持器內(nèi)徑面的推拔(Tape)形狀，和軸承內(nèi)的潤(rùn)滑油供給及排出的空間，可以更擴(kuò)張。更進(jìn)一步，在Pocket的分(配置轉(zhuǎn)動(dòng)體的場(chǎng)所)，利用四個(gè)角位置來(lái)作設(shè)置，確保從內(nèi)輪側(cè)到外輪側(cè)，其潤(rùn)滑油的流路(潤(rùn)滑油因離心力作用而產(chǎn)生的流動(dòng))。因?yàn)檫@樣的運(yùn)作，使得潤(rùn)滑油滯留，而能夠做到壓抑的攪伴抵抗效果。

 

(b)黃油之特性

用黃油潤(rùn)滑時(shí)，可以保持Pocket分的供給持續(xù)地運(yùn)作。另外，采用推拔形狀，因?yàn)槭艿捷S承空間的擴(kuò)張(在軸承寬幅面的間口擴(kuò)大)，讓黃油可以更容易地進(jìn)入到軸承內(nèi)，使得潤(rùn)滑的信賴性向上提升，操作上也可以變得更簡(jiǎn)單。

 

(2)高速運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)結(jié)果

商品(接觸角15°規(guī)格)的評(píng)價(jià)試驗(yàn)結(jié)果。在黃油的評(píng)價(jià)當(dāng)中，新系列的溫度上升是外筒的有無(wú)冷卻，同時(shí)現(xiàn)行軸承下降時(shí)，dmn值達(dá)到95萬(wàn)。在Air Oil的評(píng)價(jià)中，和黃油相同條件的情況下，新系列的溫度上升是外筒的有無(wú)冷卻，同時(shí)現(xiàn)行軸承下降時(shí)，其dmn105萬(wàn)左右是，溫度上升變得比較不安定，要到dmn值達(dá)到150萬(wàn)時(shí)，溫度上升就變得比較安定了。

 

2.復(fù)列圓柱軸承之高速化(ULTAGE 「NN30HSRT6型」)

復(fù)列圓柱軸承是由車床、綜合加工機(jī)開(kāi)始，為必要的高精度工具機(jī)主軸，目前也被廣泛地使用。主軸軸承的潤(rùn)滑，主要是Air Oil為潤(rùn)滑劑，雖然也有使用黃油，不過(guò)，以前的復(fù)列圓柱軸承在使用Air Oil為潤(rùn)滑劑后，其dmn120萬(wàn)，使用黃油的話dmn值，上限為80萬(wàn)左右，如此一來(lái)，如果在上升的情況下，就必須換成斜角滾珠軸承、或單列圓柱軸承了。這次所的復(fù)列圓柱軸承其潤(rùn)滑條件，比以前的產(chǎn)品比較起來(lái)，可以在上升時(shí)更提升高速化。

 

(1)新形狀的成形保持器

產(chǎn)品中，內(nèi)設(shè)計(jì)已經(jīng)進(jìn)步到最佳化，其中的保持器也已經(jīng)進(jìn)行大幅的修改。

 

首先，保持器的材料從以前使用的高張力黃銅，改為PEEK (Polye ther ether ketone)來(lái)制造，使得保持器重量減少至原來(lái)的1/4以下。因此，在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，因?yàn)楸３制髋c轉(zhuǎn)動(dòng)體的接觸，所產(chǎn)生的熱及摩耗也會(huì)減少。PEEK中的樹(shù)脂可以具有高剛性、耐熱性、耐摩耗性，以及耐加水分解性等等的優(yōu)點(diǎn)。

 

另外，因?yàn)槌咚龠\(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的離心力，會(huì)使得保持器變形，為了維持保持器在最佳的狀態(tài)，實(shí)施了FEM解析來(lái)了解其變形。柱子前端的設(shè)計(jì)為可脫離的分(黃油Pocket兼用)，和轉(zhuǎn)動(dòng)體接觸的分，則為回避保持器變形影響的設(shè)計(jì)。

 

(2)高速運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)結(jié)果

以8,000rpm (dmn值100萬(wàn))的運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)結(jié)果，把以前的產(chǎn)品和新產(chǎn)品，從低速域開(kāi)始來(lái)做兩者之間的比較。以前的產(chǎn)品(高張力黃銅制保持器)以3,000rpm運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，可以看到其外輪溫度急速上升，新產(chǎn)品(PEEK保持器)可以在15,000rpm (dmn值190萬(wàn))作高速運(yùn)轉(zhuǎn)。

 

3.軸向(Axial)荷重用斜角滾珠軸承之高速化(ULTAGE「HTAU型」)

軸向(Axial)荷重用斜角滾珠軸承是車床的主軸中，最先開(kāi)始使用的高剛性、耐荷重性的必要軸。軸向(Axial)荷重用斜角滾珠軸承主要是和復(fù)列圓柱軸承合并使用，在radial荷重是由圓柱軸承、軸向(Axial)荷重是由斜角滾珠軸承，兩者各負(fù)責(zé)不同方向的負(fù)荷荷重。(軸向(Axial)荷重用斜角滾珠軸承和復(fù)列圓柱軸承比較起來(lái)，其軸承外徑尺寸的設(shè)計(jì)是比較小的，其設(shè)計(jì)主要是可以負(fù)荷軸向(Axial)荷重)。ULTAGE系列中，在內(nèi)設(shè)計(jì)重新做過(guò)修改后，使得具有相反關(guān)系的高速性及高剛性可以同時(shí)達(dá)到。商品(接觸角30˚規(guī)格)以使用黃油潤(rùn)滑后，其dmn值100萬(wàn)，是以前產(chǎn)品的1.6倍；用AirOil潤(rùn)滑后，其dmn值125萬(wàn)，是以前產(chǎn)品的1.3倍，不僅達(dá)到高速化，而且也可以維持和之前產(chǎn)品同樣水平的剛性。

 

(1)內(nèi)的規(guī)格

產(chǎn)品和目前產(chǎn)品比較起來(lái)有幾點(diǎn)不同：

● 在高速領(lǐng)域中，內(nèi)的設(shè)計(jì)可以壓抑溫度的上升。

● 為了使?jié)櫥偷呐庞托蕴岣撸瑪U(kuò)大保持器和軌道輪間的間隙(圖15)。

● 保持器的轉(zhuǎn)動(dòng)體接觸零件的形狀，可以使?jié)櫥瑒┢交亓鲃?dòng)。

以上設(shè)計(jì)的規(guī)格，能夠達(dá)到高速化、及較低溫度上升等目標(biāo)。

 

(2)高速運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)結(jié)果

為商品(接觸角30˚ )分別使用黃油潤(rùn)滑、Air Oil潤(rùn)滑的高速運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)結(jié)果。產(chǎn)品對(duì)于不同的潤(rùn)滑劑，在容許的dmn值內(nèi)，其溫度上升是穩(wěn)定的。

 

在這篇文章中，以工具機(jī)主軸用的精密回轉(zhuǎn)軸承為主要新的ULTAGE系列中，「斜角滾珠軸承70U型」、「復(fù)列圓柱軸承NN30HSRT6型」、「軸向(Axial)荷重用斜角滾珠軸承HTAU型」等分別作了介紹。此系列中，可視為最尖端的軸承系列，其工具機(jī)主軸的高效率加工都能夠可以實(shí)現(xiàn)。今后，將更能對(duì)應(yīng)使用者的高效率加工要求，也會(huì)做工具機(jī)用精密軸承的再改良、導(dǎo)入等方面的努力。

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