关键词：球轴承 主轴转速 电主轴 主轴电机 预紧力 导读：摘要：通过理论分析与实验研究，对比分析了两种类型主轴单元的温升、振动特性，为陶瓷球轴承的实际应用提供一定的依据。在B型电主轴中，应用陶瓷球轴承，电主轴的实际转速比使用钢轴承时的极限转速相应提高约30%～50%。 摘要：通过理论分析与实验研究，对比分析了两种类型主轴单元的温升、振动特性，为陶瓷球轴承的实际应用提供一定的依据。 近年来，国外生产的数控机床或加工中心，其主轴系统很多都采用了陶瓷轴承和电机主轴结构。国内在这方面的研究尚处于起步阶段。 1 数控机床主轴单元与高速主轴轴承 超高速切削是以优质、高效为特征的制造技术，它可以带动高速切削机理、高速主轴单元、高加减速直线进给电机、高性能控制系统等一系列相关单元技术的发展。高速主轴单元是实现高速、优质加工的Z关键的技术领域之一，同时也是高速加工机床Z为关键的部件。现代高速机床主轴多数采用的是内装式主轴电机一体化的主轴单元，即所谓电主轴。电主轴是机床高速主轴单元的一种较理想结构。 高速主轴单元的核心是高速精密轴承，其性能好坏将直接影响主轴单元的工作性能。 随着速度的提高，轴承的温度升高，振动和噪音增大，寿命降低。因此，提高主轴转速的前提是研制开发出性能优良的高速主轴轴承。目前，在高速主轴单元中，主轴的支承主要采用磁浮轴承、液体动静承、陶瓷球轴承三种形式。 磁浮轴承的高速性能好、精度高，容易实现诊断和在线监控。但实践表明，这种轴承由于电磁测控系统过于复杂，至今未能得到广泛应用。液体动静承综合了液体静承和液体动承的优点。但这种轴承必须根据具体机床专门进行设计，单独生产，标准化程度低，维护保养也困难。 目前，应用Z多的高速主轴轴承还是混合陶瓷球轴承。即滚动体使用热压或热等静压Si3N4陶瓷球，轴承套圈仍为钢圈。这种轴承标准化程度高，价格低，对机床结构改动小，便于维护保养，特别适合高速运行场合。它的K值已超过2.7×106。为了增加轴承的使用寿命，可增加滚道的耐磨性，对滚道进行涂层处理或其他表面处理。 2 试验研究 试验条件 本次试验所用陶瓷球轴承参数如表1所示。所用陶瓷球的材料为HIPSN(热等静压Si3N4)，精度等级是G3级，装配时球与套圈按规值精细选配。该轴承采用“小珠密珠”结构，并使用外圈薄形保持架。试验中所用钢轴承与陶瓷球轴承具有相同的结构参数。 表1 试验用陶瓷球轴承结构参数 型号 外观尺寸(mm) 球径(mm) 球数 原始接触角 陶瓷球材料 保持架材料 套圈材料 B7007CY 35×62×14 7.144 16 15 HIPSN 树脂 GCr15 本试验采用热电偶测温法测量主轴前端轴承外圈的温升。又利用PDB测量高速电主轴前、后端的振动频谱。分析两种轴承对电主轴运转精度的影响。 试验所用的电主轴有两种型号，分别为A型和B型。结构简图见图1所示，轴承安装形式为DBB。表2是两种电主轴的主要性能参数。 表2 电主轴的主要性能参数 型号 极限转速 (r/min) 主轴直径 (mm) 输出功率 (kW) 润滑方式 A型 30000 35 4.5 油雾 B型 24000 35 4.5 脂试验测试结果分析 主轴轴承的高速性能 轴承在工作时，轴承滚动体与套圈间将产生接触应力，并在接触表面上形成接触应力椭圆。根据Herts接触理论，轴承滚动体与套圈间的接触椭圆的长、短半径为 a=ma[ 3Q ( 1-c2 + 1-s2 )]1/3 2Sr Ec Es (1) b=mb[ 3Q ( 1-c2 + 1-s2 )]1/3 2Sr Ec Es (2) 式中：ma、mb为与椭圆偏心率有关的系数：d为球与套圈的弹性趋近量：Q为作用在滚动体上的外加总负荷：q0为球与套圈的接触应力：E为材料的弹性模量：为材料的泊松比：c、s为下标，分别指陶瓷轴承和钢球轴承的相关参数：Sr为主曲率和。代入陶瓷材料的性能参数，可得 q0c=1.112q0s (3) dc=0.896ds (4) 由式(3)、式(4)可看出，低速时，陶瓷球轴承中陶瓷球与钢套圈的接触应力为钢轴承的1.112倍，变形为钢轴承的89.6%。在高速条件下，轴承不仅受到来自外力的作用，还受到轴承内部滚动体离心力的作用。离心力的作用，将使接触面积、接触应力和弹性变形增大。由于滚动体(球)的密度不同，在陶瓷球轴承和钢球轴承中的接触应力也会不同。在陶瓷球轴承中，用陶瓷球取代钢球，陶瓷材料的密度与热膨胀系数比轴承钢小，弹性模量大。高速运转条件下，来自轴承内部的负载(离心力、陀螺力矩等)比钢轴承小，因此，陶瓷球轴承的极限转速可以得到提高，如Si3N4球轴承的极限转速比钢轴承提高了60%左右。 图2、图3是根据两种高速电主轴的实验数据绘制的温升特性曲线。由图可见，A型主轴转速由2000r/min上升限转速30000r/min时，钢轴承温度由4℃上升至35℃：主轴转速由2000r/min上升至转速40000r/min时，陶瓷球轴承温度由35℃上升至43℃，为防止温度过高损坏陶瓷球轴承，停止继续升高转速的试验。实验中显示，在相同温升水平上，即温升为35℃时，装有陶瓷球轴承的电主轴转速比钢轴承型主轴提高约30%。 在B型电主轴中，应用陶瓷球轴承