關鍵詞：球軸承 主軸轉速 電主軸 主軸電機 預緊力 導讀：摘要：通過理論分析與實驗研究，對比分析了兩種類型主軸單元的溫升、振動特性，為陶瓷球軸承的實際應用提供一定的依據。在b型電主軸中，應用陶瓷球軸承，電主軸的實際轉速比使用鋼軸承時的極限轉速相應提高約30%～50%。 摘要：通過理論分析與實驗研究，對比分析了兩種類型主軸單元的溫升、振動特性，為陶瓷球軸承的實際應用提供一定的依據。
近年來，國外生產的數控機床或加工中心，其主軸系統很多都采用了陶瓷軸承和電機主軸結構。國內在這方面的研究尚處于起步階段。
1 數控機床主軸單元與高速主軸軸承 超高速切削是以優質、高效為特征的先進制造技術，它可以帶動高速切削機理、高速主軸單元、高加減速直線進給電機、高性能控制系統等一系列相關單元技術的發展。高速主軸單元是實現高速、優質加工的最關鍵的技術領域之一，同時也是高速加工機床最為關鍵的部件?，F代高速機床主軸多數采用的是內裝式主軸電機一體化的主軸單元，即所謂電主軸。電主軸是機床高速主軸單元的一種較理想結構。 高速主軸單元的核心是高速精密軸承，其性能好壞將直接影響主軸單元的工作性能。 隨著速度的提高，軸承的溫度升高，振動和噪音增大，壽命降低。因此，提高主軸轉速的前提是研制開發出性能優良的高速主軸軸承。目前，在高速主軸單元中，主軸的支承主要采用磁浮軸承、液體動靜壓軸承、陶瓷球軸承三種形式。 磁浮軸承的高速性能好、精度高，容易實現診斷和在線監控。但實踐表明，這種軸承由于電磁測控系統過于復雜，至今未能得到廣泛應用。液體動靜壓軸承綜合了液體靜壓軸承和液體動壓軸承的優點。但這種軸承必須根據具體機床專門進行設計，單獨生產，標準化程度低，維護保養也困難。 目前，應用最多的高速主軸軸承還是混合陶瓷球軸承。即滾動體使用熱壓或熱等靜壓si3n4陶瓷球，軸承套圈仍為鋼圈。這種軸承標準化程度高，價格低，對機床結構改動小，便于維護保養，特別適合高速運行場合。它的k值已超過2.7×106。為了增加軸承的使用壽命，可增加滾道的耐磨性，對滾道進行涂層處理或其他表面處理。
2 試驗研究 試驗條件 本次試驗所用陶瓷球軸承參數如表1所示。所用陶瓷球的材料為hipsn(熱等靜壓si3n4)，精度等級是g3級，裝配時球與套圈按規值精細選配。該軸承采用“小珠密珠”結構，并使用外圈薄形保持架。試驗中所用鋼軸承與陶瓷球軸承具有相同的結構參數。 表1 試驗用陶瓷球軸承結構參數 型號 外觀尺寸(mm) 球徑(mm) 球數 原始接觸角 陶瓷球材料 保持架材料 套圈材料 b7007cy 35×62×14 7.144 16 15 hipsn 樹脂 gcr15 本試驗采用熱電偶測溫法測量主軸前端軸承外圈的溫升。又利用pdb測量高速電主軸前、后端的振動頻譜。分析兩種軸承對電主軸運轉精度的影響。 試驗所用的電主軸有兩種型號，分別為a型和b型。結構簡圖見圖1所示，軸承安裝形式為dbb。表2是兩種電主軸的主要性能參數。 表2 電主軸的主要性能參數 型號 極限轉速 (r/min) 主軸直徑 (mm) 輸出功率 (kw) 潤滑方式 a型 30000 35 4.5 油霧 b型 24000 35 4.5 脂
圖1 高速主軸單元結構簡圖
試驗測試結果分析 主軸軸承的高速性能 軸承在工作時，軸承滾動體與套圈間將產生接觸應力，并在接觸表面上形成接觸應力橢圓。根據herts接觸理論，軸承滾動體與套圈間的接觸橢圓的長、短半徑為 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為與橢圓偏心率有關的系數：d為球與套圈的彈性趨近量：q為作用在滾動體上的外加總負荷：q0為球與套圈的接觸應力：e為材料的彈性模量：為材料的泊松比：c、s為下標，分別指陶瓷軸承和鋼球軸承的相關參數：sr為主曲率和。代入陶瓷材料的性能參數，可得 q0c=1.112q0s (3) dc=0.896ds (4) 由式(3)、式(4)可看出，低速時，陶瓷球軸承中陶瓷球與鋼套圈的接觸應力為鋼軸承的1.112倍，變形為鋼軸承的89.6%。在高速條件下，軸承不僅受到來自外力的作用，還受到軸承內部滾動體離心力的作用。離心力的作用，將使接觸面積、接觸應力和彈性變形增大。由于滾動體(球)的密度不同，在陶瓷球軸承和鋼球軸承中的接觸應力也會不同。在陶瓷球軸承中，用陶瓷球取代鋼球，陶瓷材料的密度與熱膨脹系數比軸承鋼小，彈性模量大。高速運轉條件下，來自軸承內部的負載(離心力、陀螺力矩等)比鋼軸承小，因此，陶瓷球軸承的極限轉速可以得到提高，如si3n4球軸承的極限轉速比鋼軸承提高了60%左右。 圖2、圖3是根據兩種高速電主軸的實驗數據繪制的溫升特性曲線。由圖可見，a型主軸轉速由2000r/min上升至極限轉速30000r/min時，鋼軸承溫度由4℃上升至35℃：主軸轉速由2000r/min上升至轉速40000r/min時，陶瓷球軸承溫度由35℃上升至43℃，為防止溫度過高損壞陶瓷球軸承，停止繼續升高轉速的試驗。實驗中顯示，在相同溫升水平上，即溫升為35℃時，裝有陶瓷球軸承的電主軸轉速比鋼軸承型主軸提高約30%。 在b型電主軸中，應用陶瓷球軸承，電主軸的實際轉速比使用鋼軸承時的極限轉速相應提高約30%～50%。 從上述試驗結果和理論分析可知，陶瓷球軸承比鋼軸承更適用于高速運轉條件。
圖2 a型高速電主軸的溫升特性 圖3 b型高速電主軸的溫升特性　 圖4 b型電主軸不同供油條件下的溫升
主軸軸承的溫升 由圖2可見，a型主軸轉速小于15000r/min時，兩種軸承的溫升基本相同。當轉速大于15000r/min時，陶瓷球軸承的溫升明顯低于鋼軸承。鋼軸承溫升增長率比陶瓷球軸承的快。 由圖3可以看出，b型主軸的軸承溫升的總體變化趨勢與a型電主軸相似。但主軸轉速較低時，陶瓷球軸承的溫升略高于鋼軸承，溫升增長率比鋼軸承小。當轉速5>17000r/min時，才能顯示出陶瓷球軸承的低溫升特性。脂潤滑條件下陶瓷球軸承的運轉速度和油霧潤滑時鋼軸承的運行速度相當。實驗中發現，b型陶瓷球軸承達到熱平衡時的溫升和所需時間，與a型鋼球軸承達到熱平衡時的溫升和所需時間相近。 圖4所示是不同供油量條件下的主軸軸承的溫升曲線，從中可見，陶瓷球軸承最低時所需的供油量低于鋼軸承，并且當突然中斷供油時，陶瓷球軸承能維持一段時間的正常工作，而鋼軸承在較短時間內就會燒壞。 由上述可知，不論用油霧潤滑還是脂潤滑，在高速或潤滑不足時，陶瓷球軸承的溫升都小于鋼軸承，陶瓷球軸承的壽命高于鋼軸承。分析認為：①hipsn的密度僅為軸承鋼的40%。由于陶瓷球產生的離心力和陀螺力矩小，使陶瓷球軸承發熱量少。②陶瓷和鋼組成的摩擦副的摩擦系數比鋼和鋼組成的摩擦副的摩擦系數小，產生的熱量少，溫升也低。③軸承在裝配時需要預緊，預緊力越大，變形和發熱越多，軸承溫升也越快。軸承高速運轉下，軸承承受的總負荷包括初期預緊力和軸承內部負荷。內部負荷由離心力和熱膨脹差引起的。軸承工作時的預緊力大于裝配時的原始預緊力，從而使摩擦發熱增加，軸承溫升增大。由于hipsn 陶瓷材料的熱膨脹系數僅為軸承鋼的25%，故當轉速提高時，陶瓷球軸承的溫升值比鋼軸承小得多。資料表明，陶瓷球軸承的內圈材料采用熱膨脹系數比軸承鋼小20%的不銹鋼、滲碳鋼等材料，可以有效降低軸承的溫升。 主軸振動頻譜分析 使用高靈敏度的壓電晶體傳感器，運用離散傅立葉原理進行信號變換計算，圖5、圖6是利用pdb測得的a型電主軸振動頻譜。由圖5可見，電主軸前端振動加速度波動較大，導致電主軸的運轉精度降低、剛度下降。由圖6 可見，裝有陶瓷球軸承的電主軸前端振動加速度變化極小，主軸運轉的動態精度高。對比兩種類型電主軸表明，使用陶瓷球軸承，可以有效減少電主軸的振動，提高電主軸的運轉精度和剛度。
圖5 裝有鋼軸承電主軸前端振動頻譜 圖6 裝有陶瓷球軸承電主軸前端振動頻譜
存在的問題與對策 試驗中發現，裝有陶瓷球軸承的兩種類型的電主軸，在轉速較低時，都存在著運轉初期(低速時)剛度差、精度低的問題。 分析認為，主要由軸承間隙和工作預緊力的變化影響。低速時，預緊力大，軸承間隙小，剛度高：高速時，軸承內部因高速運轉產生較大負荷，二者疊加，使軸承高速時實際預緊力遠超過初期預緊力。導致軸承溫升高，使用壽命低，易出現早期燒結損傷。為延長軸承壽命，要求陶瓷球軸承的初期預緊力要小一些。但初期預緊力過小，主軸啟動時，陶瓷球軸承間隙大，運轉時變形大、剛度差。使電主軸振動加大，嚴重影響電主軸的加工精度。解決方法是研究開發軸承預緊力可變換機構。主要的措施有兩種：①實施定位置預緊力變換：②重視運轉精度，低速時，實施定位置預緊，高速時，采用預緊力可變換機構。
3 結束語 以上理論與實驗分析表明： 在相同條件下，陶瓷球軸承比鋼軸承更適用于高速運轉條件。將陶瓷球軸承應用于高速主軸單元的設計、制造中，可以有效提升主軸的極限轉速，減少高速主軸的振動，提高主軸的運轉精度和剛度。 應用陶瓷球軸承，可以延長電主軸的使用壽命，簡化與之配套的潤滑系統。但要解決低速運轉條件下，陶瓷球軸承剛度差、精度低的問題。