高速加工中的机床主轴轴承技术

高速加工中的机床主轴轴承技术
发表时间：2019-02-26T09:44:11.650Z 来源：《防护工程》2018年第32期作者：刘梦伟1 黄娟2 [导读] 电主轴内部的支承核心———主轴轴承，承受较大的径向和轴向载荷，需具有较高的回转精度和较低的温升，尽可能高的径向和轴向刚度，较长的、保持精度的使用寿命。

因此，主轴轴承的性能对电主轴的使用功能极为重要。

目前在高速主轴单元中采用较多的支承轴承主要有滚动轴承、磁悬浮轴承、空气轴承和动静压轴承。

基于此，本文主要对高速加工中的机床主轴轴承技术进行分析探讨。

刘梦伟1 黄娟2
山东博特精工股份有限公司山东济宁 272000
摘要：电主轴内部的支承核心———主轴轴承，承受较大的径向和轴向载荷，需具有较高的回转精度和较低的温升，尽可能高的径向和轴向刚度，较长的、保持精度的使用寿命。

因此，主轴轴承的性能对电主轴的使用功能极为重要。

目前在高速主轴单元中采用较多的支承轴承主要有滚动轴承、磁悬浮轴承、空气轴承和动静压轴承。

基于此，本文主要对高速加工中的机床主轴轴承技术进行分析探讨。

关键词：高速加工；机床主轴；轴承技术
1、高速加工技术的应用优势及其对机床主轴的要求
1.1高速加工技术的优势
高速加工技术采用精良的制造设备和材料刀具，可以加快切削毛坯余量的速度，加工出高质量、高精度的复杂零件，同时还可以降低加工成本，提高加工效率。

高速加工的应用优势主要体现在以下几个方面：大幅度缩短加工时间，1台高速机床可替代4台普通数控机床；发热小，切削速度快，零件变形小，可对薄壁零件进行加工；表面加工质量高，且加工完毕后无需再用磨削机床加工；加工的零件具有较好重复性，能够应用于模具制造行业电极加工；机床占地面积小，仅需要少数工人；有利于缩短交货期，加快投资成本回收。

1.2高速加工技术对机床主轴的要求
在高速加工的过程中，要求机床主轴应具备足够高的刚度和回转精度，基于这一前提，机床的电主轴，需要采用内径较大、精度较高且高速性能良好的轴承，并且还要配备先进的润滑系统。

同时，电主轴除了要具备较高转速之外，其低速段还应具备较大的输出转矩，只有这样才能够满足精加工和低速重切削的要求。

此外，数控加工中心要求主轴能够精度定位，以满足自动换刀等操作要求，故此，电主轴应当具备精确的切向准停功能，而为了大幅度缩短辅助加工时间，并进一步提高生产效率，要求机床的电主轴应当具备快速启停功能。

为了满足高速加工技术对机床主轴的要求，应当不断加大对主轴轴承关键技术的研究力度，这也是本文研究的重点。

2、高速加工中的机床主轴轴承关键技术
机床主轴轴承的种类比较繁多，常见的有滚动轴承、磁悬浮轴承、空气轴承、动静压轴承等等。

其中滚动轴承具有结构简单、高速性能良好、成本低廉、刚度大、便于维护等特点，从而使其成为高速加工的机床主轴轴承首选。

滚动轴承的关键技术主要包括以下内容：结构优化技术、材料技术以及润滑技术等。

下面本文就这三个方面展开详细论述。

2.1主轴轴承结构优化技术
对机床主轴轴承进行结构优化的首要目的是提高轴承的高速性能，在具体优化设计的过程中，目标函数的确定是关键环节，主要包括球的滚动比、接触应力、刚度、额定动荷载等等，可供优化的变化有球径、沟曲率系数、球数等。

在优先排序的基础上，对内外套圈和保持架的结构进行优化设计，不但可使轴承的极限转速大幅提高，而且还能使温升显著降低，由此便可以实现轴承的高速性能。

对于主轴轴承而言，极限转速的大小是决定其高速性能的关键性因素之一，所谓的极限转速具体是指轴承在运动的过程中能够承受最高热平衡温度时的转速极限值。

相关研究结果表明，轴承的极限转速主要与以下因素有关：公差等级、润滑方式、预载荷、接触角、轴承的工作状态以及组配形式等。

此外，轴承运行环境中的热载荷也会对极限转速有所影响。

因轴承转速受内部摩擦发热引起的温升限制，所以当轴承运行过程中的转速达到某个界限值时，轴承便会由于内部温升过高出现热粘着效应，这样一来，轴承便无法继续工作。

2.2轴承润滑技术
油气润滑是高速加工机床电主轴较为理想的润滑技术，该技术可根据实际润滑的需要，在不经过雾化处理的情况下，直接将少量润滑油用压缩空气不断地输送到需要润滑的部位。

油气润滑技术在输送润滑油时具备实时、定量、均匀的优势，这种供油方式能够确保需润滑的部位始终不缺润滑油，并且有效防止因润滑油量过大而产生较大阻力，避免温度上升。

油气在润滑的过程中处于相互分离的状态，压缩空气不仅能够为油气输送提供动能，还能够对轴承进行冷却，清除轴承内部杂质。

与油雾润滑相比，在相同工况、转速的主轴轴承条件下，油气润滑能够降低轴承外圈温度9-16℃，提高轴承速度因素25%以上。

为保证油气润滑装置正常工作，一般情况下油气润滑装置由专业的电主轴公司制造，并且规定润滑油达到IS04406的13/10级清洁度标准。

2.3轴承材料技术
钢制主轴轴承材料既要降低钢中氧含量和夹杂物的数量，满足长寿命和超高洁净的要求，又要改进原有钢种的化学成分，使其满足不同使用场合对轴承高性能的要求。

近年来，随着轴承钢冶炼技术的发展，真空脱气GCrl5和GCrl5SiMo等材料已经成为高速加工机床主轴轴承的主要材料。

同时，由氮化硅陶瓷做滚动体的混合陶瓷球轴承也正广泛应用于高速机床领域。

与轴承钢相比，陶瓷材料的密度是其40%，线膨胀系数不足钢的25%。

所以，在混合陶瓷球轴承高速旋转时，能够减小离心力和摩擦力矩，缓和球与套圈的热膨胀差所引起的轴承载荷，进而降低轴承摩擦发热量、减轻磨损程度、提高旋转性能。

陶瓷材料的纵向弹性模量是轴承钢的1.5倍，因此陶瓷球轴承的刚性也会明显大于钢制轴承。

此外，在相同结构的前提下，陶瓷球轴承的极限转速是钢制轴承的1.2-1.3倍，如果进一步优化陶瓷球轴承的结构，还能够给予陶瓷球轴承极限转速更大的提升空间。

3、主轴用空气轴承
高速内圆磨床主轴轴承一般采用空气轴承。

空气轴承采用空气冷却和气膜支承，运转平滑，由于气体的黏度小，能够在摩擦损耗不大、润滑剂和支承的温升不高的情况下实现高速旋转，特别适合做高速回转副的支承元件。

空气轴承具有精度高、结构紧凑、摩擦功耗低等优点，但由于受到能承受的切削载荷及过载能力较小的限制，其功率一般不是很大。

3．1空气轴承结构
空气轴承在结构设计上，近年相继出现了表面节流、浅腔二次节流、多孔质节流及浮环轴承等新类型。

其中，气体浮环轴承是一种较理想的高速轴承，这种浮环型轴承，当轴承高速旋转时，由于润滑气体的粘滞作用，使环也随之以一定速度旋转，即形成内外气膜的双膜轴承;也可以环不旋转，在外部供气作用下悬浮在轴承与轴之间，同样也形成一种双膜轴承。

这种双膜轴承的优点是:功耗低;高速稳定性好。

3．2空气轴承需要解决的问题
(1)普遍存在刚度不高、散热性不好的问题;
(2)刚度及承载力特别是抗过载能力不强;(3)工作可靠性、制造工艺性、实用性、普及性等有待进一步的研究;(4)标准化、结构系列化和设计计算方法不够规范。

3．3气磁混合轴承
空气轴承与磁悬浮轴承相比，具有相当高的工作精度，结构简单、制造容易和便于推广应用的优点;而磁轴承具有较高承载能力，便于控制和具有更高工作精度的性能。

目前已有专家开发出一种综合这2种性能的气磁混合轴承，这种轴承的主要特点是同时具备较高的承载能力和很高的工作精度，而这种特性很适合于超高速、超高精度加工，有十分广阔的应用前景。

4、结语
综上所述，高速加工技术对机床主轴轴承的性能提出了较高的要求，为此，可以通过对轴承结构进行优化，并选用合理的润滑系统及优选轴承材料等途径，来提高主轴轴承的整体性能，使其符合高速加工技术的要求。

这不但能够提高机床的加工效率，而且还能延长轴承的使用寿命。

参考文献：
［1］闫大鹏，吴玉厚，张柯．高速电主轴轴承油气润滑系统的研究［J］．机械工程与自动化，2006(1):37－39．［2］李科，马平．高速主轴的轴承技术［J］．机床与液压，2005(1):24－27．。