机床用高速主轴轴承技术

机床用高速主轴轴承技术
1 高速主轴轴承发展情况
为了适应机床主轴的高速要求，一般多使用刚性和高速性能优良的角接触球轴承，其次使用圆柱滚子轴承(见表1)。

与此同时逐步开发出与之相适应的润滑系统。

从表述主轴轴承高速性能的dmN值(dm为轴承节圆直径mm，N为转速r/min)来看，脂润滑条件下dmN值在50×104以下。

开发出油气润滑后，dmN值已达到100×104以上。

此后在轴承方面又开发出了滚动体为陶瓷的角接触球轴承，实现了dmN值为200×104。

到90年代开发出喷射润滑后，dmN值可达到300×104。

表1 主轴用滚动轴承特性比较
表2 陶瓷材料(Si3N4)与轴承钢(Gcr15)性能比较
1) 高速角接触球轴承
从表1可以看出圆锥滚子轴承，单列、双列圆柱滚子轴承在高速性能方面均劣于角接触球轴承。

角接触轴承是具有接触角的轴承，接触角越大轴向刚度越好，但因为球与滚道之间的陀螺滑动和自旋滑动也大，因此发热也会增加。

为了提高速度性能，方法是减小球的大小(或质量)，改变沟道的曲率系数，以减小球的离心力，降低高速运转时产生的内部载荷，同时增加球的数量以提高刚性。

2) 陶瓷球角接触球轴承
为了减少球质量以提高速度，推出了仅滚动体系用氮化硅(Si3N4)陶瓷的混合型陶瓷球轴承，其性能比较见表2。

作为高速主轴轴承材料，陶瓷(Si3N4)有以下优点：
·重量轻。

由于密度比轴承钢小，高速旋转时滚动体产生的离心力小，旋转力矩可以减小，因此可以降低温升，提高寿命。

·良好的导热性使陶瓷材料的滚动体在高速运转时不易与金属产生粘着。

在润滑条件较好的情况下耐烧伤。

·热膨胀小。

滚动体与内圈接触时不易发生预紧力增加而导致游隙减小，出现烧伤。

·由于硬度高、刚性好，轴承的变形小，主轴的刚性也得到提高。

因此，综上所述，采用陶瓷材料(Si3N4)作为滚动体，与轴承钢滚动体相比速度可提高约25%～35%，寿命可提高约3倍。

3) 新型混合角接触球轴承
在高速旋转时，内圈由于离心力而产生膨胀，与滚动体接触应力变大，使内部预载荷增加、游隙变小、发热增加。

针对此问题，最近开发出内圈为不锈钢的新型混合陶瓷球轴承。

由于不锈钢的线膨胀系数比轴承钢小20%，因而能进一步控制轴承在高速旋转时因内圈膨胀而造成的预载荷增加。

在润滑条件充分，固定预载荷下dmN 值可提高1.2倍。

4) 内圈为陶瓷的混合角接触球轴承
近来有资料介绍，在定位预载紧的情况下，内圈也使用陶瓷材料的混合型角接触球轴承。

因为内圈也使用陶瓷材料，轴承内径或滚道离心膨胀小，预紧的增加也较小，加之刚性好，球和滚道的接触面积小，所以发热和膨胀也较小，可以比仅球为陶瓷的轴承达到更高转速。

但是，正是由于高速旋转时离心和膨胀小，它与金属制主轴之间的配合应力如果过大就可能产生破坏甚至碎裂。

3 高速化主轴轴承的润滑
主轴轴承的高速化发展趋势对润滑提出了更高的要求。

传统dmN值在50×104以下
的脂润滑，由于使用简单、经济而得到广泛应用，而且无需特别维护，也无需后续补充，大多数为终身润滑。

随转速提高，dmN值达100×104以上时采用油气和油雾润滑，与脂润滑相比，温度上升小，能够以更高速度旋转，因而成为主要的润滑方法。

而喷射润滑虽然dmN值可达到250×104，但需要大量润滑油，因搅拌阻力使动力损失较大，而且需要较复杂的附属设备，成本较高，所以一般不使用这种润滑方式。

从第18届东京(1996年)和第19届大阪(1998年)国际机床博览会展出的机床看，采用陶瓷滚动体、油气和油雾润滑方式大功率电主轴的数控机床和加工中心已占整个参展机床的85%左右。

4 结束语
对于高效加工机床，提高主轴轴承的速度是实现高速实用主轴的关键。

随着高速化的发展，滚动体采用陶瓷材料，dmN值在200×104左右，脂润滑条件下dmN值100×104左右的数控加工中心正在日益增加，已成为一种发展趋势，采用油气和油雾润滑方式也将成为今后高速机床主轴轴承润滑的发展方向。

高性能机床主轴概述
机床主轴是机床的核心部件，其功能是带动刀具（砂轮）或工件旋转，实现高速精密加工。

随着现代工业对机床加工精度和加工效率要求的不断提高，机床对主轴性能的要求也越来越高，传统的高速主轴概念已难以充分描述机床主轴的技术内涵。

高性能机床主轴是指在满足加工精度和加工效率的前提下，速度、精度、刚度、功率、转矩匹配特性好，可靠性高，性能价格比高的机床主轴。

机床主轴按所采用的轴承类型可分为滚动轴承（角接触球轴承、滚子轴承）、液体滑动轴承（动压轴承、静压轴承、动静压轴承）、气体轴承和磁悬浮轴承等，按照与电动机的连接方式可分为机械主轴和电主轴。

电主轴是将机床主轴功能与电动机功能从结构上融为一体的新型主轴部件，它省去了皮带传动或齿轮传动环节，具有速度高、精度高、调速范围宽、振动噪声小、可快速起动和准停等优点。

用电主轴取代传统机械主轴是机床工业发展的大趋势。

电主轴按照电动机的类型又可分为异步型电主轴和永磁同步型电主轴。

从机床行业的客观需求来看，角接触球轴承电主轴、液体（动）静压轴承电主轴和气体轴承电主轴既是市场开发的重点，也是学术研究的热点。

角接触球轴承是最适宜高速化的滚动轴承，具有摩擦阻力小、功耗小、成本低、便于系列化和标准化等优点，其极限转速高、精度高、刚度高，在加工中心、数控铣床、车床、内圆磨床和高速雕铣机中获得了广泛应用，其主要技术难点在于提高精度寿命和可靠性。

液体（动）静压主轴以液态“油膜”作为支撑，具有显着的“误差均化效应”和阻尼减振性，回转精度远高于滚动轴承式主轴，其刚度高，磨损小，寿命长，在精密超精密机床上获得了广泛应用，其主要技术难点在于控制高速时主
轴的温升和热变形。

气体轴承电主轴以“气膜”作为支撑，回转精度和极限转速高于液体（动）静压电主轴和滚动轴承式电主轴，其热稳定性好，是超精密机床和印刷电路板（PCD）钻床不可或缺的核心部件，其不足之处在于承载能力低，工艺要求高。

磁悬浮轴承也是一类重要的主轴支撑方式，极限转速高，运转过程中无磨损，其技术难点在于如何提高动刚度和阻尼减振性能，在实现高速的同时保证高加工精度。

磁悬浮主轴的核心研究内容是机械系统特性和电磁特性的控制问题。

高性能机床主轴的技术现状
1.角接触球轴承电主轴领域
国内现有水平：在加工中心和数控铣床电主轴方面，洛阳轴承研究所开发了油气润滑型加工中心电主轴，额定功率和最高转速达22kW、24000r/min；湖南大学研制的永磁同步型加工中心电主轴，额定功率35kW，最高转速18000r/min，径向圆跳动1.5μm，动平衡精度G0.4，配备HSK－A63刀柄，采用油气润滑和强制水冷方式。

沈阳建筑大学开发高速大功率陶瓷球轴承电主轴单元最高转速达到30000r/min，功率达20kW；研制开发的无内圈式全陶瓷电主轴单元最高转速达到30000r/min，最大功率达到15kW，回转精度≤±1μm。

在磨用电主轴方面，洛阳轴承研究所主轴产品Dmn值达到170～200万mm·r/min；轴承套圈磨用电主轴最大功率为达32kW（S6～60%），最高转速为120000r/min；高铁轨道板磨用电主轴达150kW（S1～100%），最高转速2000r/min；工作寿命普遍在1500～2000h。

国际先进技术水平：在加工中心和数控铣床电主轴方面，国际上油脂润滑型加工中心用电主轴最高转速为60000r/min，油气润滑型数控铣最高转速为140000r/min，而大功率电主轴的功率可达80kW，转速为10000r/min，其最大转矩可达380N·m。

在磨用电主轴方面，国际主轴产品的轴承Dmn值高达240万mm·r/min，选用油气润滑方式，输出功率普遍比上一代产品增加50%左右，其工作寿命亦普遍增长50%左右。

国家数控机床重大专项技术目标：①额定功率和最高转速为50kW、20000r/min（另两款为30kW、30000r/min和10kW、40000r/min）。

②具有轴承动态预紧调整功能。

③平均无故障运行时间≥5000h。

④主轴回转精度＜1.0μm。

⑤轴系统刚度≥300N·μm。

⑥动平衡精度G0.4级。

⑦恒功率>14。

⑧转速波动范围0.04%以下。

⑨C轴位置控制精度10″。

⑩高分辨率编码器接口最大可支持17位编码器（131072脉冲/r）。

11.具有两种现场总线接口。

2.液体（动）静压轴承电主轴领域
国内现有水平：上海原创精密机床主轴有限公司研制的液体（动）静压电主轴，额定功率和最高转速达到34kW、8500r/min，径向跳动1μm。

东方精益公司生产的液体（动）静压电主轴，额定功率/最高转速达到17kW、8000r/min，径向跳动1μm，径向刚度>500N·μm。

湖南大学针对超高速外圆/凸轮轴磨床开发了电动机内置式液体（动）静压电主轴，额定功率和最高转速达35kW、10000r/min，径向圆跳动1μm；同时还针对高速内圆磨床，开发了12kW、30000r/min电动机内装式液体动静压电主轴。

北京航空航天大学下属的北京北航精密有限公司开发了系列（动）静压主轴产品，额定功率和最高转速达到7.5kW、48000r/min，回转精度能达到0.5μm以内。

在内圆磨（动）静压主轴方面，国内已生产转
速达20000r/min，主轴直径28mm的主轴产品。

目前国内液体（动）静压主轴的回转精度最高能达到0.1μm。

国际先进水平：德国HYPOSTATIK公司开发的外圆磨电主轴，最高工作转速为7600r/min，功率为50kW，砂轮径向刚度>320N·μm；凸轮磨凹面磨削主轴，转速25000/35000r/min，砂轮径向刚度为120/60N·μm；铣削静压电主轴，最高工作转速为42000r/min，功率为15kW，轴承刚度为200/160N·μm。

英国CranfieldPrecision公司开发的液体静压主轴最高转速为15000r/min，供油压力为3.5MPa，径向/轴向刚度为200/440N·μm，回转精度达0.1μm。

双列圆柱滚子轴承分两种形式：
⑪NN0000型双列圆柱滚子轴承
该类轴承结构紧凑，承受载荷时变形较小，因此特别适用于机床主
轴的支承。

因其外圈无挡边，因此可以分别安装外圈和内圈组件(带滚子和保持架)，不限制轴或外壳的轴向位移，与径向尺寸相同的单列圆柱滚子轴承相比，能承受更大的径向载荷。

⑫NN0000K型圆锥孔双列圆柱滚子轴承
该种轴承结构紧凑，承受载荷时变形较小，因此适用于机床主轴的支承。

轴承内孔为锥形，可微量调整轴承的径向游隙。

该类轴承由于外圈无挡边，因此可分别安装外圈和内圈组件(带滚子和保持架)，不限制轴或外壳的轴向位移，与径向尺寸相同的单列圆柱滚子轴承相比较，能承受更大的径向载荷。