高速角接觸球軸承的應用

數控金切機床的高速主軸系統，顧名思義是具有高回轉速度，但這并無嚴格的界限。對作為高速切削機床代表的加工中心和數控銑床而言，一般是指最高轉速≥10,000r/min的主軸系統，并相應具有高的角加(減)速度，以實現主軸的瞬時升降速與起停。為適應制造業(yè)對機床加工精度愈來愈高的要求，高速切削主軸還應有較高的回轉精度，通常要求主軸的徑向跳動小于1或2μm，軸向竄動小于1μm。此外，主軸也要有足夠的靜、動剛度，以承受一定的切削負荷和保持高的回轉精度。
傳統的主軸系統包含皮帶、齒輪等中間傳動環(huán)節(jié)，不僅轉動慣量大，難于實現高的角加(減)速度，而且高速時也難于解決中間傳動環(huán)節(jié)出現的振動和噪聲。因此，現在的高速主軸系統大多是把電動機與主軸“合二而一”、將傳動鏈縮短為零的電主軸單元，結構上基本是把主電動機置于主軸前后軸承之間。這樣的電主軸，軸向尺寸較短，結構緊湊，主軸剛度高，出力較大。德國GMN公司用于加工中心和數控銑床的電主軸就是這種結構，其軸承是適合高速運轉的精密角接觸球軸承(一般相當于國際標準P2和P4級)，所有關鍵零件都必須進行精密加工和精密裝配，同時還要用恒溫冷卻水(GMN為23±0.7℃甚至±0.3℃)對主電機的定子和前后軸承進行冷卻。GMN用于加工中心和數控銑床的電主軸共有20幾種型號，最高轉速從8000r/min到60000r/min，功率從5.5kW到76kW，扭矩從0.9Nm到306Nm。
現在，也有極少數高速輕切削銑床，使用將主電機置于主軸后軸承之后的電主軸。這種結構的電主軸軸向尺寸長，但可改進散熱條件。此外，某些主軸最高轉速在10000r/min至15000r/min的加工中心和銑床，不是采用電主軸而是通過薄膜式之類的聯軸節(jié)，將主電動機與主軸直接連接，從而省去主軸冷卻系統。不過，此方式既增加了轉動慣量，影響角加(減)速度，而且兩者直連后的非直線性又會引起振動(轉速愈高對直線性的調準要求也愈高)，故不宜用于主軸轉速更高的機床。
當前的高速電主軸，幾乎都是內置異步交流感應電動機。異步型電主軸的優(yōu)點是結構較簡單，制造工藝相對成熟和安裝方便，特別是可以更大限度地減弱磁場，易于實現高速化。此種主軸電機也正在進一步改進，比如日本三菱電機公司最近開發(fā)出可減少電損耗和縮短定子長度的高速、高效率內置感應主軸電動機。
最近，國外正研討在電主軸中內置交流永磁同步電動機的問題。與異步感應電動機相比，永磁同步電動機有如下優(yōu)點：用永磁材料制造的轉子在工作過程中不發(fā)熱，解決了目前內置的異步感應電動機轉子發(fā)熱且難于充分冷卻的問題；功率密度大，工作效率高，即可用較小的尺寸得到較大的功率和扭矩；低速性能好，易于實現精密控制等。然而，永磁同步電動機也有其弱點，那就是功率容量有限，弱磁困難，不利于實現高速化。故迄今為止，只有個別機床公司有內置永磁同步電動機的電主軸在展會上亮相，而專業(yè)化的電主軸制造廠尚沒有此種產品出售。有不少人認為，對在弱磁場運行的高轉速電主軸，似乎用異步感應電動機驅動更為合適。
目前主要采用PWM變頻調速技術來實現電主軸的高速化，執(zhí)行此項任務的既有普通變頻調速器，又有矢量控制驅動器。前者為恒轉矩驅動，輸出功率與轉速成正比；后者在低速端(額定轉速以下)為恒轉矩驅動，在中、高速端為恒功率驅動。高速加工中心和數控銑床之電主軸，基本上都采用后者(即矢量控制驅動器)。矢量控制驅動器又有開環(huán)型和閉環(huán)型之分，閉環(huán)型在主軸上裝有高性能編碼器作為檢測元件，以實現位置和速度反饋，從而有更好的動態(tài)性能，還可以實現主軸的定向準停和C軸功能。
高速主軸用的軸承
數控金切機床高速主軸的性能，在相當程度上取決于主軸軸承及其潤滑。滾動軸承由于剛度好、精度可以制造得較高、承載能力強和結構相對簡單，不僅是一般切削機床主軸的首選，也受到高速切削機床的青睞。從高速性的角度看，滾動軸承中角接觸球軸承最好，圓柱滾子軸承次之，圓錐滾子軸承最差。
角接觸球軸承的球(即滾珠)既公轉又自轉，會產生離心力Fc和陀螺力矩Mg。隨著主軸轉速的增加，離心力Fc和陀螺力矩Mg也會急劇加大，使軸承產生很大的接觸應力，從而導致軸承摩擦加劇、溫升增高、精度下降和壽命縮短。因此，要提高這種軸承的高速性能，就應想方設法抑制其Fc和Mg的增加。從角接觸球軸承Fc和Mg的計算公式得知，減少球材料的密度、球的直徑和球的接觸角都有利于減少Fc和Mg，所以現在高速主軸多使用接觸角為15°或20°的小球徑軸承?？墒牵驈讲荒軠p小過多，基本上只能是標準系列球徑的70%，以免削弱軸承的剛度，更關鍵的還是要在球的材料上尋求改進。
與GCr15軸承鋼相比，氮化矽(Si3N4)陶瓷密度僅為它的41%，用氮化矽制作的球要輕得多，自然在高速回轉時所產生的離心力和陀螺力矩也要小得多。與此同時，氮化矽陶瓷的彈性模量和硬度是軸承鋼的1.5倍和2.3倍，而熱膨脹系數僅為軸承鋼的25%，這既可提高軸承的剛度和壽命，又使軸承的配合間隙在不同溫升條件下變化小，工作可靠，加之陶瓷耐高溫且不與金屬發(fā)生粘咬，顯然用氮化矽陶瓷制作球體更適合進行高速回轉。實踐表明，陶瓷球角接觸球軸承與相應的鋼球軸承相比速度能提高25%~35%，不過價格也要高一些。
國外將內外圈為鋼、滾動體為陶瓷的軸承統稱為混合軸承。目前混合軸承又有新發(fā)展：一是陶瓷材料已用于制作圓柱滾子軸承的滾子，市場上出現了陶瓷圓柱混合軸承；二是用不銹鋼(比如FAG公司用氮化不銹鋼Crodinur30)代替軸承鋼制作軸承的內外圈特別是內圈，由于不銹鋼的熱膨脹系數比軸承鋼小20%，自然在高速回轉時，因內圈熱膨脹所造成的接觸應力增大趨勢會受到抑制。
眾所周知，dmh值是表達滾動軸承高速性能的速度因子(dm是滾動軸承內、外圈的平均直徑，單位mm；h是軸承的轉速，單位r/min)。角接觸球軸承的高速性能不僅與球的接觸角、直徑和材料相關，而且與軸承的潤滑方式關系密切。目前滾動軸承有脂潤滑、油霧潤滑和油氣潤滑三種方式，其中油霧潤滑雖然效果不錯，但污染環(huán)境和危害工人健康，國外已很少采用。
脂潤滑是最簡單和環(huán)保性最好的一種潤滑方式。由于脂在超高速運轉下容易變質，故其dmh值較低，軸承為鋼球時僅達80×104，為陶瓷球時可達110×104(FAG公司開發(fā)的新一代低溫軸承其dmh值還可以在此基礎上增加10%左右)?，F在高速主軸軸承用得最多的是油氣潤滑方式，它是定時、定量地供給軸承以油—氣混合物，使軸承各部位獲得最佳的微量潤滑并把污染減至很小。采用油氣潤滑的鋼球或陶瓷球角接觸球軸承，其dmh值一般可分別達到到140×104和210×104，若采用比較特殊的油氣潤滑方式，陶瓷球角接觸球軸承的dmh值可達250×104甚至更高一點為特殊油氣潤滑方式的一種，在試驗室內其dmh值已達280×104)。
高速電主軸滾動軸承的配置形式有多種，但比較典型的是前、后軸承呈“O”型布局的兩對角接觸球軸承。由于后軸承也是角接觸球軸承，一般要設置滾珠套以便讓后軸承能沿殼體軸向移動，使得主軸受熱后可自由向后方膨脹。一般說來，角接觸球軸承需要在軸向有預加負荷才能正常工作，預加負荷愈大，軸承的剛度愈高但溫升也愈大。比較簡單的辦法是，根據電主軸的轉速范圍和所要承受的負載，選定一個最佳的固定預加負荷值；更好的辦法則是預加負荷能隨主軸轉速改變而調整，在高轉速時減小預加負荷，在低轉速時增加預加負荷。