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、齒輪等中間傳動環節，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節出現的振動和噪聲。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，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點：用永磁材料制造的轉子在工作過程中不發熱，解決了目前內置的異步感應電動機轉子發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型和閉環型之分，閉環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。可是，球徑不能減小過多，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，但污染環境和危害工人健康，國外已很少采用。
脂潤滑是最簡單和環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公司開發的新一代低溫軸承其dmh值還可以在此基礎上增加10%左右)。現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。