高速加工中的機(jī)床主軸軸承技術(shù)

楊立芳，葉軍

(洛陽(yáng)軸研科技股份有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039)

20世紀(jì)90年代興起的超高速加工比一般加工有更高的轉(zhuǎn)速、更快的進(jìn)給速度，可提高生產(chǎn)效率，降低加工成本，改善表面加工質(zhì)量，故需實(shí)現(xiàn)機(jī)床主軸的高速化和高效率化。機(jī)床主軸被稱(chēng)作機(jī)床的“心臟”，高速機(jī)床采用電動(dòng)機(jī)與主軸融合在一起的電主軸，是一種直接依賴(lài)于高速軸承、電動(dòng)機(jī)、精密數(shù)控與精密制造等技術(shù)的高度機(jī)電一體化的功能單元，由于省去了中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，其轉(zhuǎn)速一般可達(dá)到每分鐘幾萬(wàn)甚至十幾萬(wàn)轉(zhuǎn)。電主軸內(nèi)部的支承核心——主軸軸承，承受較大的徑向和軸向載荷，需具有較高的回轉(zhuǎn)精度和較低的溫升，盡可能高的徑向和軸向剛度，較長(zhǎng)的、保持精度的使用壽命。因此，主軸軸承的性能對(duì)電主軸的使用功能極為重要。目前在高速主軸單元中采用較多的支承軸承主要有滾動(dòng)軸承、磁懸浮軸承、空氣軸承和動(dòng)靜壓軸承。以下就主軸軸承的主要技術(shù)及發(fā)展類(lèi)型進(jìn)行綜述。

1 主軸用滾動(dòng)軸承

滾動(dòng)軸承因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、剛性大、高速性好、使用維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，一直都是機(jī)床主軸的首選支承部件。

機(jī)床主軸軸承常見(jiàn)的滾動(dòng)軸承類(lèi)型主要有深溝球軸承、角接觸球軸承、圓柱滾子軸承、雙向推力角接觸球軸承和圓錐滾子軸承。其中，角接觸球軸承因制造精度高、極限轉(zhuǎn)速高、承載能力強(qiáng)，能同時(shí)承受徑向和一個(gè)方向的軸向載荷，在高速機(jī)床主軸的支承中被廣泛地應(yīng)用[1]。主軸用滾動(dòng)軸承技術(shù)主要有滾動(dòng)軸承的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、預(yù)緊和配置形式、材料技術(shù)、保持架研究和潤(rùn)滑技術(shù)等。

1.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

主軸用滾動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)優(yōu)化的期望目標(biāo)之一是提高其高速性能。對(duì)于軸承的優(yōu)化設(shè)計(jì)，首先要確定其目標(biāo)函數(shù)，如軸承中球的旋滾比、剛度、接觸應(yīng)力及額定動(dòng)載荷等，優(yōu)化的變量有溝曲率系數(shù)、球組節(jié)圓直徑、球徑、球數(shù)等，根據(jù)重要程度對(duì)目標(biāo)函數(shù)和優(yōu)化變量進(jìn)行優(yōu)先排序，然后再設(shè)計(jì)內(nèi)、外套圈及保持架的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)既提高軸承的極限轉(zhuǎn)速又能使溫升盡可能低的高速性能[2]。

軸承的極限轉(zhuǎn)速是軸承在一定工作條件下，達(dá)到所能承受的最高熱平衡溫度時(shí)的轉(zhuǎn)速極限值。主軸軸承的極限轉(zhuǎn)速與軸承的接觸角、公差等級(jí)、工作狀態(tài)、潤(rùn)滑方式、組配形式、預(yù)載荷以及材料種類(lèi)等多種因素有關(guān)[1]，同時(shí)還與工作環(huán)境的熱載荷有關(guān)。由于滾動(dòng)軸承的轉(zhuǎn)速主要受軸承內(nèi)部摩擦發(fā)熱而引起的溫升限制，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過(guò)某一界限值后，軸承內(nèi)部會(huì)因溫度不斷升高而發(fā)生熱粘著，以致不能繼續(xù)使用。電主軸也易受周?chē)h(huán)境變化的影響(如電動(dòng)機(jī)發(fā)熱、對(duì)軸套的冷卻)，尤其是在轉(zhuǎn)速急劇變化過(guò)程中，這些變化使軸承處于嚴(yán)重的熱載荷下，很容易引起軸承卡死，因此，要采取措施降低軸承對(duì)外部熱載荷的敏感度。

具有良好高速性能的精密角接觸球軸承是高速主軸常選用的軸承。角接觸球軸承在工作時(shí)作用力與軸承徑向面有一接觸角，一般為15°，25°或40°，接觸角越大，則軸向承載能力越大；接觸角越小，則越有利于高速旋轉(zhuǎn)，通常采用15°和25°。接觸角為25°的主軸軸承，其極限轉(zhuǎn)速約為同結(jié)構(gòu)15°接觸角軸承的90%[1]。另外，角接觸球軸承內(nèi)、外圈擋邊的一面有一斜坡鎖口，是為了裝入比深溝球軸承更多的鋼球。機(jī)床主軸精密軸承常用的公差等級(jí)有5，SP，4，4A，UP，2和2A級(jí)[4]。軸承的游隙、溝曲率系數(shù)、擋邊形狀等都要做適于高速性能的優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

用作主軸軸承的圓柱滾子軸承，一種是采用單列圓柱滾子軸承(N型)，其外圈為直滾道，內(nèi)圈帶擋邊；另一種是雙列圓柱滾子軸承(NN型)。雙列圓柱滾子軸承不能承受軸向載荷，一般與雙向推力角接觸球軸承(能承受雙向軸向載荷)配套應(yīng)用于主軸的工作端，以達(dá)到較高的徑向剛度和軸向剛度來(lái)承受較大的切削力和進(jìn)給力，或者應(yīng)用于要求承載能力高的主軸后端。為了實(shí)現(xiàn)滾子軸承的高速性能，需要優(yōu)化擋邊的高度，控制滾子和擋邊之間的間隙，提高滾子的精度，從而降低發(fā)熱，避免滾子端部和擋邊間的擦傷和卡死。

用作主軸軸承的圓錐滾子軸承，由于其滾子大端面與內(nèi)圈大擋邊接觸面間摩擦嚴(yán)重，高速運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)導(dǎo)致溫度急劇上升，所以在優(yōu)化設(shè)計(jì)軸承結(jié)構(gòu)的同時(shí)，需要考慮潤(rùn)滑以及圓錐滾子軸承適用的速度范圍。

超高速軸承設(shè)計(jì)中，為了減小離心力和陀螺力矩，通常采用減小滾動(dòng)體直徑、增加滾動(dòng)體數(shù)量和選用輕質(zhì)材料等方法。現(xiàn)在一種新型空心圓柱滾子軸承已用于機(jī)床主軸軸承，與實(shí)心圓柱滾子軸承相比具有更高的回轉(zhuǎn)精度、剛性、極限轉(zhuǎn)速和低的溫升等優(yōu)點(diǎn)[4]。

國(guó)外開(kāi)發(fā)了多種適于主軸高速性能的滾動(dòng)軸承。日本NSK開(kāi)發(fā)了一種能耐受較大熱擾動(dòng)的軸承系列——ROBUST系列角接觸球軸承, 具有耐熱性和低發(fā)熱性的優(yōu)點(diǎn)，適合高速主軸軸承的工作環(huán)境。ROBUST系列角接觸球軸承通過(guò)優(yōu)化內(nèi)部設(shè)計(jì)，對(duì)球徑、內(nèi)外圈溝曲率、接觸角及其他相關(guān)因素進(jìn)行分析，考慮了高速旋轉(zhuǎn)下圓周應(yīng)力對(duì)內(nèi)圈的影響，并使用一種由NSK開(kāi)發(fā)的碳氮共滲特殊軸承材料SHX，能夠最大限度地降低發(fā)熱，有效地改善軸承抗卡死性能，滿足了電主軸高速性能的嚴(yán)格要求，在加工中心領(lǐng)域已采用。

德國(guó)FAG公司開(kāi)發(fā)了HS70和HS19系列高速主軸軸承，將球徑縮小了30%，并增加了球數(shù)，制造的空心鋼球可減小離心力和陀螺力矩。為減小外圈所受應(yīng)力，外溝通使用“拱形”，在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，球與外圈兩點(diǎn)接觸，因應(yīng)力分散而提高軸承壽命[5]。另一種低發(fā)熱軸承，則是重點(diǎn)研究了潤(rùn)滑劑在離心加速度作用下的運(yùn)動(dòng)軌跡，將保持架的導(dǎo)向區(qū)精確地定位在離心力對(duì)潤(rùn)滑劑作用最大的地方，從而達(dá)到潤(rùn)滑劑的最佳分布和可靠供應(yīng)[6]。

1.2 預(yù)緊和配置形式

為了保證主軸單元的剛性、旋轉(zhuǎn)精度，并控制滾動(dòng)體的公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)打滑，降低噪聲等，需要對(duì)主軸軸承施加一定的預(yù)緊載荷。例如，角接觸球軸承能承受徑向和一個(gè)方向的軸向載荷，在徑向載荷作用下，軸承內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)沿軸向方向作用的力，必須有另一相對(duì)的外力(預(yù)載荷)來(lái)平衡。合適的預(yù)載荷不僅可以消除軸承的軸向游隙，抑制滾動(dòng)體的旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)，還能減小高速旋轉(zhuǎn)時(shí)滾動(dòng)體與內(nèi)、外圈滾道接觸角的變化，以影響整個(gè)系統(tǒng)的阻尼特性，從而提高軸承剛度和旋轉(zhuǎn)精度；另外，還可以降低振動(dòng)噪聲、抑制溫升和延長(zhǎng)疲勞壽命。但是預(yù)載荷過(guò)大，會(huì)加劇軸承的摩擦，使溫升迅速提高，以致造成燒傷，降低使用壽命[7]。

軸承的預(yù)緊方式有徑向預(yù)緊和軸向預(yù)緊。徑向預(yù)緊適用于圓柱滾子軸承；軸向預(yù)緊適用于角接觸球軸承、圓錐滾子軸承和推力軸承。角接觸球軸承的軸向預(yù)緊，又可分為定位預(yù)緊和定壓預(yù)緊[9]。即采用改變軸承結(jié)構(gòu)和采用預(yù)緊力補(bǔ)償原理(獨(dú)立制作預(yù)緊力補(bǔ)償裝置)2種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù)載荷的控制。對(duì)于定位預(yù)緊，在轉(zhuǎn)速不太高和變速范圍比較小的情況下，采用剛性預(yù)載荷(改變內(nèi)外隔圈或軸承內(nèi)、外圈的寬度尺寸差)來(lái)施加預(yù)載荷。定位預(yù)緊控制預(yù)緊力十分有效，操作方便，但會(huì)隨速度的升高，軸系零件的發(fā)熱而變化，而且電主軸裝配完成后，其預(yù)載荷大小無(wú)法調(diào)整，當(dāng)軸承出現(xiàn)磨損時(shí)，更換軸承勢(shì)必要重新調(diào)整整個(gè)控制系統(tǒng)，這給用戶的維修帶來(lái)很多不便[7]。定壓預(yù)緊則是在轉(zhuǎn)速較高和變速范圍比較大的情況下，使用彈性預(yù)載荷裝置(選用合適的彈簧或借助油腔壓力變化)來(lái)調(diào)整預(yù)緊力大小，可減小溫度和速度對(duì)預(yù)載荷的影響。對(duì)于速度性能和使用壽命要求較高的電主軸，或者需要防止軸系發(fā)生軸向振動(dòng)的場(chǎng)合，可采用定壓預(yù)緊。由于定壓預(yù)緊中自行設(shè)計(jì)和制造可調(diào)整預(yù)載荷的裝置(如彈簧等)會(huì)吸收軸承的相對(duì)位置的微小變化，所以定壓預(yù)緊對(duì)高速旋轉(zhuǎn)性能有利，但對(duì)系統(tǒng)剛度不利。對(duì)轉(zhuǎn)速變化幅度較大的主軸系統(tǒng)，為確保低速時(shí)的剛度和高速時(shí)預(yù)載荷的穩(wěn)定，可采用可變預(yù)載荷的預(yù)緊方式，比如：預(yù)載分檔或定位預(yù)載與定壓預(yù)載切換等[8]。為了滿足在不同工況下預(yù)緊力的優(yōu)化，目前已在研究開(kāi)發(fā)通過(guò)壓電元件控制預(yù)緊力的微機(jī)控制預(yù)緊力系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)預(yù)緊力的在線控制[9]。

研究表明，組配軸承存在最佳預(yù)載荷值，其值與多種因素有關(guān)。因此在確定最佳預(yù)載荷時(shí)，應(yīng)綜合考慮軸承的組配方式、工作轉(zhuǎn)速、系統(tǒng)剛度及壽命等因素。

為提高主軸系統(tǒng)的支承剛度，機(jī)床主軸用滾動(dòng)軸承通常采用雙聯(lián)或多聯(lián)的組配方式[1]。通常，深溝球軸承、圓柱滾子軸承用來(lái)承受主軸的徑向載荷；推力球軸承或推力滾子軸承用來(lái)承受軸向載荷；角接觸球軸承和圓錐滾子軸承用來(lái)承受徑向、軸向聯(lián)合載荷以及載荷方向不夠清晰的附加載荷。根據(jù)機(jī)床的工作特點(diǎn)，為主軸選用不同的軸承配置形式。例如，因?yàn)閳A柱滾子軸承能夠補(bǔ)償軸的熱膨脹，如果后端使用超高速單列圓柱滾子軸承，前端使用耐用性好的(定位預(yù)緊)角接觸球軸承，這樣配置組合，就能簡(jiǎn)化主軸結(jié)構(gòu)，使主軸運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)高速和高可靠性。文獻(xiàn)[10]中列出了機(jī)床主軸中常見(jiàn)的滾動(dòng)軸承的配置形式和性能特點(diǎn)。

1.3 材料技術(shù)

對(duì)鋼制主軸軸承材料的研究和開(kāi)發(fā)大致分為兩個(gè)方面：(1)采用新的冶煉技術(shù)和裝備，或?qū)鹘y(tǒng)的冶煉工藝和設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，降低鋼中氧含量及夾雜物的數(shù)量，改善夾雜物的分布、尺寸和形態(tài)，改善結(jié)晶狀態(tài)等，以提高原有鋼種的冶金質(zhì)量，生產(chǎn)出長(zhǎng)壽命、純凈或超高潔凈鋼；(2)對(duì)原有鋼種的化學(xué)成分進(jìn)行改進(jìn)或開(kāi)發(fā)全新軸承用鋼，以滿足不同使用場(chǎng)合對(duì)軸承越來(lái)越高的性能要求，或在具有同樣性能的前提下降低材料費(fèi)用和整個(gè)軸承的生產(chǎn)成本[11]。國(guó)內(nèi)軸承用鋼的發(fā)展與國(guó)外類(lèi)似。以前，國(guó)內(nèi)主軸軸承的材料選用高品質(zhì)的軸承鋼GCr15和ZGCr15(軍甲鋼)(采用電渣重熔技術(shù)提高材料品質(zhì))，近十年來(lái)，由于軸承鋼冶煉技術(shù)的飛躍發(fā)展，尤其是真空冶煉技術(shù)的廣泛應(yīng)用，高品質(zhì)的軸承鋼已經(jīng)不再局限于電渣重熔鋼，真空脫氣GCr15和GCr15SiMo 等材料已經(jīng)廣泛應(yīng)用于主軸軸承[3]。

國(guó)外近年研制了多種新鋼種，例如，NSK公司經(jīng)過(guò)多年研究，開(kāi)發(fā)出了一種經(jīng)表面淬硬的SHX耐熱鋼，SHX具有良好的抗卡死和耐磨損特性，并且壽命長(zhǎng)(比SUJ2鋼制的軸承壽命長(zhǎng)3～4倍)。在超高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，通常認(rèn)為內(nèi)圈由于受到高的環(huán)向應(yīng)力作用而易于斷裂，使用SHX材料的內(nèi)圈，其內(nèi)部殘余應(yīng)力能抵消環(huán)向應(yīng)力，因此可以大大地避免斷裂。用SHX材料制造的ROBUST系列軸承已經(jīng)應(yīng)用于許多高速主軸，其性能已經(jīng)得到驗(yàn)證。在要求高載荷、高可靠性方面，開(kāi)發(fā)出了EP鋼以及一般環(huán)境下實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壽命的Z鋼。

另外，由氮化硅陶瓷做滾動(dòng)體的混合陶瓷球軸承也已進(jìn)入高速機(jī)床領(lǐng)域。陶瓷材料與軸承鋼相比，其密度是鋼的40%，線膨脹系數(shù)不及鋼的1/4。因此，混合陶瓷球軸承高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，作用于球的離心力及摩擦力矩小，球和套圈的熱膨脹差引起的軸承載荷相對(duì)緩和，軸承摩擦發(fā)熱少、磨損輕，高速性能得以提高；而且，由于陶瓷材料的縱向彈性模量約為軸承鋼的1.5倍，故陶瓷球軸承的剛性也比鋼制軸承大[7]。陶瓷球軸承的極限轉(zhuǎn)速較同結(jié)構(gòu)鋼制軸承提高20%～30%，若能根據(jù)陶瓷材料的特性，對(duì)陶瓷球軸承的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，其極限轉(zhuǎn)速還可以更高[1]。

1.4 保持架研究

為適應(yīng)滾動(dòng)軸承的高精度、高轉(zhuǎn)速的發(fā)展方向，必須從保持架結(jié)構(gòu)、制造精度、材料選用和加工方法等全方位進(jìn)行研究，選用強(qiáng)度高、輕質(zhì)的保持架，采用合理的引導(dǎo)方式，以滿足軸承的高速性能。現(xiàn)在，重量輕、自潤(rùn)滑性能好、摩擦因數(shù)小的工程塑料保持架已廣泛用于機(jī)床主軸軸承。

為高速旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)的保持架，盡管其通常運(yùn)行速度僅為內(nèi)圈的40%～50%，但由于要承受復(fù)雜的碰撞以及與滾動(dòng)體的局部滑動(dòng)(例如：滾子與保持架兜孔接觸面及引導(dǎo)面)而產(chǎn)生的恒定發(fā)熱的影響，保持架容易斷裂、卡死及磨損。傳統(tǒng)的金屬保持架采用噴射潤(rùn)滑，在高速主軸軸承中，由于過(guò)多的潤(rùn)滑劑會(huì)導(dǎo)致攪動(dòng)發(fā)熱，限制潤(rùn)滑劑的用量又使得金屬保持架磨損嚴(yán)重，因而不適合使用。目前高速主軸軸承中所用的保持架材料趨向于工程塑料，其韌性好、重量輕、耐熱、耐磨損，使得原來(lái)只有油潤(rùn)滑才能達(dá)到的速度領(lǐng)域也能使用脂潤(rùn)滑。

角接觸球軸承，在dmn值小于1.4×106mm·r/min以下的使用領(lǐng)域一般采用塑料保持架，可以提高軸承性能，如聚酰胺保持架；dmn值超過(guò)1.4×106mm·r/min的領(lǐng)域，使用酚醛樹(shù)脂的優(yōu)越性更高。耐用系列超高速單列圓柱滾子軸承采用玻璃纖維+聚醚醚酮(PEEK)工程塑料保持架。這種聚合物通過(guò)添加玻璃纖維，具有重量輕、耐熱、耐磨損、抗斷裂等優(yōu)良特性，微量潤(rùn)滑時(shí)能發(fā)揮最佳的耐磨特性，極限溫度達(dá)240 ℃，油氣潤(rùn)滑時(shí)，dmn值達(dá)3×106mm·r/min。高剛度系列雙列圓柱滾子軸承開(kāi)發(fā)了耐熱性優(yōu)異的高剛度聚苯撐硫(PPS)保持架，性能優(yōu)于過(guò)去使用的圓柱型聚酰胺保持架，噪聲也比銅合金保持架有所降低，極限溫度達(dá)220 ℃，脂潤(rùn)滑時(shí)，dmn值達(dá)1×106mm·r/min以上。工程塑料保持架的優(yōu)點(diǎn)是強(qiáng)度、彈性、塑流特性等優(yōu)異，能控制高速旋轉(zhuǎn)時(shí)保持架的變形，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，并能用成本低的模注法加工出理想的結(jié)構(gòu)。

保持架的引導(dǎo)方式有內(nèi)圈引導(dǎo)、外圈引導(dǎo)和滾動(dòng)體引導(dǎo)。內(nèi)圈引導(dǎo)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，可以節(jié)省材料，但與外圈引導(dǎo)相比允許的裝球數(shù)要少些；外圈引導(dǎo)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，裝球數(shù)比內(nèi)圈引導(dǎo)多些；滾動(dòng)體引導(dǎo)在同樣的轉(zhuǎn)速下，比外圈引導(dǎo)和內(nèi)圈引導(dǎo)發(fā)熱量小，同時(shí)噪聲也相對(duì)小些，另外，外圈一側(cè)可以保持較多的潤(rùn)滑脂，有利于實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑脂的長(zhǎng)壽命，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，通常為注塑型的塑料保持架。

高速應(yīng)用下，保持架兜孔的設(shè)計(jì)需要考慮選用材料的強(qiáng)度大小、變形量大小以及其具有的摩擦性能，使保持架中由兜孔與引導(dǎo)面間的摩擦引起的自激振動(dòng)最小。

1.5 潤(rùn)滑技術(shù)

超高速主軸必須采用正確的潤(rùn)滑方式來(lái)控制軸承的溫升，以保證機(jī)床工藝系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性。潤(rùn)滑方式的選擇與軸承的轉(zhuǎn)速、載荷、容許溫升及軸承類(lèi)型有關(guān)，常用的形式有：噴油潤(rùn)滑、脂潤(rùn)滑、油霧潤(rùn)滑、油氣潤(rùn)滑等。進(jìn)入20世紀(jì)80年代后，由于加工中心的高速化，油氣、油霧等微量潤(rùn)滑占了主導(dǎo)地位，傳統(tǒng)的噴油潤(rùn)滑和脂潤(rùn)滑等均已不能滿足高速主軸軸承對(duì)潤(rùn)滑的要求。在使用高壓噴射切削液的主軸中，油氣和油霧潤(rùn)滑對(duì)于防止切削液進(jìn)入主軸內(nèi)部很有效。目前微量潤(rùn)滑已成為主體[4]。

油霧潤(rùn)滑系統(tǒng)在高轉(zhuǎn)速下會(huì)在軸承運(yùn)轉(zhuǎn)的內(nèi)部產(chǎn)生“風(fēng)幕”，阻礙油霧潤(rùn)滑系統(tǒng)可靠地向各個(gè)軸承供應(yīng)幾乎恒定的潤(rùn)滑油，使各個(gè)摩擦點(diǎn)的潤(rùn)滑油量始終處于一種波動(dòng)狀態(tài)，時(shí)多時(shí)少的潤(rùn)滑油量不利于主軸軸承轉(zhuǎn)速和壽命的提高，新近發(fā)展起來(lái)的油氣集中潤(rùn)滑系統(tǒng)則可以精確地控制各個(gè)摩擦點(diǎn)的潤(rùn)滑油量，可靠性極高。油氣潤(rùn)滑技術(shù)是利用壓縮空氣將微量的潤(rùn)滑油分別、連續(xù)不斷地、精確地供給每一套主軸軸承，微小油滴在滾動(dòng)體和內(nèi)、外滾道間形成彈性動(dòng)壓油膜，壓縮空氣則帶走軸承運(yùn)轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的部分熱量，因此，油氣潤(rùn)滑在高速電主軸用滾動(dòng)軸承領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[12]。但油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)對(duì)潤(rùn)滑油、壓縮空氣以及油路和供油方式都有一定的技術(shù)要求，所需設(shè)備復(fù)雜，成本較高。

近年來(lái)，從維護(hù)、簡(jiǎn)化裝置和保護(hù)環(huán)境等方面來(lái)看，采用脂潤(rùn)滑的要求仍比較強(qiáng)烈。JTEKT為了提高潤(rùn)滑脂的使用壽命，開(kāi)發(fā)了一種一體化軸承，在軸承內(nèi)部將自動(dòng)維持潤(rùn)滑系統(tǒng)整合在一起，能在所需的時(shí)間和地點(diǎn)提供小劑量的潤(rùn)滑脂，無(wú)需壓縮空氣和外部的潤(rùn)滑設(shè)備、管道，減少了油飛散，實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)化主軸結(jié)構(gòu)，降低成本和噪聲。另外，微量潤(rùn)滑可能存在油飛濺、大量壓縮空氣的消耗、風(fēng)阻引起噪聲等問(wèn)題，有的機(jī)床采取加裝防護(hù)罩等措施。NSK開(kāi)發(fā)了旋轉(zhuǎn)噴射II型軸承(減少空氣流量，降低噪聲)；開(kāi)發(fā)了能改善高速旋轉(zhuǎn)時(shí)耐壓性的 MTE潤(rùn)滑脂和針對(duì)高速化發(fā)熱嚴(yán)重采用脲素增稠劑的MTS潤(rùn)滑脂，延長(zhǎng)了潤(rùn)滑脂的壽命，同時(shí)開(kāi)發(fā)了潤(rùn)滑脂補(bǔ)充系統(tǒng)；為解決高速主軸中風(fēng)障的影響， NSK研發(fā)了能高速?lài)娪偷奈蜐?rùn)滑結(jié)構(gòu)。

2 主軸用磁懸浮軸承

磁懸浮軸承是利用多副在圓周上互為180°可控電磁鐵產(chǎn)生徑向方向相反的吸力，將主軸懸浮于空中，使軸頸與軸承之間沒(méi)有機(jī)械接觸的一種高性能軸承[7]。隨著主軸轉(zhuǎn)速和載荷的進(jìn)一步提高，功率越來(lái)越大，傳統(tǒng)的滾動(dòng)軸承的結(jié)構(gòu)已經(jīng)難以滿足所需要的超高速、大功率的要求。磁懸浮軸承的應(yīng)用使得這種超高速、大功率的主軸成為可能[13]。

磁懸浮軸承電主軸[13]，主要是用在大功率超高速的機(jī)床上，轉(zhuǎn)速一般在1×105r/min以上。由于不存在機(jī)械接觸，轉(zhuǎn)軸可達(dá)到極高的回轉(zhuǎn)精度、較高的轉(zhuǎn)速和較大的功率，同時(shí)具有溫升低、無(wú)需潤(rùn)滑、無(wú)油污染、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。又由于磁懸浮軸承軸心的位置通過(guò)電子反饋控制系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，故主軸剛度和阻尼可調(diào)，并可自動(dòng)動(dòng)平衡，從而使振動(dòng)降至很低，噪聲較小[7]。

因?yàn)榇艖腋≥S承價(jià)格昂貴，控制系統(tǒng)復(fù)雜，長(zhǎng)期以來(lái)沒(méi)有在超高速主軸單元上大面積推廣，但現(xiàn)已有成熟的產(chǎn)品供應(yīng)，具有很大的發(fā)展前景。在國(guó)外，汽車(chē)工業(yè)生產(chǎn)線和高速機(jī)床上采用磁懸浮主軸系統(tǒng)比較普遍，主軸轉(zhuǎn)速一般為40 000～70 000 r/min。在超精加工機(jī)床上，其性能指標(biāo)達(dá)到：旋轉(zhuǎn)精度0.03～0.05 μm，承載力300 kN，徑向靜剛度600 N/μm，軸向靜剛度2 000 N/μm，動(dòng)剛度100 N/μm，可靠性MTBF≥4 000 h。在磨加工機(jī)床上，磨削轎車(chē)某零件時(shí)，磁懸浮軸承主軸轉(zhuǎn)速可達(dá)到60 000 r/min，可以緩進(jìn)給強(qiáng)力磨削方式直接加工寬為1 mm的淬火鋼材窄縫，省略了淬火前粗銑工序。采用直徑50 mm的CBN砂輪可實(shí)現(xiàn)線速度為160 m/s的超高速磨削[14]。

2.1 磁懸浮軸承系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀

為了降低費(fèi)用，增加設(shè)計(jì)的靈活性，人們對(duì)磁懸浮軸承系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了多方面研究。如自傳感器結(jié)構(gòu)、永磁與電磁結(jié)構(gòu)相結(jié)合、無(wú)軸承電動(dòng)機(jī)及超導(dǎo)磁軸承等新型結(jié)構(gòu)。在這些結(jié)構(gòu)中，無(wú)軸承電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的發(fā)展前景比較好。因?yàn)槠胀ǖ拇艖腋≥S承軸向占據(jù)體積較大，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)的軸向長(zhǎng)度較長(zhǎng)，同時(shí)臨界轉(zhuǎn)速下降，加上磁懸浮軸承本身結(jié)構(gòu)及控制比較復(fù)雜，體積較大，成本較高，限制了電動(dòng)機(jī)向更高轉(zhuǎn)速的發(fā)展，而無(wú)軸承電動(dòng)機(jī)能夠很好地解決普通磁懸浮軸承的上述問(wèn)題。現(xiàn)在研究的無(wú)軸承電動(dòng)機(jī)有永磁體表面疊裝式無(wú)軸承永磁同步電動(dòng)機(jī)、永磁體內(nèi)嵌式無(wú)軸承永磁電動(dòng)機(jī)、無(wú)軸承永磁同步電動(dòng)機(jī)。與磁軸承電動(dòng)機(jī)相比，無(wú)軸承電動(dòng)機(jī)具有體積小、能耗少、轉(zhuǎn)速更高等優(yōu)點(diǎn)，但缺點(diǎn)是電磁轉(zhuǎn)矩和徑向力之間存在耦合，磁飽和溫度變化等因素會(huì)引起電動(dòng)機(jī)參數(shù)的變化，需要建立更加合理的解耦控制方案[13]。

2.2 磁懸浮軸承需要解決的問(wèn)題[13]

(1)造價(jià)高；(2) 系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和系統(tǒng)可靠性有待進(jìn)一步提高；(3)剛度和承載能力對(duì)于大規(guī)模應(yīng)用還有一定難度，磁懸浮軸承剛度的大小取決于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和組成，因此，要提高磁懸浮軸承的剛度就必須對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行更進(jìn)一步的優(yōu)化。

3 主軸用空氣軸承[13]

高速內(nèi)圓磨床主軸軸承一般采用空氣軸承。空氣軸承采用空氣冷卻和氣膜支承，運(yùn)轉(zhuǎn)平滑，由于氣體的黏度小，能夠在摩擦損耗不大、潤(rùn)滑劑和支承的溫升不高的情況下實(shí)現(xiàn)高速旋轉(zhuǎn)，特別適合做高速回轉(zhuǎn)副的支承元件。空氣軸承具有精度高、結(jié)構(gòu)緊湊、摩擦功耗低等優(yōu)點(diǎn)，但由于受到能承受的切削載荷及過(guò)載能力較小的限制，其功率一般不是很大。

3.1 空氣軸承結(jié)構(gòu)

空氣軸承在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，近年相繼出現(xiàn)了表面節(jié)流、淺腔二次節(jié)流、多孔質(zhì)節(jié)流及浮環(huán)軸承等新類(lèi)型。其中，氣體浮環(huán)軸承是一種較理想的高速軸承，這種浮環(huán)型軸承，當(dāng)軸承高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于潤(rùn)滑氣體的粘滯作用，使環(huán)也隨之以一定速度旋轉(zhuǎn)，即形成內(nèi)外氣膜的雙膜軸承；也可以環(huán)不旋轉(zhuǎn)，在外部供氣作用下懸浮在軸承與軸之間，同樣也形成一種雙膜軸承。這種雙膜軸承的優(yōu)點(diǎn)是：功耗低；高速穩(wěn)定性好。

3.2 空氣軸承需要解決的問(wèn)題

(1)普遍存在剛度不高、散熱性不好的問(wèn)題；(2)剛度及承載力特別是抗過(guò)載能力不強(qiáng)；(3)工作可靠性、制造工藝性、實(shí)用性、普及性等有待進(jìn)一步的研究；(4)標(biāo)準(zhǔn)化、結(jié)構(gòu)系列化和設(shè)計(jì)計(jì)算方法不夠規(guī)范。

3.3 氣磁混合軸承

空氣軸承與磁懸浮軸承相比，具有相當(dāng)高的工作精度，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易和便于推廣應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)；而磁軸承具有較高承載能力，便于控制和具有更高工作精度的性能。目前已有專(zhuān)家開(kāi)發(fā)出一種綜合這2種性能的氣磁混合軸承，這種軸承的主要特點(diǎn)是同時(shí)具備較高的承載能力和很高的工作精度，而這種特性很適合于超高速、超高精度加工，有十分廣闊的應(yīng)用前景[13]。

4 主軸用動(dòng)靜壓軸承

動(dòng)靜壓軸承是一種綜合了動(dòng)壓軸承和靜壓軸承優(yōu)點(diǎn)的新型多油楔油膜軸承，其避免了靜壓軸承高速下發(fā)熱嚴(yán)重和供油系統(tǒng)龐大復(fù)雜，克服了動(dòng)壓軸承啟動(dòng)和停止時(shí)可能發(fā)生干摩擦的弱點(diǎn)，有很好的高速性能，而且調(diào)速范圍寬。其結(jié)構(gòu)緊湊，動(dòng)、靜態(tài)剛度較高，價(jià)格也較高，使用維護(hù)較為復(fù)雜，標(biāo)準(zhǔn)化程度低，在超高速主軸單元中應(yīng)用較少。

5 結(jié)束語(yǔ)

主軸軸承技術(shù)是高速機(jī)床主軸的關(guān)鍵技術(shù)，使用不同類(lèi)型的軸承，主軸將具有不同的工作特性。滾動(dòng)軸承電主軸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、剛度好、標(biāo)準(zhǔn)化高，但其轉(zhuǎn)速一般在1×105r/min以下，主要適用于一般的高速加工。通過(guò)對(duì)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及潤(rùn)滑進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)、材料的研究選用，使得其對(duì)熱載荷不敏感，提高抗卡死的性能，從而拓展其速度的極限。磁懸浮軸承電主軸適用超高速、大功率的應(yīng)用場(chǎng)合，但其結(jié)構(gòu)較大且復(fù)雜，控制難度高。傳統(tǒng)的空氣軸承電主軸的精度比較高，但其承載能力小，適合于小型零件的精密加工。正在研制的氣磁混合軸承，綜合了空氣軸承和磁懸浮軸承的優(yōu)點(diǎn)，將能很好地適應(yīng)超高速精密加工。目前，向更高轉(zhuǎn)速極限挑戰(zhàn)的主軸軸承研發(fā)工作還在持續(xù)地進(jìn)行中。