高速切削机床用角接触球轴承性能分析

　　摘　要：为提高高速切削机床主轴的使用性能，对角接触球轴承在高速运动状态下的运动性能（如旋滚比等）进行分析。通过分析，得出角接触球轴承在不同工况、不同结构参数及不同材料情况下，轴承运动性能参数的变化规律。为高速下角接触球轴承的选用和结构参数优化设计提供分析依据。
　　关键词：高速切削机床；角接触球轴承；旋滚比；接触应力
　　0　引言
　　高速切削加工是面向21世纪的一项高新技术，它以高效率、高精度和高表面质量为基本特征，在汽车、航空航天、模具制造和仪器仪表等行业中获得了愈来愈广泛的应用，并已取得了重大的技术经济效益，是当代先进制造技术的重要组成部分。高速切削机床主轴的转速一般都在数万转以上，因此，机床主轴应具有旋转精度高、温升低、刚性好、寿命长的基本性能。而机床主轴系统的核心是高速角接触球轴承在实际使用中的性能。一般情况下，随着工作转速的不断提高，易出现轴承的工作温度升高，振动和噪声增大，且其滚动疲劳寿命会降低的特点^[1]。
　　衡量高速角接触球轴承运动性能好坏的参数为旋滚比和接触应力。滚动体在套圈滚道接触处的自旋运动的角速度与滚动角速度的比值称为旋滚比。旋滚比体现了轴承滚动体在滚道上滚动和滑动的运动状态，滚动体绕接触面法线的自旋运动会引起摩擦并发热，旋滚比越大，则旋转滑动越剧烈，发热和磨损越严重，因此，在高速运转时应尽可能的降低轴承的旋滚比。高速下，离心力很大，接触应力也很高，希望滚道接触处的Z大接触应力小于滚道表面所允许的Z大接触应力4200MPa^[2]，这样既可保证轴承高速性能，同时也利于提高轴承的使用寿命。
　　1　影响角接触球轴承性能的因素
　　为满足高速切削机床主轴的工作要求，高速角接触轴承应有一个良好的运动性能。即具有较小旋滚比和接触应力。根据旋滚比和接触应力的计算公式^[2]，可知影响其大小的因素主要包括：结构参数（如沟曲率系数、接触角、滚动体直径等）、使用工况（如载荷、转速等）及滚动体材料等。以某轴承为例分析其影响关系。
　　1.1 结构参数
　　根据套圈控制理论，高速旋转状态下，离心力的作用，一般属于外圈滚道控制。以外圈控制理论为基础建立了拟静力学计算模型。以7212轴承为例，轴承参数列于表1。 　　（1）沟曲率系数fi、fe。沟曲率系数的大小反映滚动体在旋转状态下，与滚道之间的密合程度。密合度越大，相同条件下，接触应力越小，承载能力越高，但摩擦也变大，相反，密合度越小，承载能力越小，摩擦也越小。在高速下，为了减少摩擦发热，降低启动摩擦力矩，应适当减小轴承的密合程度，即适当增大沟曲率系数。表2反映了内、外圈的沟曲率系数fi、fe对旋滚比的影响。通过分析可以得出：内圈沟曲率系数fi对旋滚比的影响较大，旋滚比随fi的增大旋滚比显著减小；且当内圈沟曲率系数fi大于等于外圈沟曲率系数fe时，旋滚比较小。 　　分析原因：①高速情况下，离心力的作用，降低了滚动体与内圈滚道接触处的接触压力，导致滚动体在内圈滚道上易发生剧烈滑动，因此fi的取值直接影响旋滚比的大小；②高速旋转时，外圈实际接触角小于内圈实际接触角，适当增大内圈沟曲率系数可以改善内外圈与滚动体的受力，有利于内圈在运转过程中保持较小的接触角，从而可降低滚动体自旋，使旋滚比减小；③当fi取值较大时，增大fe会因密合度的减少而使得滚动体与套圈的接触区域变小，接触应力变大，从而使得旋滚比增大；当fi取值较小时，由于内圈上的接触角及密合度都变大，此时的旋滚比也变得较大。
　　（2）名义接触角。名义接触角是指滚动体与滚道接触点的公法线与轴承径向平面的夹角。名义接触角是高速角接触球轴承的重要参数，对轴承的载荷分布、运转性能及摩擦等有重要的影响。一般情况下，接触角大，承受轴向载荷的能力也大。当名义接触角取不同的值，其余参数不变时如表1所示，接触角对旋滚比的影响如表3所示。分析可知：随着接触角的增大，旋滚比增大，导致摩擦发热升高，磨损严重。因此在高速状态下，为避免轴承出现发热烧伤现象，应尽量选用名义接触角小的角接触球轴承。Z大接触应力随接触角增大有减小的趋势。 　　（3）滚动体直径、数目。表4、5分别显示了滚动体直径及数目对旋滚比、接触应力的影响。通过对比分析得出：①改变滚动体直径，其它参数不变时，轴承旋滚比随滚动体直径的增大而增大。高速情况下，离心力与滚动体直径的三次方成正比，因此滚动体直径的增大使得离心力增大，从而导致接触条件恶化，使得摩擦发热也随之升高。因此高速角接触球轴承一般选配直径小一些滚动体；②其他参数不变的条件下见表1，滚动体数目增加或减少一两个，轴承的旋滚比有增大的趋势，但滚动体数目的增加会降低保持架的强度；滚动体数目的增加，可减小作用与每个滚动体上力，从而使滚动体与套圈的接触应力减小。 　　1.2 不同工况
　　（1）轴向载荷。当承受的轴向载荷变化，其它参数不变（见表1）时，套圈接触应力与轴承旋滚比的变化如表6所示。轴向载荷的增加旋滚比减小，在滚道接触处的摩擦热量也随之降低。 　　（2）径向载荷。其它参数不变见表1，承受的径向载荷改变时，与套圈接触应力和轴承旋滚比的变化如表7所示。旋滚比和接触应力随径向载荷的增加而增大，摩擦发热也随之升高。 　　（3）转速。表8所示：改变转速，其它参数不变时见表1，旋滚比和接触应力随转速的变化程度。分析后得出：转速对旋滚比的影响显著，从表中数据可看出，当转速从20000r/min向30000r/min以上升速时，旋滚比明显增大，且摩擦发热也显著升高。随转速的增加，内外圈滚道接触应力有增大的趋势。其原因：由于离心力与转速的平方成正比，所以当转速升高时，离心力增大，导致接触条件恶化而造成的。 　　1.3 滚动体材料
　　轴承内、外圈选用轴承钢，滚动体采用不同材质时，滚动接触状态表现不同。表9所示陶瓷与轴承钢的性能参数对比。当滚动体材料为陶瓷时，由于Si₃N₄陶瓷的密度有钢的40%^[4]，在相同高速条件下运转时，相同尺寸的陶瓷球的离心力也就只有钢球的40%。表10所示在其它参数不变的条件下见表1，滚动体选用不同的材料时，轴承内外套圈上的接触应力及旋滚比的计算结果。分析后得出：滚动体为陶瓷材料时，轴承的旋滚比比滚动体选用轴承钢时的小，这说明在高速旋转时陶瓷球轴承中的摩擦及温升均比轴承钢的轴承小。但是，滚动体选用陶瓷材料时对套圈滚道接触应力大于滚动体选用钢材料时对套圈滚道接触应力。 　　2　结论
　　（1）转速一定时，轴承所承受载荷大小影响其高速性能。当径向载荷不变时，适当增加轴向载荷，可降低轴承的旋滚比，提高轴承高速性能。
　　（2）沟道曲率系数对轴承性能有较大的影响。通过分析可知：适当的增加轴承内圈沟道曲率系数fi，有利于降低由于离心力作用而加剧的滚动体与内圈滚道之间的滑动。
　　（3）高速状态下，选用名义接触角小的轴承，可有利于降低其旋滚比。
　　（4）在相同条件下，采用不同的滚动体材料对高速角接触球轴承的旋滚比的影响程度不同，通过分析滚动体材料为陶瓷的轴承的旋滚比小于滚动体材料为轴承钢的轴承。
　　参考文献：
　　[1]BONESS R J.Minimum load requirements of the prevention of skidding in high speed thrust loaded ball bearings[J].Journal of Lubrication Technology，1981，1.
　　[2]贾群义.滚动轴承的设计原理与应用技术[M].西北工业大学出版社，1991.
　　[3]万长森.滚动轴承分析方法[M].北京：北京机械工业出版社，1985.
　　[4]袁卫，熊万里，黄红武.高速精密陶瓷球轴承与钢质球轴承的性能比较研究[J].机械，2003，6.
　　[5]康剑莉.影响高速角接触球轴承旋滚比的因素及分析[J].轴承，2004，12.