电主轴和超精密轴承技术评述与展望

　　摘　要：介绍了电主轴及其配套产品和技术关键，并展望了其未来的发展趋势。
　　关键词：电主轴；精密轴承；技术；发展趋势
　　高速精密加工技术是继数控技术之后使制造技术再次产生了革命性飞跃的一项高新技术，电主轴作为高速机床赖以实现高速精密加工的关键功能部件，将电动机的功能与机床主轴功能从结构上融为一体，省去了中间的传动环节，具有调速范围宽、振动噪声小，可快速起动和停止，准位停止和定位等优点。被称之为制造业的芯片，而与其配套的超精密高速轴承技术，也代表着滚动轴承研究与应用的Z高水平，两者目前都成为上技术竞争的焦点和热点，本文将系统介绍电主轴及其配套轴承产品和技术关键，并展望了其未来的发展趋势。
　　1　电主轴产品技术现状
　　在电主轴领域，目前，Fischer公司，Ibag公司、Gamfior公司、INA-FAG公司（GMN公司）、Ingersoll公司、Kuma公司和Feamat公司等处于领先地位，代表了该领域的世界领先水平，国内的主要生产厂商有洛阳轴研科技股份有限公司（洛阳轴承研究所）、无锡机床厂和安阳来必泰等。但是相比较而言，只有轴研科技的产品和国外著名品牌具有功率大、转速高、并成功地在数控机床上应用。目前，数控机床主轴已从传统的3000r/min-5000r/min发展到15000r/min-70000r/min，如果以速度因子dm•N（mm•r/min）来衡量，高速电主轴dm•N值已达到2.5×10⁶-3.0×10⁶，Z高甚至达到4.00×10⁶，近年来数控机床电主轴的转速就在这样的一个较高的速度下稳定了下来。
　　从品种上看，电主轴也从普通的磨用电主轴发展到数控机床电主轴，加工中心轴、高速离心机轴、高速旋碾轴和硅片切割机轴等。
　　高精度化成为电主轴近年发展的一个显著特征，其中对于硅片切割、PCB钻孔等HDD零件要求Z为严格，要求工件的圆度在0.2μｍ以下，Z近甚至要求配套轴承的非重复跳动（NRRO）不大于0.1μｍ，高精度加工中心的精度要求也越来越严格，要求配套轴承的精度达到P2级以上。
　　单元化、功能集成化也是电主轴近年发展的一个重要特征，加工中心和数控机床等电主轴需配备准位停止、精确定位及可靠夹紧系统和松刀机构。以使机床结构更为紧凑，操作更为简便，加工效率大为提高。
　　2　高速超精密轴承技术现状
　　在高速滚动轴承主轴支承系统中，滚动轴承从设计、原材料、加工工艺、润滑技术及应用等方面进行了卓有成效的改进，取得了令人瞩目的成绩，使得滚动轴承速度因子在试验室中达到4×10⁶mm•r/min，在工业实际应用中，混合陶瓷球轴承，速度因子达到2.5×10⁶mm•r/min。
　　在高速滚动轴承设计中，为了提高轴承的动态性能，降低摩擦磨损，减小高速运动时的惯性力，可采用空心滚动体，如法国GAMET公司的空心圆锥滚子轴承，或采用工程陶瓷材料（密度约为钢的40％）滚动体，如NSK公司的ROBUST系列轴承；FAG公司的超高速、超长寿命轴承（X-life ulra bearings），以及NTN公司的BNT系列混合陶瓷球轴承、Torrington公司的Ceramic Hybrid Bearings（钢一陶瓷混合轴承）和SNFA公司的NSH1系列（陶瓷球外圈滚道带润滑油孔）轴承。在保持架方面，对角接触球轴承，dm•N值在1.4×10⁶以下，可采用球引导的聚酰亚胺保持架，以降低轴承的噪声和引导面摩擦，进而减少发热，另外外圈一侧可保持较多的润滑脂，有利于延长脂润滑寿命。对圆柱滚子轴承，可采用Peek和PPS等耐热高强度塑料制造保持架，降低振动噪声和摩擦。在dm•N值超过1.4×10⁶mm•r/min，采用高强度，轻质夹布胶木保持架，为减小兜孔与保持架之间的摩擦，将保持架内径取至接近钢球中心圆，采用小而多的滚动体等。取Z佳的沟曲率系数配比（fe/fi=0.53/0.57）等。在高速轴承的加工和精度控制中，P2级轴承加工检测已成为一种成熟的技术，高度精确配对，接触角精确配对技术日臻完善，使多列组配轴承受载更为均匀。在高速轴承套圈用材上，当dm•N值超过1.5×10⁶mm•r/min时，上Z新采用超高速超长寿命特殊高速钢，采用加压电渣重熔（Pressarized eletro-slag remelfing-PESR）工艺冶炼制造，如FAG公司Cronidur 30和NSK公司SHX钢，这类钢材具有优异的抗烧伤性能和耐磨性能，可保证在高的接触应力下有较低的温升，从而保证轴承的超长寿命和高可靠性。
　　3　高速主轴系统润滑技术
　　润滑是保证轴承高速性的一个Z重要的条件之一，一般认为dm•N值大于0.8×10⁶mm•r/min属于高速轴承，一般应采用油雾润滑，dm•N值大于2×10⁶mm•r/min应采用油气润滑，当dm•N值超过1.5×10⁶mm•r/min，润滑技术和润滑装置则成为一种保障轴承运动的必备条件，并成为各轴承公司的专有技术，FAG公司推荐采用全耗油润滑技术（Through away lubrication），SNFA公司推荐采用H1润滑技术，其主要特点是通过在轴承外圈上开润滑油孔而使润滑油直接进入轴承钢球与滚道的接触区。NSK则采用Spinshot^TM润滑系统，其工作原理是在轴承旋转内圈上，安装带供油孔的旋转垫片（旋转溅射供油系统，并申请了专利），垫片外侧开环形油道，再与外圈垫片上的供油腔形成供油通道，这样就可与油气润滑供应装置一起构成一个完整的油气润滑旋转溅射供油系统。采用H1技术和Spinshot供油技术后，轴承的dm•N值可达到2.5×10⁶mm.r/min。
　　脂润滑电主轴作为环保产品受到世界范围的重视。FAG公司和Kluber公司共同开发了dm•N达到2.0×10⁶mm•r/min的高速润滑脂，NSK公司开发了dm•N达1.8×10⁶mm•r/min，可实现10000小时免维护的带自动补脂系统的电主轴。自动补脂系统的工作原理是用一个柱塞泵和储脂管连接输脂管通过压缩空气将润滑脂定量地输送到轴承外圈上的入口，并设计一个废脂排放隔圈和轴承座，作为废脂储存槽，实现主轴1万小时免维护。
　　高速轴承应用技术近年来受到了越来越广泛的重视，为了避免轴承初始急剧温升，保持轴承持续低摩擦、恒刚度，又发展了带液压挡边自动反馈补偿的可控予紧力的定压予紧轴承，如Timken公司的HR系列轴承。并对高速下轴承的配置和予紧形式进行了分析研究，给出了不同类型机床高速下主轴轴承的典型配置形式，分析了不同配置形式下的予紧方式与予紧力。
　　高速轴承的这些实用技术，大都依赖于高速轴承动态性能研究与分析技术，反过来，这些实用技术所取得的应用与实验结果又证实或修正了高速轴承动态分析的结论，从而使高速轴承工程技术不断向前发展。
　　4　展望
　　电主轴和配套轴承未来的技术发展方向主要集中在以下几个方面：
　　（1）高速高精度和高效切削成为电主轴的永恒的目标，这就要求电主轴相关件成为电主轴发展的主要目标；
　　（2）环保免维护高可靠性是现代制造业对电主轴提出的又一项要求，从而高速脂润滑技术，长期无故障运行技术是电主轴的又一发展方向；
　　（3）高速轴承动力学分析设计技术，0.1μｍ（100纳米）轴承设计制造、检验技术、混合及全陶瓷轴承设计制造技术、主轴轴承单元高效配对技术、新型高速润滑技术将成为机床主轴轴承的研究热点；
　　（4）主轴相关配套系统如准停、定位、刀具夹紧、松开系统等系统化标准化将成为电主轴发展的必然要求。
　　总之，电主轴作为一种机电一体化产品，正成为机床的核心部件，而成为制造业的芯片，引起传统机械传动技术乃至制造业的一场革命。